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Chapitre 1 INTRODUCTION

Table des matières

L’être humain est composé d’environ 70 % d’eau et sa survie dépend d’un apport quotidien en eau douce. Toutefois, les eaux douces de la planète peuvent contenir des microorganismes pathogènes et des substances toxiques comme par exemple les pesticides. C’est pourquoi il faut traiter l’eau pour la rendre potable à la consommation humaine. En plus de la boire, l’homme se sert de l’eau potable pour la préparation des repas, pour son hygiène et pour différentes autres raisons. Chaque jour, une municipalité doit traiter et distribuer à ses citoyens des volumes considérables d’eau potable.

Le premier traitement largement utilisé au début du siècle dernier, la chloration, permit de combattre des épidémies grâce à son effet de désinfection. En effet, l’inactivation des microorganismes pathogènes contenus dans l’eau permet à court terme d’éviter le développement de maladies ou même la mort. Ce n’est que de nombreuses années plus tard, que la recherche scientifique commença à associer certains cancers avec des substances contenues dans les eaux douces. Il a aussi été découvert que la chloration, ce traitement révolutionnaire du début du siècle dernier, pouvait former des sous-produits de chloration (SPC) potentiellement cancérigènes comme par exemple les trihalométhanes (THM), lors de la réaction du chlore avec certains composants de la matière organique naturelle (MON) de l’eau. Contrairement aux microorganismes pathogènes, ces produits cancérigènes peuvent avoir des effets néfastes à plus long terme sur l’être humain. Les citoyens se préoccupent aussi beaucoup de l’apparence de l’eau qu’ils boivent. L’eau doit être limpide et sans goûts ni odeurs désagréables. Ces critères d’apparence sont les meilleurs indicateurs de la qualité d’une eau potable pour le consommateur. En réalité, l’absence de pathogènes et l’absence de substances toxiques sont les deux critères les plus importants pour la santé du consommateur.

Au Québec, la qualité de l’eau potable est régie par une réglementation provinciale. Le Règlement sur la qualité de l’eau potable (RQEP) contient des normes de qualité sur plusieurs paramètres physico-chimiques et microbiologiques de l’eau [1]. Cette réglementation évolue dans le temps suite à l’acquisition de nouvelles connaissances scientifiques. En 2001, les normes datant de 1984 ont étés mises à jour par le Ministère de du développement durable, de l’environnement et des parcs du Québec (MDDEP). Parmi les changements majeurs, la norme sur la turbidité est passée de 5 à 0,5 unités de turbidité néphélémétrique (UTN) dans le cas d’une eau filtrée et désinfectée par un traitement conventionnel. Cette norme doit être respectée à 95% du temps. La norme pour les THM est quant à elle passée de 350 à 80 µg/L (moyenne annuelle de 4 échantillons trimestriels). Des exigences d’enlèvement et/ou d’inactivation des virus et des protozoaires en fonction de la source d’eau brute et de sa qualité microbiologique sont aussi spécifiées dans le RQEP. Des normes portant sur 20 nouvelles substances organiques et 3 nouvelles substances inorganiques ont été ajoutées, portant leur nombre à 42 et à 17, respectivement. Certains paramètres microbiologiques de contrôle ont également été ajoutés, dont les bactéries hétérotrophes aérobies et anaérobies (BHAA) et les bactéries atypiques. Toutefois, en juin 2004, le MDDEP a proposé d’apporter de nouvelles modifications au RQEP afin de mieux refléter la réalité des exploitants de systèmes de distribution d’eau assujettis au contrôle réglementaire, et ce, dans le respect des objectifs de protection de la santé publique du gouvernement du Québec. Ce projet a été en consultation publique jusqu’au 30 septembre 2004. Le RQEP modifié a finalement été adopté en mai 2005 par le conseil des ministres.

Le RQEP peut être respecté par le bon choix de la source d’approvisionnement, par le choix d’une filière de traitement adéquate, par la bonne opération de cette filière de traitement et par la préservation de l’eau traitée en réseau de distribution. D’ailleurs, le RQEP spécifie une obligation de filtration et/ou de désinfection pour certains types d’eaux brutes. Pour se conformer aux normes, les municipalités peuvent avoir entre autres à répondre aux trois principaux objectifs de traitement suivants :

  • Réduction de la turbidité;

  • Inactivation des pathogènes;

  • Enlèvement de la MON.

La présente étude se concentre sur ce dernier objectif c’est-à-dire sur l’enlèvement de la MON.

