La présence de biofilms à la surface des membranes d’ultrafiltration

Concept de stabilisation du flux de perméat

La formation de biofilms à la surface des membranes permet un fonctionnement à un flux faible mais constant sur une période allant jusqu’à plusieurs années (fig. 2). Ce concept de Stabilisation du flux [7] s’applique à des échelles de temps plus longues que celles du concept de Flux critique [10] largement utilisé en filtration membranaire.

Concept de Flux critique

Le concept de Flux critique s’applique uniquement à des échelles de temps de l’ordre de quelques minutes à quelques heures. Un fonctionnement au-dessus de la valeur de Flux critique résulte en un colmatage instantané de la membrane et donc en une augmentation importante de la résistance hydraulique (fig. 2a). Un fonctionnement en-dessous de la valeur seuil du Flux critique permet de limiter l’augmentation de résistance hydraulique due au colmatage pendant les premières minutes/heures de filtration et donc d’obtenir un flux de perméat quasi stable pendant cette période (fig. 2b). Cependant, il est important de noter que le concept de Flux critique ne s’applique qu’à la mise en route du système, soit uniquement aux premières minutes/heures de filtration [10]. Au-delà de cette période, le flux de perméat diminue inévitablement en l’absence de nettoyage.

Concept de Stabilisation du Flux

Le concept de Stabilisation du flux s’applique quant à lui aux systèmes membranaires fonctionnant sans contrôle du biofilm [7]. Selon ce concept, une diminution importante du flux de perméat intervient pendant les premiers jours de filtration mais celui-ci se stabilise après environ une semaine (fig. 2c). Cette stabilisation du flux de perméat résulte de l’activité microbienne du biofilm qui permet de lutter contre l’accumulation néfaste de composés colmatants, comme par exemple les polysaccharides. Selon le concept de Stabilisation du flux, un flux de perméat constant peut être maintenu pendant plusieurs années sans maintenance.

Différence entre les concepts

Une autre différence clé entre les concepts de Flux critique et de Stabilisation du flux réside dans le contrôle de la résistance hydraulique. La zone verte présentée sur la figure 2 illustre la gamme de flux dans laquelle les systèmes membranaires classiques (fig. 2a et b) ou systèmes composites biofilm-membrane (fig. 2c) fonctionnent. Pour des systèmes membranaires classiques, le colmatage est toléré tant que la diminution du flux reste inférieure à 10–15% de sa valeur initiale (zone verte – fig. 2a et b). Au-delà de cette valeur, un contrôle des biofilms est déclenché pour maintenir un flux de perméat élevé (ligne rouge pointillée – fig. 2a et b). Les systèmes membranaires classiques sont donc régulés par les opérateurs, en fonction de l’impact du biofilm sur les performances de filtration. Pour les systèmes composites biofilm-membrane, c’est le biofilm lui-même qui régule la résistance hydraulique. Les systèmes composites biofilm-membrane peuvent donc être considérés comme des systèmes autorégulés. Une diminution du flux de perméat beaucoup plus importante que pour des systèmes classiques (jusqu’à 90%) est par conséquent consentie car l’objectif est un fonctionnement à flux de perméat constant sur le long terme (zone verte – fig. 2c).

La clé du succès – La microbiologie des biofilms

La microbiologie des biofilms détermine leur résistance hydraulique

Plusieurs facteurs influencent la résistance hydraulique des biofilms formés sur les membranes:
– la composition de l’eau à traiter [11],
– les conditions opératoires telles que la pression transmembranaire [12] et plus particulièrement,
– la composition des communautés microbiennes se développant au sein des biofilms [13, 14].

