Rheological study of sludge of membranes bioreactors for water treatment: protocol, limitations and link with the filtration
Etude rhéologique de boues de bioréacteur à membranes pour le traitement des eaux usées : protocoles, limitations et liens avec la filtration
Résumé
The submerged membranes bio-reactors (sMBR) are more and more visible in the field of waste water treatment. The membrane fouling, that causes a drastic fall of the performances, can be limited by the application of a swarm of bubbles close to the membrane surfaces. This aeration as a major factor of the energetic expense of these processes, lets numerous studies to focus on the understanding of the mechanisms linking the bubbles swarm with fouling.. In this background, the rheological tools appeared to be useful to understand the behaviour of sludge under shear stress. In order to be sure to get significant results, we used three types of rheological measurements: i) the influence of shear rate on shear stress; ii) the influence of upward then downward stages of shear stress on viscosity; iii) the influence of the alternation of two stages of shear stress with implementation times identical to those of sMBR aeration. Besides a viscoplastic behaviour previously observed, a phenomenon of hysteresis appeared. The transparent upper plan used on the rheometer exhibited formations of aggregative structures “in roll”. Sludges of a sMBR using different sequencing of aeration are compared: the developed protocols enabled to differentiate those sludges, with characteristic results depending on mechanical applications. The aim of this work is, eventually, to propose some correlations between usual characteristics of the process and aeration operating parameters, in order to propose an aeration policy improving energetic performances.
Dans le contexte du traitement de l'eau par bioréacteur à membranes (BaM), les BAM immergées (BAMI) trouvent une place de plus en plus marquée. Le colmatage des membranes, qui entraîne une chute drastique des performances, peut être limité par l'application d'un train de bulle en proche paroi membranaire. Cette aération contribuant pour une part importante au coût énergétique de ces procédés, de nombreuses études s’appliquent à comprendre les mécanismes liant les trains de bulles au colmatage. La rhéologie des boues est complexe. Aussi, pour étudier l’impact hydrodynamique de ces trains de bulles, les outils rhéologiques sont intéressants pour comprendre le comportement des boues sous contraintes. Pour assurer des mesures significatives, nous avons utilisé trois types de mesures rhéologiques: i) l'évolution de la contrainte de cisaillement en fonction du gradient de vitesse; ii) l'évolution de la viscosité sur des paliers ascendants puis descendants de contrainte de cisaillement; iii) l'évolution de la viscosité en alternant deux paliers de contrainte des cisaillement dont les temps d’applications sont similaires à ceux des séquences d'aération retrouvées dans le BAMI. En plus d’un comportement viscoplastique précédemment observé, un phénomène d’hystérésis est apparu . L’utilisation d’un plan supérieur du rhéomètre transparent montre la formation de structures agrégatives « en rouleau ». Les boues issues d’un BAMI avec des séquençages de l’aération différents, sont présentées et comparées : l’outil « rhéomètre » a permis de différencier ces boues, par des réponses spécifiques suivant les sollicitations mécaniques. L’objectif de ce travail est, à terme, de proposer des corrélations entre les grandeurs usuelles qualifiant le procédé en fonction des paramètres de l'aération, afin de proposer un mode d’aération adéquat visant les performances énergétiques.