Study of the effects of pharmaceutical micropollutants on the fouling of MBR used for municipal wastewater treatment : case of carbamazepine

Le colmatage des membranes reste la principale limitation pour le développement du bioréacteur à membrane (BAM). Dans cette thèse, l'objectif principal se concentre sur les effets des micropolluants pharmaceutiques qui se retrouvent dans les eaux usées domestiques sur le colmatage de la membrane du BAM. Carbamazépine (CBZ), un médicament antiépileptique, a été choisi. Les effets de la CBZ sur le colmatage du BAM ont été étudiés de deux manières: un pic de pollution pour étudier les effets des pics de CBZ à court terme sur le pouvoir colmatant et une pollution continue pour examiner les effets de CBZ à long terme sur le colmatage du BAM. Les résultats ont montré que, pendant 3 heures contact avec CBZ de 100 µg L-1, le pouvoir colmatant des boues activées a augmenté en raison de l'augmentation des protéines de 100-1000 kDa dans le surnageant, ce qui pourrait être complètement retenu par la membrane du BAM et les membranes utilisées dans les essais de filtrabilité. L'augmentation des protéines de 100-1000 kDa dans le surnageant peut probablement être causé par la décomposition bactérienne face aux médicaments. L'effet réduit a été observée pour les boues provenant du BAM fonctionné sous la charge organique plus élevée. Pendant le contact continue, la vitesse du colmatage plus élevée a été observé après l'addition en continu de CBZ dans le BAM (90 µg L-1 dans l'alimentation), qui pourrait être lié à l'augmentation importante des protéines de 10-100 kDa dans le surnageant. Des protéines de 10-100 kDa s’accumulent dans le dépôt de la membrane du BAM, modifient de la structure de dépôt et changent les caractéristiques de rétention de BAM. L'augmentation des protéines de 10-100 kDa a probablement été causée par la réaction de défense des bactéries face en permanence des médicaments. Légère inhibition de l'activité microbienne a été trouvée plusieurs jours après l'addition de la CBZ dans le BAM, puis il a été stabilisé à un certain niveau en raison de l'acclimatation des boues au stress pharmaceutique. Similaire, l'augmentation significative de la concentration en protéine a été observée au début plusieurs jours après l'addition de la CBZ dans le BAM, puis retourne à son niveau initial. Aucun changement significatif de la taille des flocs des boues et de la concentration en polysaccharides dans le surnageant n’a été constaté au cours de la période de contact continu à long terme. Cette étude pourrait contribuer à améliorer la compréhension des interactions complexes entre les micropolluants pharmaceutiques, boues activées et le colmatage du BAMMembrane fouling still remains the main limitation for the development of membrane bioreactor (MBR). In this thesis, the main objective focuses on the effects of pharmaceutical micropollutants which are frequently found in domestic wastewater on MBR fouling. Carbamazepine (CBZ), an anti-epileptic drug, was chosen in this study due to its occurrence in domestic wastewater and persistency in MBR process. The effects of CBZ on MBR fouling were investigated in two different ways of contact, i.e. short-term peak contact and long-term continuous contact. The results showed that during only 3 hours contact with 100 µg L-1 CBZ, the fouling propensity of the sludge increased due to the increase in 100-1000 kDa protein-like substances in the supernatant, which could be completely retained by the MBR membrane and the membranes used in the filterability tests. The increase of 100-1000 kDa protein-like compounds in the supernatant may probably be caused by the bacterial decay when facing the pharmaceutical stress. Besides, the reduced effect was observed for sludge obtained from MBR operated under higher organic loading rate. During the long-term continuous contact, significantly higher MBR fouling rate was observed after the continuous addition of CBZ in the MBR via the feed (90 µg L-1 CBZ in the feed), which could be related to the significant increase of 10-100 kDa protein-like compounds in the supernatant after addition of CBZ. The 10-100 kDa protein-like compounds could accumulate in the biocake, which was formed on MBR membrane surface, modify the biocake structure and change the retention characteristics of MBR. The increase of 10-100 kDa protein-like compounds was probably caused by the defensive response of bacteria when continuously facing the pharmaceutical stress. Slight inhibition of microbial activity was found several days after addition of CBZ in MBR, and then it was stabilized to some constant level due to the acclimation of sludge to the pharmaceutical stress. Similar, significant increase of protein concentration was observed at the beginning several days after addition of CBZ in MBR, then returned to the initial level. No significant change in sludge floc size and polysaccharide concentration in supernatant was found during the long-term continuous contact period. This study could help to enhance the understanding of complex interactions among pharmaceutical micropollutants, activated sludge and MBR foulin