La communauté microbienne du biofilm affecte sa structure physique à l’échelle de quelques microns à quelques millimètres, et donc sa résistance hydraulique. La formation de biofilms ayant une structure homogène et compacte se traduit par un flux de perméat relativement faible d’environ 5 l m^–2 h^–1 [14]. À l’inverse, la formation de biofilms poreux et hétérogènes se traduit par des valeurs de flux de perméat plus élevées allant jusqu’à 20 l m^–2 h^–1 [14].
La formation de biofilms hautement perméables résulte de la présence d’eucaryotes, en particulier des métazoaires. La prédation par les métazoaires a été identifiée comme un mécanisme clé qui augmente la perméabilité du biofilm [13]. En moyenne, la prédation par les nématodes et les oligochètes engendre une augmentation du flux de perméat de l’ordre de 100% par rapport aux valeurs mesurées en l’absence de prédation (fig. 3). Les nématodes et les oligochètes créent des biofilms plus perméables en raison de leur action de «pâturage», de leur motilité et de la construction de micro-habitats. Ainsi, la résistance hydraulique du biofilm n’est pas seulement liée à son épaisseur moyenne mais aussi à son hétérogénéité locale [15]. Après avoir mis en évidence l’influence des métazoaires sur le flux de perméat, nous avons émis l’hypothèse que ce type de micro-organismes pourrait être utilisé pour moduler la résistance hydraulique des biofilms.
Dans une nouvelle phase expérimentale, nous avons tenter d’enrichir des biofilms bactériens avec l’oligochète Aelosoma hemprichi et le nématode Plectus aquatilis [16]. Nous avons observé une augmentation du flux de 50% suite à l’ajout d’oligochètes (Aelosoma hemprichi) et jusqu’à plus de 150% suite à l’ajout de nématodes (Plectus aquatilis). Ces résultats démontrent que la présence d’eucaryotes peut être manipulée afin d’ajuster la résistance hydraulique du biofilm.

Les fonctions microbiennes du biofilms améliorent la qualité du perméat

Lors de la filtration membranaire classique, la rétention de composés par la membrane seule (vierge ou nettoyée) est principalement gouvernée par un processus physique: l’exclusion de taille. Ainsi, les composés de taille supérieure à la taille de pore de la membrane sont retenus alors les composés de taille inférieure la traversent. La rétention de composés est plus grande pour les systèmes composites biofilm-membrane grâce à la combinaison de processus biologiques et physiques. L’utilisation de systèmes composites biofilm-membrane permet en effet d’augmenter la rétention:
– du carbone organique assimilable (AOC) [4],
– de toxines microbiennes telles que les cyanotoxines [17, 18],
– de polymères organiques comme par exemple les polysaccharides [19].

Augmentation de la stabilité microbienne du perméat

Le carbone organique assimilable est un indicateur de la stabilité microbienne d’une eau, c’est-à-dire une mesure du risque de croissance bactérienne. Plus la concentration en carbone organique assimilable est faible, plus le risque de croissance bactérienne est limité. En règle générale, une quantité importante de carbone organique assimilable passe à travers les membranes, entrainant ainsi un risque important de développement de bactéries pathogènes dans l’eau filtrée [20]. La perméation du carbone organique assimilable à travers les membranes de filtration est généralement assez élevée: de l’ordre de 80–100% pour des membranes d’ultrafiltration [4], de 5–90% pour des membranes de nanofiltration [21] et même de 80% pour certaines membranes d’osmose inverse [22].
Contrairement aux systèmes basés sur des membranes seules, la rétention du carbone organique assimilable par des composites biofilm-membrane est gouvernée à la fois par des processus biologiques et physiques. Une élimination du carbone organique assimilable de plus de 80% a ainsi été mesurée lors de la filtration d’eaux de rivière avec un système composite biofilm-membrane [4]. Une partie du carbone organique assimilable est utilisée par les bactéries se développant au sein du biofilm pour leur croissance, réduisant ainsi la concentration de ces composés dans le perméat. La présence de biofilms sur les membranes est donc particulièrement pertinente pour dégrader de petites molécules facilement biodégradables qui ne sont pas retenues par les membranes seules. La présence d’un biofilm à la surface de la membrane permet donc d’améliorer la qualité du perméat en réduisant le risque de croissance microbienne dans l’eau filtrée. Cependant, l’accumulation de matières organiques dans le système de filtration et leur hydrolyse peut entraîner un faible relargage de carbone organique assimilable. Cette observation suggère qu’un drainage intermittent pourrait être nécessaire afin de réduire la présence de matières organiques (et donc indirectement leur hydrolyse) et d’assurer une bonne qualité de perméat.

