Valorisation énergétique des eaux municipales grâce à des procédés à membrane

Hongde Zhou, professeur et titulaire de Chaire de recherche industrielle, Université de Guelph, 2011 - 2014
Enjeu

Un objectif de plus en plus pressant pour de nombreuses municipalités exploitant des usines de traitement des eaux usées est d’en arriver à un traitement des eaux usées qui soit durable, consomme moins d’énergie et permette la récupération de ressources. Dans bon nombre de collectivités, le plus gros consommateur d’énergie est souvent l’usine municipale de traitement des eaux usées. 

Un récent changement de paradigme considère les eaux usées municipales comme une source potentiellement intéressante d’énergie, d’éléments nutritifs et d’autres éléments. Selon des études antérieures, les eaux usées municipales contiendraient approximativement 10 fois l’énergie requise pour la traiter. Comme les coûts d’énergie sont en hausse et que le phosphore minéral devient de plus en plus rare, la valorisation et le renouvellement de ces ressources deviennent plus attirants.

Ce projet, dirigé par Hongde Zhou, aborde la demande croissante de nombreuses municipalités de développement de procédés de traitement faisant appel à des membranes qui peuvent récupérer l’énergie de façon efficace et économique, tout en fournissant des occasions de réutiliser l’eau et de valoriser d’autres ressources de valeur. Le projet vise à élaborer une série d’innovations techniques pour faciliter l’adoption de technologies énergétiques durables lors de la construction et de la mise à niveau d’installations municipales de traitement et d’assainissement des eaux usées.

Projet

L’équipe du projet va évaluer l’utilisation d’un bioréacteur à membrane fonctionnant à des temps de séjour de boues extrêmement courts (le traitement des boues est un procédé pour traiter les eaux d’égout et les eaux usées avec de l’air et un floc biologique composé de bactéries et de protozoaires.) La méthode est mise à l’essai pour déterminer si elle maximisera la conversion de la matière organique en biomasse récupérable tout en minimisant la demande en oxygène nécessaire à l’oxydation biologique. La filtration à basse pression à travers la membrane aidera aussi à surmonter un obstacle majeur – la faible sédimentation des boues générées à de courts temps de séjour – ce qui permettra de séparer la biomasse des effluents traités. Une étude pilote de ce procédé aura lieu à l’usine de traitement des eaux usées de la ville de Guelph.

Plus de 90 % de l’énergie contenue dans les eaux usées aboutit dans les boues, lesquelles sont généralement digérées en conditions anaérobies pour générer des biosolides. Toutefois, le méthane produit n’est habituellement ni optimisé ni capturé. L’équipe étudiera un bioréacteur à membrane anaérobique incluant un prétraitement visant à améliorer la production de méthane tout en concentrant les produits biosolides (digestion des boues). Elle étudiera aussi le perméat issu de la membrane pour voir s’il est possible de valoriser les éléments nutritifs et de réutiliser l’eau.

Parallèlement aux essais du bioréacteur à membrane, l’équipe examinera les mécanismes d’encrassement et les dynamiques microbiologiques dans les deux systèmes des bioréacteurs à membrane. En outre, les chercheurs auront recours à des modèles de processus tout au long du programme de recherche afin de soutenir la conception des expériences, de faciliter l’analyse des données expérimentales et d’aider à l’estimation des coûts en comparant la consommation d’énergie et les coûts de traitement.

Les essais pilotes de courts temps de séjour des solides dans le bioréacteur à membrane (essais TTS BRM) ont permis d’évaluer l’encrassement de la membrane, l’efficacité du traitement, la production de boues et la décantabilité des boues. Les résultats indiquent un important retrait de matière organique et une nitrification presque complète à tous les TTS utilisés.

Parallèlement aux essais TTS BRM, l’équipe a examiné l’encrassement de la membrane en surveillant la pression transmembranaire. Les résultats indiquent que si le TTS est court, l’encrassement de la membrane peut être très important. Pour bien comprendre les mécanismes d’encrassement, les chercheurs ont procédé à de nombreux tests en laboratoire. D’après les résultats obtenus, ils ont développé un modèle de filtration différent.

Produits

Ce projet a aidé à l’élaboration de nouvelles technologies et de nouveaux protocoles, modèles et appareils :

  • Tous les appareils nécessaires aux essais ont été conçus et installés en vue de réaliser les objectifs du projet de recherche proposé. 
    • Trois installations pilotes ZeeWeed 10 BMR en conditions aérobies pour les essais de courts TTS
    • Trois nouveaux BMR anaérobiques (BMR An) pour la digestion des boues fournis par GE Water & Process Technologies. 
  • L’équipe a établi divers protocoles pour l’analyse de la qualité de l’eau, la caractérisation des boues et la mesure de l’encrassement de la membrane. 
  • Développement du modèle : les données recueillies ont servi à étalonner un modèle de procédé intégré d’après les modèles de boues activées de l’International Water Association (IWA). 

Les chercheurs ont aussi publié les articles scientifiques suivants :

Lee, H.-S. et H. Yeo. « The effect of solids retention time (SRT) on dissolved methane concentration in anaerobic membrane bioreactors », Environmental Technology, vol. 34 (2013), p. 2105-2112.

Yeo H et H.S. Lee. « Fates of dissolved methane in anaerobic membrane bioreactors (AnMBRs) », présenté à Bioresource Technology (2013).

Chang, S., S. Jamal, H. Chen, H. Zhou, Y. Hong et N. Adams. « A novel approach to analysing concentration polarization of polysaccharide solutions », présenté à Water Science & Technology (2013).

Jamal, S., S. Chang et H. Zhou. Filtration behaviour and fouling mechanisms of polysaccharides. En préparation (2013).

Snider-Nevin, J., N. Adams, K. Suresh et H. Zhou. Evaluation of membrane bioreactors with short solids retention times on performance, biomass characteristics and membrane fouling. Accepté pour présentation orale (2013).

Résultats
  • On s’attend à ce que ce projet comble une lacune importante de connaissances sur les procédés optimaux du bioréacteur à membrane (BRM). Cela permettra d’optimiser la biomasse ou la production de méthane et aussi de réduire le potentiel d’encrassement de la membrane par les boues produites dans les BRM à court temps de séjour des boues et dans les digesteurs anaérobiques.  
  • Changements potentiels dans les façons de faire, puisque ces connaissances peuvent être mises en application pour permettre aux municipalités de valoriser l’énergie contenue dans leurs eaux usées.
  • L’approche d’analyse du modèle de processus développée pour l’analyse énergétique comparative peut aussi être adaptée par les décideurs lors de l’évaluation d’autres technologies de traitement et de conditions d’opération pour diverses usines de traitement des eaux usées.
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Équipe de Recherche et Partenaires:

Équipe de Recherche

Hongde Zhou, professeur et titulaire de Chaire de recherche industrielle, Université de Guelph
Wayne Parker, professeur et doyen associé de la faculté de génie, Université de Waterloo
Steven Liss, professeur et vice-directeur (recherche), Université Queen’s
Hyung Sool Lee, professeur adjoint, Université de Waterloo
Sheng Chang, professeur agrégé, Université de Guelph

Partenaires

GE Water & Process Technologies
Hydromantis Environmental Software, Inc.
Usine de traitement des eaux usées de la Ville de Guelph
P.M. Sutton and Associates