Dissolved Organic Matter characterization and interactions during membrane separation for the optimization of Membrane BioRectors (MBR) membrane fouling control

Les BioRéacteurs à Membranes (BàM) sont une technologie adaptée à l’un des challenges du 21ème siècle : la réutilisation des eaux usées.En combinant un traitement biologique et une filtration membranaire, ce procédé permet d’atteindre une qualité d’eau adaptée à la réutilisation en permettant une désinfection physique totale. Néanmoins, son essor économique est fortement limité par le colmatage membranaire qui, quand le système est optimisé, est dû principalement à la Matière Organique Dissoute (DOM). Afin de comprendre et de maitriser ce colmatage, des outils ont été développés pour identifier les composés de la DOM responsables du colmatage. Ainsi, au cours de cette thèse, la DOM de deux BàM, alimentés par des effluents réels, a été étudiée ; un BàM traitant des eaux usées urbaines(station d’épuration de La Grande Motte) et un BàM échelle pilote traitant des urines réelles. La matière organique dissoute issue du premier BàMa ainsi été fractionnée par taille et par hydrophobicité pour identifier les mécanismes de colmatage associés à chaque fraction.Des tests de filtration, réalisés sur les différentes fractions, ont permis d’identifier les colloïdes (protéines) comme responsables majeurs du colmatage externe (gâteau) et les substances humiques comme responsables du colmatage interne. En combinant ces tests de filtration avec des mesures de fluorescence3D (3DEEM), étant une méthode rapide dont le signal facilement exploitable, il a été possible de définir des indicateurs qualitatifs pour ces deux familles de colmatants. Par la suite, en combinant la 3DEEM avec une méthode de séparation et quantification par taille (LC-OCD), le signal de 3DEEM qualitatif a été calibré pour donner une information quantitative et de taille au travers d'une analyse rapide.Ces nouveaux indicateurs ont ensuite été mesurés sur site et ont permis d’établir des liens entre les paramètres opératoires ou la qualité de l’intrant pour le suivi global de la DOM et son impact sur le colmatage. Ces outils soulignent toute la potentialité de la fluorescence 3D comme indicateur en temps réel du suivi, du contrôle et de l’optimisation de l‘étape de séparation membranaire.Membrane BioReactors (MBR) are suitable technology to face one of the major 21th century challenges : wastewater reuse.Combining biological treatment with membrane separation step, MBR produce reusable water through total physical disinfection. Nevertheless, it democratization is limited by membrane fouling that is mainly caused by Dissolved Organic Matter (DOM) compounds when the system is optimized.In order to understand and control membrane fouling, tools were developed to identify DOM compounds responsible for this phenomenon.Thus, this PhD work, focused on studying the DOM taken from two MBR fed with real wastewater: a full-scale MBR treating urban wastewater (La Grande-Motte wastewaster treatment plant) and a lab-scale MBR treating urine from source-separated toilets.Dissolved organic matter collected in the first MBR was fractionated by size and hydrophobicity to identify fractions’ fouling mechanisms. Then, filtration tests performed on the different fractions highlighted the role of colloids (proteins) in external fouling (cake) and humic substances in internal fouling. Filtration tests were combined with fluorescence3D (3DEEM) measurements, which is a quick identification method with an easy extracted signal, allowing to define qualitative indicators for both foulants classes.After, coupling 3DEEM with a size separation and quantification method (LC-OCD), qualitative signals from foulants indicators were calibrated. Thus, using 3DEEM it was possible to obtain a quantitative and size information about DOM foulants. These new indicators were used on-site and allowed establishing links between DOM and operating parameters or influent quality, which is necessary for DOM global control and its impact on membrane fouling. These tools highlight the potentiality for 3DEEM on-line application for separation step monitoring, control and optimization