Study of degradation of polymeric filtration membranes in membrane bioreactors

Malgré le fait que les bioréacteurs à membranes (BRM) soient largement appliqués au traitement des eaux usées, l'étude approfondie du vieillissement des matériaux membranaires dans les conditions d'exploitation des BRM à l'échelle industrielle est nécessaire afin de comprendre et anticiper celui-ci. Ainsi, l'objectif de ce travail vise à (i) comprendre l'action chimique de l'hypochlorite de sodium sur les fibres creuses commerciales de polyfluorure de vinylidène (PVDF)/polyvinylpyrrolidone (PVP) utilisées dans les BRM et (ii) décrire le vieillissement dans les BRMs traitant des eaux usées urbaines, sur la base de la caractérisation de membranes prélevées sur site et des indicateurs d'exploitation à l'échelle industrielle. Pour cela, des membranes ZeeWeed® 500D ont été vieillies à l'échelle laboratoire par trempage dans une solution d'hypochlorite de sodium (1000 ppm et pH 9.0) similaires aux conditions de nettoyage à l'échelle industrielle. Par ailleurs, des prélèvements de membranes ont été effectués entre 2016 et 2021 au sein des cellules membranaires de deux stations de traitement des eaux résiduaires urbaines (de capacités respectives de 50 000 et 300 000 m3/j). Les données d'exploitation ont été collectées et analysées en parallèle. Les fibres creuses vieillies à l'échelle laboratoire et à l'échelle industrielle ont été caractérisées à l'aide de méthodes analytiques similaires et comparées en considérant leur dose d'exposition au chlore (C x t). De grandes différences ont été trouvées entre le vieillissement aux deux échelles. À l'échelle laboratoire, les membranes ont présenté des propriétés mécaniques stables. Trois phases distinctes ont été observées pour l'évolution de la perméabilité intrinsèque avec une augmentation jusqu'à une dose de 78 000 ppm.h (+ 90% de la perméabilité initiale) en raison de la dégradation de la PVP et de la formation de pores de petite taille (diamètre 150 000 ppm.h, la perméabilité reste relativement constante autour de sa valeur initiale. À l'échelle industrielle, une diminution des propriétés mécaniques est observée en lien avec les conditions dynamiques des BRMs (filtration, aération, rétrolavages, etc.). De plus, une augmentation de la perméabilité est également observée (C x t 40 nm). Ces changements ont favorisé un colmatage irréversible important, en comparaison des échantillons issus des vieillissements à l'échelle laboratoire. A l'échelle industrielle, l'indice de perméabilité (représentant le rapport flux de perméat/pression transmembranaire) mesuré après chaque nettoyage intensif diminue de l'ordre de 20% sur l'ensemble de la période de suivi, pour les deux installations étudiées.[...]While membrane bioreactors (MBR) have been broadly applied to wastewater treatment, a comprehensive study of the aging of membrane materials under operating conditions of MBR at full-scale is necessary in order to understand and to anticipate it. Thus, the present research aim (i) to analyse the chemical action of sodium hypochlorite to commercial polyvinylidene difluoride (PVDF)/Polyvinylpyrrolidone (PVP) hollow fibers used in MBR, (ii) to describe membrane ageing of such materials in urban wastewater full-scale MBR based on a coupled characterization of harvested membranes and full-scale process indicators. To that end, ZeeWeed® 500D membranes were aged at bench-scale by single soaking in hypochlorite solution at a concentration (1000 ppm) and pH (9.0) similar to MBR cleaning protocols. In addition, membranes were sampled between 2016 and 2021 from modules from two urban wastewater treatment plants (capacities of 50,000 m3/d and 300,000 m3/d, respectively). Simultaneously, process data were collected and analyzed. Both bench-scale and full-scale aged hollow-fibers were characterized using similar analytical methods and compared considering the chlorine exposure dose (C x t). Significant differences were found between ageing mechanisms at both scales. At bench-scale, membranes presented stable mechanical properties. Three distinctive phases were observed for the changes on intrinsic permeability with an initial increasing phase up to a C x t of 78,000 ppm.h (+ 90% with respect to the initial permeability), because of hydrophilic agent degradation and the formation of small pores (diameter 40 nm). These changes favored irreversible fouling in contrary to bench-scale ageing. At full-scale, permeability index (the ratio of permeate flux and transmembrane pressure during the process) after each cleaning-in-place protocol decreases to around 20% over the studied period for both facilities. This decline is well correlated to the PVP content and intrinsic permeability, allowing the determination of key indicators to monitor membrane ageing. This study showed that understanding the mechanisms behind the action of NaOCl on supported PVDF membranes may not represent what actually occurs at full-scale operation. A non-negligible contribution of filtration conditions, mechanical stress due to aeration and backwashes, and residual fouling, specific to onsite operating conditions, may significantly change ageing mechanisms. Continuous autopsies of harvested fibers over the years and monitoring consistent full-scale operating indicators are still needed