Dégradation de toxines microbiennes

Les communautés microbiennes se développant au sein du biofilm aident également à dégrader des toxines microbiennes, en particulier les métabolites cyanobactériens appelés microcystines [17, 18]. En effet, les microcystines ne sont pas retenues par les membranes seules. Lorsqu’elle se développe en présence de microcystines, la communauté microbienne du biofilm membranaire s’enrichit en bactéries capables d’utiliser ces toxines comme source de carbone. Différentes bactéries aérobies (e. g., Variovorax paradoxus) et anaérobies (Aeromonas hydrophila) sont ainsi capables de dégrader des microcystines [18]. L’adaptation de la communauté microbienne des biofilms membranaires permet une élimination complète des microcystines. Après l’établissement d’une communauté microbienne adaptée, une concentration en toxine inférieure à la limite recommandée (1 μg l–1 selon les directives de l’Organisation mondiale de la santé) a été mesurée dans le perméat de systèmes composites biofilm-membrane. À l’inverse, ces même microcystines ne sont pas du tout retenues par des membranes seules du fait de leur faible poids moléculaire et se retrouvent ainsi en forte concentration dans l’eau filtrée. De même que pour les observations faites pour le carbone organique assimilable, les biofilms membranaires contribuent également à augmenter la qualité du perméat grâce à la dégradation de toxines microbiennes.

Dégradation de polymères et protection de la membrane du colmatage irréversible

Les biofilms membranaires agissent comme une première barrière biologique et protègent la membrane de l’adsorption de composés responsables du colmatage irréversible, tels que les polysaccharides [19]. La communauté microbienne qui se développe à l’intérieur des biofilms est capable de dégrader complètement les polysaccharides de faible poids moléculaire (plus petits que la taille des pores de la membrane). La dégradation des polysaccharides par la communauté microbienne du biofilm protège la membrane de leur adsorption sur les parois des pores et donc du colmatage irréversible. La communauté microbienne permet également de retenir/hydrolyser/dégrader les polysaccharides ayant un large poids moléculaire (c’est-à-dire plus gros que la taille des pores de la membrane). L’hydrolyse/dégradation des polysaccharides de large poids moléculaire protège cette fois la membrane contre le blocage des pores. Là encore, nous démontrons que les biofilms membranaires ont un rôle positif car ils agissent comme une couche protectrice contre les molécules responsables du colmatage irréversible de la membrane.

Élargir le concept à tous les systèmes membranaires?

Les avantages liés à la formation de biofilms à la surface de membranes, et plus généralement au colmatage d’origine biologique, ne se limitent pas uniquement aux systèmes membranaires décentralisés ou de petite taille. En effet, les avantages du colmatage d’origine biologique sur le rejet de divers solutés ont également été observés pour des bioréacteurs à membrane (BaM) installés au sein de stations de traitement des effluents pollués de grandes tailles. Pour les BaMs, réduire le contrôle du colmatage d’origine biologique augmente la résistance hydraulique, mais contribue également à augmenter le rejet d’antibiotiques tels que l’ampicilline [23] ou de virus modèles tels que les phages MS2 [24]. Dans les BaMs anaérobies, un contrôle réduit du colmatage d’origine biologique aide également à réduire la perméation du méthane à travers la membrane et finalement les rejets dans l’atmosphère [25]. Si le colmatage d’origine biologique augmente les capacités de rejet des systèmes membranaires, son contrôle doit être effectué avec prudence. Un équilibre adéquat entre la réduction du flux de perméat, la réduction des demandes énergétiques/chimiques et l’amélioration de la qualité du perméat doit notamment être identifié.

Conclusions

Les conclusions suivantes peuvent être tirées de l’article:

• Tolérer la formation de biofilms à la surface des membranes de filtration, en utilisant des systèmes composites biofilm-membrane, présente de nombreux avantages par rapport à l’utilisation de systèmes basés sur des membranes seules.
• La microbiologie des biofilms développés à la surface des membranes permet de faire fonctionner les systèmes à flux constant sur de longues périodes (plusieurs mois/années), et ce sans maintenance.
• Les fonctions microbiennes des biofilms membranaires permettent d’augmenter la qualité du perméat grâce à la dégradation de divers composés organiques (e. g., carbone organique assimilable, polymères responsables du colmatage, toxines microbiennes).
• Tirer avantage des communautés microbiennes qui se développent à la surface des membranes représente une approche pertinente pour une large gamme de systèmes membranaires: centralisés et décentralisés, appliqués à la production d’eau potable, au recyclage des eaux grises ou au traitement des eaux usées municipales.