La microfiltration est largement utilisée pour la clarification, la stabilisation et la concentration de nombreuses suspensions à base de fruits (jus de fruits, agro-déchets, vin, etc.). Malgré ses divers avantages, la microfiltration présente néanmoins un inconvénient majeur qui est le phénomène de colmatage qui s’installe pendant l’opération de filtration et entraîne une diminution de la perméabilité membranaire. Si de nombreux mécanismes de colmatage (adsorption, blocage de pores, etc.) sont observés pendant la filtration de suspensions polydisperses comme les jus de fruits ou certains coproduits liquides, le dépôt de particules sur la membrane est souvent supposé être le mécanisme limitant. La formation de ce dépôt est fortement dépendante de l’équilibre entre forces convectives (imposées par le flux de perméat), qui attirent les particules de la suspension à proximité de la membrane, et forces de rétrotransport, qui éloignent les particules de la surface membranaire. La stratégie la plus employée pour maitriser le colmatage membranaire par dépôt est la filtration tangentielle qui permet d’imposer de forts cisaillements à la surface membranaire qui favorisent les mécanismes de rétrotransport des particules. Si cette stratégie de maîtrise du colmatage est amplement utilisée à l’échelle industrielle pour la microfiltration des suspensions à base de fruits, elle nécessite des coûts d’investissement et de fonctionnement non négligeables qui limitent son implantation aux industries présentant de fortes capacités de production et d’investissement. Au regard de cela, l’utilisation d’une configuration de filtration à membranes immergées pour la microfiltration de suspensions à base de fruits pourrait être une alternative intéressante. Cette configuration repose sur l’immersion de la membrane (modules plans ou fibres creuses) dans la suspension à filtrer, et est associée à un mode de filtration externe-interne, frontal ou quasi-frontale. Si l’absence de conditions hydrodynamiques intenses au voisinage de la membrane est associée à des flux relativement bas, les nombreux avantages de ce mode opératoire (coûts de fonctionnement réduits, simplicité opérationnelle, forte compacité, etc.) pourraient favoriser son emploi par les petits producteurs de jus de fruits et/ou les industries de valorisation des coproduits présentant des capacités limitées d’investissement et enclins à minimiser leurs couts opérationnels. Ce travail a ainsi étudié pour la première fois la possibilité d’utiliser un tel système pour la microfiltration de suspensions à base de fruits variées (jus de fruits et coproduits vinicoles). Ce travail de thèse a ciblé ainsi plusieurs objectifs : (i) caractériser le potentiel et le comportement colmatant de suspensions à base de fruits, en lien avec les caractéristiques physicochimiques propres à chaque suspension et au regard de leur filtration par membranes immergées, (ii) étudier des performances d’un système de microfiltration de suspensions à base de fruits par membranes immergées, performances en termes de productivité et de sélectivité et enfin (iii) dégager des pistes de réflexion qui conduiraient à une choix pertinent de conditions de filtration (mode immergé ou tangentiel) pour un type de suspension ciblé. Ce travail fournit ainsi des résultats d’identification de paramètres physico-chimiques clefs qui pourraient constituer un premier guide pour le choix de la configuration membranaire la plus adaptée au produit, permettant d’assurer une productivité acceptable lors de la microfiltration de suspensions à base de fruits. / Microfiltration is widely used to ensure clarification, stabilization, and concentration of various fruit-based suspensions (e.g. fruit juices, food by-products, wine). However, the performances of membrane filtration remain highly challenged by membrane fouling. During microfiltration of polydisperse suspensions, such as fruit-based suspensions, membrane fouling is generally associated to the deposition of particles on the membrane layer. This type of fouling is mainly governed by the equilibrium between convective forces (permeate flow), leading particles to flow towards the membrane, and back-transport forces, removing particles away from the membrane surface. The filtration performances depend strongly on this equilibrium, which is mostly governed by the hydrodynamic conditions of the filtration process and the particles size distribution of the suspension. In food industries, cross-flow microfiltration is generally used to limit membrane fouling. In this configuration, high cross-flow velocities are applied in order to enhance the back-transport forces limiting the deposition of foulant materials on the membrane surface. However, this working mode is well known to be highly energy consuming and might not always be relevant depending on the suspension characteristics. In the light of this, using immersed membranes configuration for the microfiltration of fruit-based suspensions might be an interesting alternative, especially for small producers with limiting investment capacity. In this configuration, widely used in other fields, the membranes are immersed in the suspension and filtration is performed in operating conditions close to that of dead-end filtration with limited back-transport forces and low operating costs. However, the performances of this filtration configuration remain little studied for the microfiltration of fruit-based suspensions. In this respect, this work investigated for the first time the possibility of using immersed membranes configuration for the microfiltration of various fruit-based suspensions (fruit juices and winery byproducts). Firstly, a characterization of the fouling potential of various suspensions during their microfiltration using immersed membranes filtration was performed in relation with their physicochemical properties (particle size distribution). Then, this work allowed highlighting the promising performances of immersed membranes configuration when used for the microfiltration of fruit-based suspensions, in terms of productivity and in terms of selectivity (clarification, concentration of bioactive compounds). Finally, it allowed drawing preliminary results about the relation between the physicochemical characteristics of a suspension and its fouling behavior while using (i) immersed membranes filtration or (ii) conventional cross-flow filtration. These results might be of great interest for the identification of relevant physicochemical parameters to predict the usefulness of using high cross-flow velocity to prevent membrane fouling during the microfiltration of fruit-based suspensions.

