Les bioréacteurs à membrane (BaM) sont utilisés dans des applications de traitement des eaux usées à très grande échelle avec succès (>100 000 m3.d-1 ) en raison de plusieurs avantages, principalement une qualité d’effluent supérieure et constante. De plus, la baisse importante des couts des membranes et de leur exploitation a contribué à cette acceptation plus large, même sur ce marché économiquement sensible. Malgré leur évolution considérable dans un passé récent et les applications à grande échelle dans le traitement des eaux usées municipales, le colmatage des membranes et le coût associé à sa limitation sont encore des sujets d’actualité et nécessitent des travaux pour faire baisser les dépenses du BaM vers des valeurs comparables à celles des procédés classiques de traitement à boues activées (BAC). La modélisation mathématique est un excellent outil pour l’optimisation, fondée sur des modèles, des coûts d’exploitation associés aux stratégies de limitation du colmatage, en particulier l’aération de la membrane, qui est le principal facteur contribuant aux coûts énergétiques des BaM. Jusqu’ici le travail nécessaire d’adaptation calibration et validation d’un modèle intégré n’avait pas encore été mené sur une installation à très grande échelle.
Le BaM met en jeu des interactions complexes entre la biologie, la filtration et le colmatage, et sa modélisation est une tâche difficile en tenant compte de ces interactions. Dans le passé récent, des modèles intégrés ont été élaborés et appliqués aux BaM, principalement à l’échelle pilote, et rarement pour les installations à grande échelle de capacités allant jusqu’à 15 000 m3.d-1, et aucune étude de modélisation n’a été réalisée pour des installations à très grande échelle à ce jour. Dans ce travail, une usine conçue sur la base d’un BaM à très grande échelle avec une capacité de traitement de 348000 m3.j-1 est modélisée dynamiquement pour simuler les processus de dépollution et de colmatage de la membrane. Le modèle intégré combine la biochimie (ASM3-SMP-EPS-Bio-P, aération et précipitation chimique), la résistance au colmatage en série (RIS) et les sous-modèles énergétiques. Le modèle intégré complet est capable de simuler a) les processus biologiques décrivant l’activité stoechico-cinétique de la biomasse pour l’oxydation du carbone et l’élimination des éléments nutritifs (c.-à-d. l’azote et le phosphore) couplés aux processus de production et de dégradation des exo-polymères libres et liés; b) le rôle de l’aération pour le processus biologique dans l’oxydation et la nitrification du carbone sous l’influence des matières en suspension; c) le bilan matière sur les volumes des influents, des effluents, des purges et de toute recirculation interne et externe; d) l’ajout de coagulant pour l’élimination chimique améliorée du phosphore en plus d’une élimination biologique ; e) la dynamique de colmatage associée à la filtration-relaxation synchronisée, à l’air intermittent et au retro-lavage, sous l’influence de la pression transmembranaire (TMP), de la température, des MLSS et de la concentration en exopolymères liés, et f) de la consommation d’énergie spécifique en kWh.m-3 ou kWh.Kg-1 , ainsi que de sa répartition entre usages. Le modèle a été étalonné à l’aide de données recueillies au cours d’une semaine de la première campagne expérimentale. Il a ensuite été validé par des données issues de 92 jours de fonctionnement avec et sans ajout de FeCl3. De plus, une analyse de sensibilité a été utilisée pour déterminer les paramètres influents afin de faciliter l’étalonnage des sous-modèles et de démontrer la robustesse du modèle.
Le modèle intégré calibré a fourni une concordance acceptable pour l’élimination des polluants (DCO, NOx, NH4, PO43- , MLSS, SPE et PGS), ainsi que la prédiction de la pression transmembranaire qui est un indicateur direct du développement du colmatage. Le modèle a aussi permis de compléter les jeux de données lorsque qu’elles étaient non-disponibles à partir de relevés de routine. p.ex. évolution de la biomasse et transformation des polluants dans chacun des réacteurs en série. De plus, le modèle est en mesure de fournir des renseignements détaillés sur la dynamique des colmatages réversible et irréversible, en tenant compte des différents moyens mis en œuvre pour les limiter. Le modèle peut être utilisé pour le développement d’opérations de contrôles commandes et outils d’aide à la décision afin d’optimiser le fonctionnement des BaM à grande échelle, en particulier la gestion de l’aération grosses bulles pour la limitation du colmatage ou la gestion des lavages chimiques dans un objectif d’optimiser les couts de l’énergie et des produits chimiques. Ce modèle devait être validé dans des conditions de colmatage avérées. Celles-ci étant relativement faibles, une approche par analyse de sensibilité a été menée, qui a permis de pointer les paramètres majeurs et de donner les limites de la robustesse du modèle. Elle a permis de conclure à l’utilité du modèle dans les objectifs fixés de son utilisation.
