Traitement des Eaux à Energie Positive par Bioréacteur à Membrane Anaérobie – BaMAn

BàMAn is a project of applied research which global objective is to prove that the original coupling of G-AnMBR and Degassing Membrane makes possible a positive energy DWWT. Objectives also involved building a base of fundamental knowledge of this innovative technology with a better understanding of membrane fouling and transfer mechanisms in order to optimize this new AnMBR process.

We confirm that Anaerobic Membrane Bioreactors (AnMBRs) can:
• Retain anaerobes bacteria completely (Hydraulic and Solid Retention Time (HRT and SRT) are uncoupled in AnMBR) and work with high loading capacity,
• Produce excellent permeate qualities (in terms of suspended solids, organic matter and microorganisms) thanks to ultrafiltration (UF) membranes,
• Keep the content of nutrients of the influent available for its recovery or direct reuse.
• Recover energy content of organic matter in form of methane, suitable for being used as source of energy, e.g. heat and electricity.
• Reduce Green House Gas (GHG) emissions by saving energy consumption and producing CH4 suitable for being used as energy source,
The scientific program was designed so as to find answer to the following scientific locks:
• What are the key operating conditions and parameters in AnGS activities and G-AnMBR fouling mitigation?
Temperature and loading rate are key parameter for AnGS methane production
G-AnMBR fouling is difficult to mitigate thanks to granular fluidization because of the high energy needed to fluidize the granular material
• Does AnGS have the potential to ensure satisfactory methane production from DWW in psychrophilic temperatures?
Yes. We habe observed really important methane production in our lab-scale units, even at 25°C, thanks to a sufficient period of acclimatization.
• Can membrane degassing recover the totality of dissolved methane?
95 to 97% of dissolved methane could be removed from the AnMBR permeate thanks to membrane degassing unit.

• WP4 “Coupling G-AnMBR with degassing membrane for continuous process operation and optimization” is a 20-months task dedicated to the demonstration of the combined processes at lab-scale (definition of optimum operation strategies for DWWT). The results of WP1, 2 and 3 have been used to define the optimal operating conditions tested in this WP. The pilot-scale unit has been designed and manufactured in IEM. The effect of the hybrid process on the improvement of the net biogas production is under investigation. Influence of operating conditions applied to the G-AnMBR on the membrane fouling and production of gaseous methane and recovery of dissolved methane is studied. The global synergetic efficiency of the combined process will be optimized in order to integrate appropriately the two operations in the treatment line depending on the feeding conditions.
• WP 5 “Energy balance, Life Cycle Assessment and Cost/Benefit Analysis” goal is to prove the sustainability, feasibility and energetic efficiency of G-AnMBR combined to degassing membrane to boost carbon recycling into energy. Energy balance, Life cycle assessment and Cost/benefits analysis will be conducted in collaboration with a specialized research team (Ligia Barna, LISBP, INSA Toulouse) with data obtained from BàMAn lab-scale experiments and modelling (WPs 1, 2, 3 and 4).

• Anjum, F., Khan, I. M., Kim, J., Aslam, M., Blandin, G., Heran, M., & Lesage, G. (2020). Trends and progress in AnMBR for domestic wastewater treatment and their impacts on process efficiency and membrane fouling. Environmental Technology & Innovation, 101204. doi.org/10.1016/j.eti.2020.101204

• Heran Marc, Lesage Geoffroy, Zaviska François. Membranes et procédés biologiques : de la STEP vers la STAtion de Récupération des Ressources des eaux usées. Francofilt 22 au 25 /09/2019. Hammammet. Tunisia.

Les effets du changement climatique sur les ressources en eau, les besoins croissants en eau en quantité et qualité adaptées aux différents usages et les économies d’énergie sont de grands défis auxquels l'humanité est confrontée aujourd’hui.
Les eaux résiduaires urbaines (ERU) sont désormais considérées comme une source alternative d'eau, de nutriments et d'énergie. Les stations de traitement des eaux usées (STEP) ont même été rebaptisées stations de récupération des ressources (STARR) afin de reconnaître et de renforcer le potentiel important de récupération des ressources des ERU.
Ces dernières années, les bioréacteurs à membrane anaérobie (BàMAn) ont suscité un intérêt particulier par rapport aux procédés biologiques (aérobies et anaérobies) conventionnels. Leurs avantages sont : production de biogaz, qualité des effluents, faible production de boues, charges élevées, potentiel de récupération des nutriments avec adjonction de post-traitements, faible emprise au sol, besoins en énergie plus faibles et fort potentiel de production de biogaz, possibilité de co-traitement des déchets alimentaires, et décentralisation possible des filières de traitement.
Cependant, le colmatage des membranes demeure l'un des problèmes les plus difficiles à résoudre, notamment de part la forte concentration en biomasse au sein des BàMAn.
Par ailleurs, bien que les BàMAn soient capables de traiter efficacement les ERU à des températures faibles (10-25 °C), ces faibles températures augmentent la solubilité du méthane en phase liquide et entraînent des pertes énergétiques importantes dues à la présence de grande quantité de méthane dissous dans l'effluent.
Ainsi, le développement plus large et plus systématique de cette technologie passe par un contrôle innovant et plus efficace du colmatage, par une optimisation de la production de biogaz, et par la récupération du maximum de CH4 dissous dans l’eau traitée.
- Les bioréacteurs à membrane à biomasse granulaire (BàMAn-G) impliquent la mise en œuvre de micro-organismes cultivés en conditions anaérobies et sous forme granulaire avec une séparation solide/liquide améliorée par l’utilisation de membranes immergées. Cette biotechnologie hybride promet des performances supérieures à la technologie conventionnelle (BàMAn), notamment en terme de contrôle du colmatage et d’intensification des réactions biologiques.
- L’utilisation d’un procédé membranaire de récupération du méthane dissous par une étape de dégazage est prometteuse pour améliorer la récupération de CH4 au sein d’une filière de traitement des ERU en climat tempéré.
Nous envisageons de combiner le BàMAn-G et le dégazage membranaire pour développer un traitement d'ERU à énergie positive permettant la production d’une eau traitée de haute qualité (clarification complète et désinfection partielle) et particulièrement adaptée à un traitement additionnel de récupération des nutriments (déionisation capacitive, photo-bioréacteur algale….) ou d’élimination des micropolluants (oxydation avancée, NF).
Les objectifs sont de construire une base de connaissances fondamentales et expérimentales de cette technologie innovante incluant une meilleure compréhension des mécanismes de colmatage et de transfert G/L dans le module de dégazage.
Les résultats attendus de ce projet ANR JCJC BàMAn sont:
(1) le développement d'une première expertise française de la technologie BàMAn-G;
(2) l’amélioration de la compréhension des mécanismes de colmatage et le développement de moyens efficaces pour le limiter;
(3) le développement de modèles numériques découplés et combinés incluant : biodégradation et production de biogaz par des boues granulaires, mécanismes de transfert G/L à travers les membranes de dégazage et colmatage membranaire;
(4) la preuve de concept et de durabilité d’un traitement des ERU à énergie positive à travers les résultats combinés d’une analyse énergétique, d’une analyse de cycle de vie et d’une analyse coûts-bénéfices.