Biofilms bactériens pour l’épuration de l’eau : une nouvelle génération de réacteurs à membrane

Les biofilms ne sont pas seulement une « pellicule » sur des surfaces humides ; ce sont des communautés microbiennes organisées que l’on peut orienter pour résoudre de vrais problèmes de qualité de l’eau. Lorsqu’un biofilm est associé à une séparation par membrane, on obtient un système compact capable de combiner des conversions biologiques (comme l’élimination de l’azote) et une eau clarifiée de manière constante. En 2026, le débat n’est plus de savoir si les réacteurs à membrane fonctionnent, mais comment rendre les conceptions assistées par biofilm plus fiables, plus simples à nettoyer et mieux alignées avec des exigences de rejet et de réutilisation plus strictes.

Pourquoi les biofilms comptent dans les réacteurs à membrane modernes

Dans l’épuration classique par boues activées, la plupart des microorganismes sont en suspension dans le mélange. Une approche « biofilm » consiste au contraire à fixer une partie de la biomasse sur des surfaces : supports, fibres, granulés ou structures proches de la membrane. C’est important, car la croissance fixée peut stabiliser des groupes microbiens clés (nitrifiants, dénitrifiants et dégradeurs spécialisés) et améliorer la résistance du procédé lorsque l’influent varie en température, en charge ou en disponibilité de carbone. L’exploitant « retient » ainsi davantage de biomasse active dans le réacteur sans se contenter d’augmenter indéfiniment la concentration en solides.

Les configurations assistées par biofilm apparaissent sous plusieurs appellations. En eaux usées, on rencontre des hybrides du type biofilm–MBR (BF-MBR), où des supports favorisent la croissance fixée tandis qu’une membrane assure la séparation finale des solides. En eau potable et en traitements de finition, le réacteur à biofilm sur membrane alimenté en hydrogène (MBfR) correspond à un autre concept : l’hydrogène est apporté via des membranes perméables aux gaz à un biofilm autotrophe qui réduit des contaminants comme le nitrate dans des eaux pauvres en carbone.

D’un point de vue opérationnel, ces systèmes intéressent parce qu’ils peuvent réduire la production de boues excédentaires et rendre le fonctionnement biologique plus contrôlable. Mais l’« avantage biofilm » n’existe que si l’ingénierie permet au biofilm de réaliser les réactions visées sans devenir une couche d’encrassement qui étouffe la filtration ou bloque les transferts de matière.

MBfR versus BF-MBR : deux voies vers des performances “nouvelle génération”

Le MBfR et le BF-MBR ne répondent pas aux mêmes besoins ; les confondre conduit à de mauvais choix de conception. Dans un MBfR, la membrane sert surtout d’interface de transfert de gaz plutôt que de barrière de filtration : l’hydrogène diffuse à travers la paroi vers un biofilm, où des bactéries l’utilisent comme donneur d’électrons. Cette approche est pertinente lorsqu’on vise des réactions de réduction dans une eau pauvre en carbone organique, par exemple l’élimination des nitrates lorsque l’ajout d’une source de carbone organique est indésirable.

Les BF-MBR, à l’inverse, sont des réacteurs à membrane orientés filtration (souvent microfiltration ou ultrafiltration) auxquels on ajoute des supports ou des médias favorisant le biofilm pour stabiliser la biologie et, parfois, réduire la production nette de boues. Ici, la membrane retient la biomasse, tandis que la fraction fixée vise à améliorer la performance et/ou à modifier la nature des composés responsables du colmatage. En exploitation réelle, la question est simple : les supports réduisent-ils réellement la fréquence de nettoyage, ou introduisent-ils de nouveaux problèmes (usure, fragmentation, mélange inhomogène) ?

En 2026, on parle de « nouvelle génération » lorsque la solution traite trois réalités en même temps : conversion stable des polluants cibles, maintenance des membranes prévisible et suivi crédible des performances. Cela implique de concevoir les transferts (oxygène, hydrogène, substrat), de choisir des matériaux et une porosité adaptés, et de définir une fenêtre d’exploitation tolérante aux variations saisonnières.

Concevoir le réacteur : membranes, supports et transferts de matière maîtrisés

Un réacteur à membrane est un compromis entre biologie et physique. La membrane garantit la qualité de l’eau en sortie, mais elle crée aussi un point de contrainte : si l’on pousse le flux au-delà de ce que la charge en encrassants permet, la pression transmembranaire augmente et l’installation passe son temps en mode nettoyage. Les conceptions assistées par biofilm n’échappent pas à cette règle ; elles modifient surtout le profil d’encrassement et le comportement des solides près de la surface membranaire.

Le choix de la membrane repose toujours sur des fondamentaux : qualité d’eau attendue, barrière microbiologique, tolérance chimique et stratégie de nettoyage. Les membranes polymères restent courantes, tandis que des options céramiques apparaissent en services plus exigeants ou lorsque l’on souhaite des nettoyages plus agressifs. Dans les configurations avec biofilm, l’attention se déplace davantage vers les propriétés de surface (hydrophilie, charge, rugosité) et l’hydraulique des modules, car la croissance du biofilm et les substances polymériques extracellulaires peuvent augmenter la fraction « collante » de l’encrassement si le procédé est mal piloté.