Les eaux de surface sont souvent disponibles en plus grande quantité que les eaux souterraines mais elles sont aussi plus vulnérables aux sources de pollution naturelles et anthropiques. La majorité des grandes municipalités du Québec s’alimentent en eau potable à partir d’une eau de surface. Ces municipalités optent habituellement pour un traitement conventionnel. En 2001, ce type de traitement d’eau de surface touchait 3 093 000 québécois et représentait 118 postes de traitement [2].

La chaîne de traitement conventionnelle comprend la plupart du temps les sept étapes suivantes : dégrillage, coagulation, floculation, décantation, filtration sur lit granulaire, désinfection et ajustement de pH. Cette chaîne de traitement a été conçue à la base pour la réduction de la turbidité et l’inactivation des microorganismes pathogènes. L’enlèvement de la MON est devenu depuis une vingtaine d’années un enjeu important du traitement de l’eau potable. Toutefois, les procédés conventionnels qui comprennent la coagulation-floculation permettent un enlèvement limité du carbone organique dissous (COD), soit environ de 40 à 70 % tout dépendamment de la nature de la MON, de la qualité de l’eau et des installations spécifiques de la chaîne de traitement [3]. La présence d’une certaine concentration de COD résiduel avant la désinfection chimique peut occasionner des problèmes potentiellement sérieux.

En effet, il peut y avoir formation de SPC potentiellement cancérigènes, dont les plus connus sont les THM. Les acides haloacétiques (AHA) qui sont d’autres SPC ne sont pas encore normés au Québec mais le sont aux États-Unis (norme de 60 μg/L). La formation de ces sous-produits est favorisée par une MON riche en acides humiques et fulviques, qui se retrouvent en grande quantité dans les eaux de surface des pays nordiques. En dehors des SPC qui sont formés en cours de traitement, il peut aussi y avoir des substances organiques toxiques, présentes sous forme dissoute dans l’eau brute, et qui peuvent ne pas être enlevées par le traitement conventionnel. Par exemple, les pesticides et les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des produits de nature anthropique dont certains sont cancérigènes et d’autres sont potentiellement cancérigènes, mêmes s’ils sont présents en ultra-traces dans l’eau potable.

D’autre part, le COD résiduel présent dans les réseaux de distribution est composé a priori de molécules organiques de faible masse molaire. Une partie de cette matière organique peut être facilement biodégradée par certaines bactéries. Cette fraction biodégradable se nomme le carbone organique dissous biodégradable (CODB). Une teneur élevée en CODB peut favoriser la recroissance de bactéries pathogènes dans les extrémités de réseaux, là où le chlore résiduel libre est présent en moins grande concentration.

Finalement, le COD résiduel de l’effluent de la filtration sur lit granulaire exerce une demande supplémentaire en oxydant. En effet, en présence de concentrations élevées de COD, la demande en chlore de l’eau à traiter est plus élevée dû à l’oxydation partielle du COD par le chlore. En plus de favoriser la formation de SPC, cela pourra donc engendrer une hausse des coûts de la désinfection et une certaine pollution atmosphérique reliée à la production de chlore gazeux.

Bref, un enlèvement plus poussé du COD permettrait de réduire les risques pour la santé discutés ci haut ainsi que la consommation d’oxydant chimique.

Certaines usines de traitement d’eau (UTE) dans le monde ont donc opté pour un traitement d’affinage suite à une filière conventionnelle afin d’éliminer une plus grande quantité de COD dans l’eau avant l’étape de désinfection. Les principaux objectifs d’un traitement d’affinage sont les suivants (chaque objectif s’applique selon les problématiques spécifiques locales) :

  • Réduction des sous-produits de désinfection;

  • Réduction des substances toxiques en trace;

  • Minimisation de la recroissance de microorganismes en réseau de distribution;

  • Réduction de la demande en oxydant chimique;

  • Ajout d’une barrière supplémentaire contre les pathogènes.

Au Québec, il n’existe aucune usine qui effectue un traitement d’affinage puisque la grande majorité des installations utilisant le traitement conventionnel rencontrent les normes du RQEP. Toutefois, ces normes pourraient être resserrées dans l’avenir et d’autres paramètres pourraient y être ajoutés. Quelques pays comme la France et les États-Unis comptent déjà des usines utilisant divers procédés d’affinage afin d’obtenir une eau potable de qualité supérieure qui respecte les normes locales, souvent plus sévères que celles du Québec. L’affinage est aussi utilisé à titre préventif pour limiter la dégradation de la qualité de l’eau traitée dans les grands réseaux de distribution.

Il existe trois principaux procédés d’affinage reconnus pour leur efficacité à enlever le COD. Il s’agit de :

  • L’adsorption sur charbon actif;

  • L’ozonation et filtration biologique;

  • La nanofiltration (NF).