Dans cette thèse, la modélisation d'un bioréacteur à membranes immergées (BaMI) et son évaluation avec des valeurs expérimentales de BaMI à l'échelle du banc et à l'échelle pilote pour le traitement des effluents résiduels urbains et hospitaliers, ont été étudiées respectivement. L'objectif principal de ce travail était de développer un nouveau modèle intégré plus phénoménologique pour la description du fonctionnement de ces systèmes. A cet effet, un nouveau modèle biologique a été développé en utilisant le modèle de boues activés 3 (ASM3 du l’anglais activated sludge model) et en tenant en compte la croissance et le stockage de substrat simultané, et la production de substances polymères extracellulaires solubles et liées, qui, conjointement avec des solides en suspension totales ont été les principales variables de lien avec le nouveau modèle de colmatage de la membrane, en tenant compte de l'influence de ces substances sur la porosité du gâteau. Une nouvelle procédure d'identification des paramètres pour la calibration en prenant en compte leurs influence sur le modèle et leur incertitude a été développé. Cette procédure a permis de calibrer et de valider avec succès les nouveaux modèles développés, en utilisant les données des systèmes étudiés. Parallèlement, une nouvelle méthodologie a été développée pour le fractionnement de la matière carboné selon les modèles ASM en tenant compte du phénomène de stockage du substrat. Enfin, une étude de la sensibilité paramétrique a été réalisé, où le modèle intégré a répondu de manière adéquate aux variations des principales variables qui influent sur le colmatage de la membrane, avec une élevée correspondance entre la plupart des cas et ce qui a été rapporté dans la littérature, mettant en évidence une fois de plus le caractère phénoménologique et la validité du nouveau modèle développé. / This thesis presents the modelling of a submerged membrane bioreactor (SMBR) using experimental values coming from SMBR at bench and pilot scale, for the treatment of urban and hospital wastewater respectively. The main objective of this work was to develop a global model integrating a biological model and a model for membrane fouling, with upgraded precision, consistency and calibration in the description of the functioning of these systems. For this, concerning the biological model, an evolution of the Activated Sludge Model 3 (ASM3), including the simultaneous growth and substrate storage, and the bound and soluble extracellular polymeric substances (EPS) production was proposed. The concentration of these EPS joined to those of the total suspended solids (TSS) are the variables transmitted to the new version of the membrane fouling model. This last one can take into account the influence of these substances in the cake porosity. A new procedure was developed to calibrate the parameters taking into account their influence on the model and their uncertainty. This procedure used the data obtained on experimental SMBR and respirometry. It allowed the calibration and successful validation of the developed model. At the same time, a methodology was adapted for the carbon material fractionation according to the ASM models taking into account the phenomenon of substrate storage. Finally, a parametric sensitivity study was conducted, where the global model achieved to respond adequately to the perturbations of the main variables that influence on the membrane fouling process. The high correspondence obtained between numerical and experimental results, as well as the ability of the model to explain most of the cases reported in the literature, evidence the relevance of phenomena considered in the model. Thus, the developed model is justified and the interest of the phenomenological feature of the model is highlighted.

Cette étude présente les travaux réalisés pour comprendre l'effet de l'aération sur le milieu biologique et sur la filtration dans les bioréacteurs à membranes immergées pour une gamme de paramètres opératoires proche de celles utilisées sur stations réelles. Notre démarche fait le lien entre paramètres opératoires (débit d'aération), hydrodynamique à l'échelle macroscopique (tailles et vitesses de bulles), hydrodynamique à l'échelle locale (contraintes de cisaillement) et propriétés du milieu biologique (taille de flocs et substances polymériques extracellulaires solubles). De moins bonnes performances de filtration à plus forte aération pourraient être expliquées par une plus grande déstructuration des boues sur le court terme. Par ailleurs tout effet d'évolution des boues sur le long terme en fonction des conditions d'aération a été écarté. / This work contributes to the knowledge on aeration for fouling prevention in submerged membrane bioreactors, which represents a great part of energy consumption of the process. More precisely it aims at estimating the impact of aeration on mixed liquor properties for operational parameters range close to those used in full scale plants. Our study links operational parameters (airflow rate), hydrodynamics at macroscopic scale (bubble sizeand velocity), hydrodynamics at local scale (shear stresses), biological media properties (floc size and soluble extracellular polymeric substances), and filtration performance (transmembrane pressure variations). Hydrodynamics characterisation of two phase flow in membrane module enabled to highlight differences between air/water and air/sludge hydrodynamics with 15-25 % lower bubble velocities in sludge but one order of magnitude higher shear stress (maximal values of 10 Pa). Controlled breakdown of biological media was performed by imposing constant shear stress (range 0,1-10 Pa) to mixed liquor samples. Increase of shear induced a decrease of floc size, and soluble extracellular polymeric substances release. The comparison with shear value obtained by simulation showed that stresses induced by aeration were in the range of mixed liquor destructuration. A pilot campaign showed that wastewater had a stronger impact on the long term on mixed liquor properties, and thus filtration performances, than aeration. However higher transmembrane pressure increase rate observed on pilot for higher airflow at similar wastewater quality could be explained by stronger breakage of biological agregates on short term