Les supports et médias de biofilm peuvent être utiles, mais seulement si leur rôle est clairement défini. Ils peuvent offrir des micro-environnements protecteurs pour des microorganismes à croissance lente, renforcer la nitrification à faible âge des boues ou amortir les chocs de charge. En contrepartie, ils peuvent augmenter les contraintes de cisaillement, influencer la distribution de taille des flocs et modifier les produits microbiens dissous — autant de paramètres pouvant améliorer ou dégrader la filtrabilité. La conception doit donc traiter les supports comme une variable de procédé, pas comme un simple argument de vente.

Maîtriser l’encrassement : ce qui tient vraiment au quotidien

Sur le terrain, l’encrassement se traduit par une perte de perméabilité, une hausse de la pression transmembranaire et des intervalles plus courts entre nettoyages. Une approche utile est de distinguer une couche réversible, éliminable par des méthodes physiques (aération de décollage, rétrolavage, phases de repos), et une fraction plus irréversible qui exige un nettoyage chimique. Les BF-MBR subissent les deux mécanismes ; la différence est que la dynamique du biofilm et des supports peut déplacer l’équilibre entre « gâteau » réversible et colmatage plus tenace des pores.

Les leviers les plus fiables restent souvent les plus simples : aération stable (ou injection de gaz dans les systèmes anaérobies), éviter les sauts brusques de flux, et agir sur les caractéristiques des solides via la biologie plutôt que de réagir après coup aux pics de pression. Quand des supports de biofilm sont utilisés, le mélange doit être réglé pour éviter qu’ils ne fragmentent excessivement les flocs en colloïdes fins, plus difficiles à filtrer. La température compte aussi : en saison froide, la viscosité augmente et la cinétique ralentit ; conserver les mêmes objectifs de flux toute l’année peut accroître le risque d’encrassement.

En 2026, le suivi est de plus en plus considéré comme un outil de prévention, pas comme un reporting. Les installations qui s’en sortent bien suivent l’évolution de la perméabilité, la récupération après nettoyage et des indicateurs corrélés aux encrassants « collants » (par exemple des proxys des produits microbiens dissous et des substances polymériques extracellulaires). L’objectif n’est pas de submerger l’opérateur de données, mais de détecter tôt une dérive biologique vers un état plus propice au colmatage.

Où ces systèmes s’insèrent en 2026 : conformité, micropolluants et réutilisation

En Europe, le durcissement des attentes sur l’élimination des nutriments et la maîtrise des micropolluants influence fortement les choix technologiques. La directive (UE) 2024/3019 relative au traitement des eaux urbaines résiduaires est entrée en vigueur le 1er janvier 2025, avec des exigences renforcées et une impulsion plus nette vers des traitements avancés pour certaines substances, ainsi qu’un champ d’application élargi. Pour de nombreux exploitants, la question devient très concrète : comment obtenir une qualité d’eau stable sans exploser la consommation d’énergie ni la complexité d’exploitation.

Les systèmes à membrane assistés par biofilm peuvent être pertinents dans plusieurs cas d’usage. Pour la maîtrise de l’azote, la stabilité de la nitrification et de la dénitrification est plus simple à maintenir lorsque les microorganismes disposent de sites de fixation protecteurs. Pour des eaux pauvres en carbone, les MBfR sont intéressants parce qu’ils apportent un donneur d’électrons via la membrane au lieu de doser du carbone organique, ce qui peut limiter des effets secondaires et simplifier le traitement de finition.

Dans les projets de réutilisation, la membrane est une étape clé : elle retire de manière fiable les solides en suspension et une part significative des microorganismes, ce qui fournit une eau d’alimentation plus stable pour des étapes de polissage (charbon actif, ozonation, oxydation avancée, selon l’usage final). La composante biofilm devient alors utile lorsqu’elle réduit la variabilité qui, autrement, mettrait sous tension toute la chaîne de traitement en aval.

Limites et risques : sécurité hydrogène, sous-produits et maintenabilité

Aucune « nouvelle génération » n’est magique. Les MBfR impliquent de l’hydrogène : c’est un donneur d’électrons propre, mais il impose une ingénierie de sécurité rigoureuse (gestion des fuites, ventilation, contrôle des sources d’inflammation, procédures d’exploitation). L’idée n’est pas de dramatiser, mais de traiter l’hydrogène comme un gaz industriel avec des mesures de prévention bien connues.

Les sous-produits et la chimie de l’eau doivent être abordés sans détour. Tout procédé biologique de réduction peut modifier l’alcalinité, influencer le pH et changer les profils de gaz dissous. En contexte de réduction des nitrates, il faut contrôler les intermédiaires et garantir des produits finaux stables. Pour les BF-MBR, le risque porte souvent moins sur l’apparition d’un nouveau contaminant que sur une modification des matières organiques dissoutes, susceptible d’impacter la désinfection ou les traitements de finition.

La maintenabilité est souvent le facteur décisif à grande échelle. Les installations doivent être conçues pour un accès simple aux modules, des procédures réalistes de nettoyage en place et des critères clairs indiquant quand un nettoyage physique ne suffit plus. Si un concept exige une expertise permanente pour rester stable, il s’accorde mal avec la réalité des équipes d’exploitation. Les meilleurs systèmes en 2026 sont ceux qui se dégradent progressivement, signalent tôt une dérive et peuvent être remis en état avec des outils d’exploitation standard.