Le charbon actif en poudre (CAP) ou en grains (CAG) présente une très grande porosité et une surface spécifique de l’ordre de 500 à 1500 m2 par gramme de charbon. Ce matériel présente donc de nombreux sites d’adsorption disponibles pour le COD et les pesticides par exemple. La forme poudreuse est utilisée au niveau des décanteurs et elle coûte à l’achat deux à trois fois moins chère que la forme granulaire. Les inconvénients sont que le CAP est perdu avec les boues et que sa concentration applicable est limitée à 80 mg/L [4]. Le CAG est utilisé comme milieu filtrant et l’adsorption peut se combiner à la biodégradation pour une efficacité supérieure. Toutefois, le CAG doit être régénéré souvent ce qui implique des coûts supplémentaires. De plus, l’efficacité d’enlèvement des pesticides par CAG est diminuée en présence de COD dû à une compétition au niveau de l’adsorption [5].

L’ozonation, est un procédé d’oxydation très puissant qui permet de fractionner le COD en très petites molécules. Ces molécules deviennent donc plus facilement biodégradables par certaines bactéries. La filtration biologique permet alors l’enlèvement d’une proportion substantielle de COD lorsque combinée à l’ozonation. Par contre, l’ozonation peut générer des sous-produits de désinfection (SPD) potentiellement dangereux pour l’humain comme les bromates, qui peuvent se former lorsque l’eau contient des concentrations élevées en ions bromures. De plus, l’optimisation de cette chaîne de traitement d’affinage peut être difficile puisqu’il faut une grande efficacité de biodégradation sans qu’il y ait un relargage important de bactéries en aval des filtres biologiques. Le fractionnement du COD peut aussi donner lieu à la recroissance de bactéries en réseau de distribution tout dépendamment de l’efficacité de la filtration biologique.

La NF est un procédé de filtration membranaire récemment développé qui se situe entre l’ultrafiltration (UF) et l’osmose inverse (OI). La NF constitue une barrière physique aux microorganismes. Ce procédé permet un enlèvement du COD de 80 à plus de 95 % [3] et ne génère aucun sous-produit. De plus, ce type de procédé est relativement simple d’opération. Toutefois, le colmatage des membranes est généralement considéré comme un élément limitant puisque cela tend à diminuer la productivité des systèmes membranaires et à augmenter la consommation de produits nettoyants et d’énergie. De plus, cela peut réduire la durée de vie des membranes.

Le choix de la NF pour effectuer un traitement d’affinage dans l’objectif d’un enlèvement poussé de la MON comporte de nombreux avantages mais il est important d’évaluer les risques reliés au colmatage des membranes. Le colmatage dépend du type de membrane, de la qualité de l’eau d’alimentation et des conditions d’opération du procédé. Dans le cas d’un affinage, l’eau est déjà d’assez bonne qualité puisque qu’elle a déjà subi un traitement conventionnel. Le colmatage devrait donc être moins rapide que dans le cas de la NF directe d’une eau de surface. Cependant, le colmatage des membranes en affinage par NF n’est pas pour autant inexistant. En fait, cela est mal connu car peu d’études y ont été consacrées. Le présent travail vise donc à étudier le phénomène de colmatage des membranes en réalisant une étude pilote d’affinage par NF. L’étude a été réalisée à l’échelle pilote pour se rapprocher des conditions prévalant dans un système réel. Un module spiralé a été utilisé car c’est ce type de module qui est principalement utilisé dans le domaine de l’eau potable.

L’objectif principal de cette étude est d’évaluer l’influence des conditions d’opération et de la qualité de l’eau d’alimentation sur le colmatage des membranes et des canaux d’écoulement tangentiel d’un module spiralé de NF. L’étude a aussi les sous-objectifs suivants :

Les résultats de l’étude devraient servir à développer des critères de conception et des stratégies d’opération visant à réduire les coûts d’acquisition et les coûts d’opération d’un système d’affinage par NF.

Le Chapitre 2 du mémoire est une revue de littérature sur les procédés de séparation par membrane dans le domaine de l’eau potable. Cela vise à présenter les concepts de base qui ont mené à la réalisation de l’étude. Une section spécifique est accordée à la NF et à ses applications en production d’eau potable. Au Chapitre 3, l’eau à traiter, la membrane et le module à l’étude ainsi que le montage pilote sont présentés. La procédure expérimentale est aussi expliquée dans ce chapitre. Puis, au Chapitre 4, les résultats sont montrés et accompagnés d’éléments de discussion. La conclusion du projet fait l’objet du Chapitre 5.

© Mathieu Bonnelly, 2005