Un pilote

Scientific Reports volume 6, Numéro d'article : 21653 (2016) Citer cet article

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La récupération des nutriments et de l'énergie des eaux usées municipales a attiré beaucoup d'attention ces dernières années ; cependant, son efficacité est considérablement limitée par les propriétés de faible résistance des eaux usées municipales. Nous rapportons ici un système d’osmose directe (FO) à l’échelle pilote utilisant un module à membrane enroulée en spirale pour concentrer de véritables eaux usées municipales. En mode solution d'alimentation face à la couche active, le facteur de concentration critique (CCF) de ce système FO a été déterminé comme étant de 8 avec 0,5 M de NaCl comme solution d'extraction. Lors d'un fonctionnement à long terme à un facteur de concentration de 5, (99,8 ± 0,6) % de la demande chimique en oxygène et (99,7 ± 0,5) % des taux de rejet totaux de phosphore pourraient être atteints à un flux de 6 L/(m2 h) en moyenne. . En comparaison, seuls (48,1 ± 10,5) % et (67,8 ± 7,3) % de rejet d'ammonium et d'azote total ont été observés. La polarisation de concentration accrue du gâteau est un contributeur majeur à la diminution des flux d'eau. L'encrassement a également conduit à l'apparition d'un effet de polarisation à concentration réduite du gâteau, améliorant le taux de rejet de l'ammonium avec l'augmentation du temps de fonctionnement à chaque cycle. Ce travail démontre l'applicabilité de l'utilisation du procédé FO pour la concentration des eaux usées ainsi que les limites de la récupération de l'ammonium qui doivent encore être améliorées à l'avenir.

Actuellement, les eaux usées sont de plus en plus considérées comme une source d’eau, de nutriments et d’énergie plutôt que comme un déchet1,2. Pour la récupération des nutriments et de l'énergie des eaux usées domestiques/municipales, un obstacle majeur est la faible résistance des eaux usées, qui a un impact significatif sur l'efficacité et la rentabilité de leur récupération. Fournir un concentré avec des concentrations élevées de demande chimique en oxygène (DCO) et de nutriments (azote et phosphore) qui répondent aux avantages économiques est la clé du captage d'énergie en aval (par exemple, traitement anaérobie et piles à combustible microbiennes) et des unités de récupération des nutriments3. .

La séparation membranaire est une technologie prometteuse dans le domaine de la concentration. Des bioréacteurs à membrane aérobie (MBR) avec un temps de rétention hydraulique (HRT) court et un temps de rétention des boues (SRT) court ont été utilisés pour concentrer les eaux usées et les eaux grises grâce à des mécanismes de biofloculation4,5. L’inconvénient majeur de ce scénario est l’encrassement important de la membrane et la biodégradation in situ de la DCO au cours du processus de concentration (entraînant une récupération d’environ 35 % seulement de la DCO)4. La séparation dynamique par membrane développée par Ma et al.6 a démontré un taux de récupération de 81,6 % de la DCO sous un flux membranaire élevé de 60 L/(m2 h). Une surconcentration directe des eaux usées par des membranes de microfiltration (MF) a également été rapportée3, et une concentration efficace a été atteinte pour la DCO, mais pas pour l'azote et le phosphore. La nanofiltration (NF) et l'osmose inverse (OI) peuvent également être utilisées pour concentrer les eaux usées municipales7,8 ; cependant, les membranes NF et RO sont sensibles à l'encrassement par des molécules dissoutes et non dissoutes, des particules, des précipités de sel et des micro-organismes9,10,11. Pour cette raison, les systèmes NF et RO pour le traitement des eaux usées nécessitent un prétraitement pour réduire l'encrassement des membranes, par exemple MF et ultrafiltration (UF) comme étapes de prétraitement12.

L'osmose directe (FO) est un processus de séparation par membrane avec une membrane semi-perméable placée entre une solution d'alimentation (FS) à faible pression osmotique et une solution d'aspiration (DS) à haute pression osmotique, et est pilotée par la différence de pression osmotique à travers la membrane13. Le procédé FO présente une propension à l'encrassement plus faible par rapport aux procédés membranaires traditionnels pilotés par pression tels que NF et RO, et a donc attiré beaucoup d'attention ces dernières années14,15,16,17. L'utilisation de procédés FO pour le traitement des eaux usées domestiques/municipales à faible résistance augmente régulièrement, par exemple les eaux usées domestiques synthétiques16 et les effluents d'eaux usées provenant de sources municipales18,19 et les eaux usées municipales20,21. Les études mentionnées ci-dessus jettent les bases de la compréhension des comportements des systèmes FO de concentration des eaux usées ; cependant, il est encore insuffisant pour établir une règle générale pour ces systèmes puisque la plupart des études utilisent des systèmes FO à l'échelle du laboratoire en mode de filtration par lots et que la durée expérimentale dure de plusieurs heures à plusieurs jours18,19,20,21. Une étude à long terme des systèmes FO en fonctionnement à débit continu pour concentrer les eaux usées domestiques/municipales à faible concentration est grandement nécessaire afin de faire avancer les applications de cette technologie au véritable traitement des eaux usées.