SBR et MBR : une alternative technique durable

Un réacteur discontinu séquentiel (SBR) est un système de traitement biologique des eaux usées par boues activées, dont la principale caractéristique est que tous les processus nécessaires au traitement sont effectués séquentiellement dans le même réacteur.

Ce type de procédé présente certains avantages, c'est pourquoi il est mis en œuvre dans de nombreuses installations industrielles depuis des décennies. L'un des principaux avantages de ces procédés est qu'ils ne nécessitent pas d'investissements importants et ont des coûts d'exploitation modérément faibles. Pourtant, un SBR présente plusieurs limites, telles que sa discontinuité, nécessitant un réservoir de stockage préalable, l'incapacité d'atteindre une qualité d'effluent suffisamment élevée pour se conformer aux limites de rejet, et la faible stabilité de fonctionnement, qui est très sensible aux variations de charge et de débit. Une autre caractéristique essentielle de ce type de procédé est le fait que la boue est séparée de l'eau épurée par sédimentation dans le réacteur lui-même, de sorte que le procédé dépend en grande partie de la sédimentabilité de la boue biologique. Il existe donc un risque élevé de bourrage, produisant une perte de biomasse active et ayant des effets négatifs sur la qualité des rejets.

Dans cet article, nous nous concentrons sur les technologies MBR à membranes externes.

Les principaux avantages du MBR sont sa conception compacte, son fonctionnement simple et hautement automatisé, son faible encombrement et les faibles volumes biologiques nécessaires. Les installations offrent une stabilité de processus élevée, même en cas de variations de charge, grâce à des micro-organismes hautement spécialisés et à une qualité de décharge élevée et sans solides. La raison en est la rétention sûre de la biomasse active à l'aide de modules d'ultrafiltration.

En revanche, les procédés MBR nécessitent généralement des investissements plus importants que les autres technologies de traitement de l'eau.

Lors du choix d'une technologie de traitement particulière, différents facteurs doivent être pris en compte, tels que les caractéristiques d'entrée des eaux usées, la qualité de rejet requise, l'espace disponible et les coûts d'investissement que le client peut accepter.

Sur la base de ces considérations, chaque technologie a ses applications et ses niches de marché correspondantes. Les principales différences techniques entre SBR et MBR, qui permettent de sélectionner la technologie appropriée, sont les suivantes :

Caractéristiques du procédé : Le système SBR est un procédé discontinu (procédé discontinu) fonctionnant avec des concentrations de biomasse inférieures à 5 g/l MLSS pour assurer une sédimentation appropriée et des hauteurs de réservoir habituelles allant jusqu'à 6 m. Le MBR, quant à lui, est un procédé continu (fonctionnement 24h/24 et 7j/7) qui fonctionne avec des concentrations allant jusqu'à 25 g/l MLSS et des hauteurs de cuve jusqu'à 10 m, puisque la séparation est réalisée par membranes et non par sédimentation. En raison de ces différences, les procédés MBR nécessitent des volumes et des empreintes biologiques plus petits que les procédés SBR.

Qualité des effluents : L'effluent d'un MBR est totalement exempt de matières en suspension puisque l'ultrafiltration représente une barrière physique. De ce fait, les micro-organismes sont également plus spécialisés (âge des boues plus élevé), ce qui permet d'atteindre des taux élevés de demande chimique en oxygène (DCO) et d'élimination de l'azote. En général, les procédés MBR atteignent des qualités d'effluent nettement supérieures à celles des procédés SBR (DCO 50 à 60 % inférieure à celle des procédés SBR dans les mêmes conditions et concentrations d'azote inférieures à 10 mg/l). En ce qui concerne les taux de dénitrification, bien que la concentration en nitrate de l'effluent soit comparable dans les deux technologies, le SBR présente un risque d'inhibition du processus biologique plus élevé que le MBR en raison de la combinaison de fortes concentrations d'ammonium et de valeurs de pH élevées pendant la phase de dénitrification anoxique.

Production de boues excédentaires : En raison de la concentration en biomasse et de l'âge des boues plus élevés, la quantité de boues excédentaires produites dans un procédé MBR est nettement inférieure à celle d'un procédé SBR.

Stabilité du procédé : Les procédés SBR sont beaucoup plus sensibles aux variations de la composition des eaux usées, qui provoquent souvent des changements dans la biomasse, affectant la sédimentation et entraînant par conséquent une perte de biomasse et une détérioration de la qualité des rejets. Le système de séparation de la biomasse MBR avec des membranes est moins influencé par les caractéristiques rhéologiques des boues, permettant un degré élevé d'adaptation aux changements de l'entrée sans affecter le processus. D'autre part, le MBR étant un processus continu, la configuration des paramètres de fonctionnement (pH, oxygène dissous, température, dosage chimique) est stable et continue dans le temps, ce qui rend le contrôle et l'exploitation de l'installation plus facile que dans un SBR.

Consommation d'énergie : Pour une même eau usée, la consommation d'énergie d'un MBR est généralement supérieure à celle d'un SBR, en grande partie à cause des besoins énergétiques élevés des pompes d'ultrafiltration MBR. Cependant, cela est en partie compensé par l'efficacité énergétique plus élevée de l'aération MBR.

Combinaison avec les étapes de post-traitement : En raison de la haute qualité de l'effluent obtenu dans un MBR et du fait que l'effluent est complètement exempt de matières solides, la combinaison avec les étapes de post-traitement de raffinage (réduction des sels, recyclage) est plus simple et plus efficace dans le cas d'un procédé MBR que dans le cas d'un procédé SBR.

Dans certains cas, le procédé SBR installé ne suffit pas à atteindre les objectifs de traitement requis. Les raisons possibles sont diverses : évolution des caractéristiques des eaux usées réelles par rapport à celles envisagées à la conception (concentrations, débit), modification des exigences de rejet, mauvaise conception du procédé, etc.

Dans ce cas, une alternative technologique d'amélioration est la mise à niveau d'un SBR vers un MBR, qui permet de réutiliser la majeure partie de l'installation existante tout en répondant aux exigences de rejet de manière fiable, rapide et économique.

L'étude technique des exigences pour la transformation d'un SBR en MBR est propre à chaque usine, mais il existe un ensemble de critères généraux communs à prendre en compte :

Analyse des conditions réelles : le client doit fournir des informations détaillées sur la situation réelle de l'usine

Caractéristiques détaillées des exigences actuelles et/ou futures de rejet des eaux usées existantes, limites spécifiques du projet (espace, hauteurs, emplacement, bruit, changement futur de la réglementation, autres considérations techniques)

• Données détaillées sur l'usine SBR actuelle (ingénierie, conception, dimensionnement des équipements, données d'exploitation)

• Raisons pour lesquelles le client pense que le SBR ne répond pas aux attentes et aux exigences (capacité de traitement insuffisante, non-respect des valeurs limites de rejet, non-respect d'autres réglementations spécifiques, problèmes et difficultés d'exploitation, coûts élevés, etc.)

A partir de l'ensemble des données collectées, une étude détaillée et justifiée doit être réalisée sur les raisons techniques précises du fonctionnement inadéquat du SBR, qui incluent typiquement la conception ou le dimensionnement incorrect des différentes unités du système (volume biologique, aération, refroidissement, nutriments, programmation, etc.), le non-respect systématique des exigences de rejet ou des problèmes de fonctionnement (gonflement, moussage, etc.).

Sur la base de l'analyse précédente, les interventions requises pour la conversion d'un SBR en un MBR réutilisant la majeure partie de l'usine SBR existante sont présentées.

L'une des actions essentielles pour convertir un SBR en MBR est d'installer une unité d'ultrafiltration à membranes externes pour la séparation des boues activées reliée au réacteur SBR biologique existant, qui fonctionnera essentiellement en continu comme un réacteur de nitrification aéré pour l'élimination de la DCO. De plus, l'adaptation du reste de l'équipement (aération, refroidissement, zones d'anoxie, dosage des réactifs, étapes de post-traitement, etc.) au nouveau procédé doit être analysée et le système d'exploitation doit être mis à jour avec un nouveau programme PLC/SCADA.

Les systèmes d'ultrafiltration à membrane externe sont très compacts et généralement livrés "fit for purpose", pré-installés sur des racks ou dans des conteneurs de fret maritime standard. Pour cette raison, la conversion d'un SBR en un MBR est généralement un projet simple et rapide avec une interface minimale avec le système SBR existant.

Une unité d'ultrafiltration externe nécessite très peu d'espace. Selon l'application, il est possible d'installer un système d'ultrafiltration complet d'une capacité hydraulique jusqu'à 500 m3/j dans un conteneur commercial de 40' (longueur 12 m, largeur 2,5 m).

La conversion d'un SBR en MBR est une alternative technique pérenne, avec les avantages et améliorations suivants par rapport au SBR existant :

• Réutilisation de la plupart du système SBR existant

• Augmentation jusqu'à cinq fois de la charge en DCO et en azote à traiter sans avoir à augmenter le volume biologique

• Haute qualité des effluents (exempt de solides en suspension, faible charge en DCO, ammonium pratiquement nul) pour respecter des limites de rejet très strictes et possibilité de réutilisation de l'eau

• Combinaison directe, économique et efficace avec les étapes de post-traitement

• Solutions très compactes avec un encombrement très réduit

• Installation simple et rapide avec une interface minimale entre le SBR et les nouvelles unités

• Solution économique avec une capacité de traitement et une qualité de rejet améliorées à faible coût d'investissement.