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Chapitre 3 MATÉRIEL ET MÉTHODES

Table des matières

Cette étude pilote traite principalement de l’influence des conditions d’opération et de la qualité de l’eau d’alimentation de la NF sur la productivité d’un procédé d’affinage par NF avec module spiralé. Pour commencer, la source d’eau utilisée lors des essais d’affinage est présentée. Ensuite, il y a une description du montage pilote utilisé à la section 3.2 et une présentation de la membrane et du module spiralé à l’étude à la section 3.3. Finalement, les sections 3.4 et 3.5 présentent respectivement les protocoles expérimentaux des essais réalisés en laboratoire et sur le site expérimental, à l’UTE de Sainte-Foy.

Au Québec, la majorité des réseaux municipaux de distribution d’eau potable s’alimentent en eau de surface. Ces réseaux desservent plus de 5,3 millions de personnes, soit plus de 70 % de la population québécoise. La source d’approvisionnement la plus importante pour alimenter ces gens est le fleuve Saint-Laurent, qui dessert environ 2,4 millions de personnes entre la frontière de l’Ontario et l’île d’Orléans, soit près du tiers des québécois [35].

Une partie de la population québécoise doute de la qualité de l’eau du Saint-Laurent. Pourtant, Environnement Canada a publié plusieurs documents montrant l’amélioration ou la non-dégradation de la qualité de l’eau du fleuve depuis une quinzaine d’années. En particulier, les concentrations en produits toxiques comme les pesticides et les HAP sont intermédiaires entre celles mesurées dans des plans d’eau jugés contaminés et celles des zones peu touchées [36]. Toutefois, certains paramètres pourraient être ajoutés au RQEP dans le futur. En particulier, les traces de résidus pharmaceutiques dans l’eau potable sont présentement étudiées par le MDDEP. Ces produits, même à très faible concentration dans l’eau, pourraient être nocifs à la santé. Il faut donc rester vigilant quant à l’évolution de la qualité des eaux servant d’approvisionnement en eau potable.

La ville de Québec profite des derniers kilomètres du fleuve ou l’eau est encore douce. En effet, le front salin est présentement situé à la pointe est de l’île d’Orléans et Québec est l’avant dernière municipalité à s’approvisionner en eau potable dans le Saint-Laurent, la dernière étant Lévis. La salinité de l’eau approvisionnant ces deux villes pourrait augmenter au cours des prochaines années dû aux changements climatiques et ainsi compromettre l’efficacité des traitements actuels [37]. La capitale nationale ne s’approvisionne toutefois que partiellement à partir du fleuve puisque les rivières Saint-Charles et Montmorency sont aussi deux importantes sources d’approvisionnement de la ville. Selon les statistiques de 2002 [37], l’eau provenant du fleuve correspond à 18,1% du total de l’eau distribuée à Québec et elle est acheminée aux habitants de Sainte-Foy de Cap-Rouge et de Saint-Augustin. Toutefois, à certaines périodes de l’année, une partie des secteurs Les Saules, Duberger et l’Ancienne-Lorette sont aussi alimentés par le Saint-Laurent grâce à des interconnexions entre les réseaux de distribution de la ville. C’est à l’UTE de l’ancienne ville de Sainte-Foy maintenant fusionnée avec Québec, que cette eau est traitée selon une filière conventionnelle de traitement.

La Figure 10 illustre la localisation de l’UTE de Sainte-Foy, de sa station de pompage (SP), de sa prise d’eau (PE) et de l’Université Laval (UL). L’UTE de Sainte-Foy a une capacité de production de 136 000 m3/j mais l’état actuel de sa PE réduit cette capacité à 86 600 m3/j [37]. Néanmoins, la production moyenne en 2003 a été de 70 141 m3/j et la population desservie a été estimée à 132 446 personnes [38]. La filière de traitement comprend les étapes présentées à la Figure 11 partant de l’eau brute jusqu’à l’eau traitée.

Grâce à la collaboration de Damien Roy, le contremaître de l’usine, il a été possible de connaître un peu plus en profondeur la chaîne de traitement de l’UTE de Sainte-Foy, notamment en ce qui a trait aux doses de produits chimiques [39]. La dose d’ozone en préozonation varie de 0,6 à 0,8 mg/L. La coagulation s’effectue avec du sulfate d’aluminium, plus communément appelé « alun », à une dose de 14 à 38 mg/L de Al2(SO4)3 •14H2O selon la qualité de l’eau brute. Un aide-floculant (polymère), commercialisé sous le nom de LT20, est aussi injecté dans les décanteurs à une dose de 0,03 à 0,08 mg/L. La décantation de type lamellaire est assurée par 3 systèmes PulsatorMC tandis que la filtration sur sable s’effectue avec une série de 20 filtres AquazurMC. L’eau est ensuite acheminée vers la post-désinfection à l’ozone et vers celle au chlore gazeux. Les doses sont de 0,5 à 1,2 mg/L d’ozone et de 1 à 3 mg/L de chlore. L’objectif pour la chloration est d’avoir une concentration de chlore libre résiduel de 1 mg/L à la sortie de l’usine. Finalement, l’usine effectue un ajustement chimique à la chaux (Ca(OH)2) afin de ramener le pH à une valeur de 7,5 pour prévenir la corrosion du réseau de distribution.

Pour la réalisation des essais d’affinage, le montage pilote de NF a été installé à la sortie des filtres à sable de l’usine, et ce, dans le but de favoriser l’approche multibarrières et de limiter le colmatage des membranes de NF.

Le montage pilote utilisé pour la réalisation de cette étude est schématisé à la Figure 12. Ce montage permet d’étudier le comportement de filtration d’un module spiralé de 4 pouces de diamètre et il comprend une boucle de recirculation du concentré. Il est presque entièrement automatisé à l’exception des lavages chimiques. C’est le même montage qui a été utilisé en 2001 par Marcil [9] lors d’une étude pilote de nanofiltration directe de l’eau de la rivière Saint-Charles. Toutefois, le montage a été quelque peu modifié tel que cela est expliqué à la section 3.2.2.

La Figure 12 présente le schéma du montage pilote de NF installé à l’UTE de Sainte-Foy. Les éléments importants du montage et les principales variables du procédé sont définies sous le schéma. Une pompe submersible (1) est installée dans le canal d’eau filtrée vis-à-vis de la sortie du filtre à sable no. 1 de l’usine. L’eau filtrée sur sable est acheminée vers le préfiltre 5 μm (2) qui constitue une sécurité pour protéger la membrane en cas de défaillance des filtres à sable. L’eau préfiltrée sert d’alimentation[2] à la NF. Une pompe d’alimentation à vitesse variable (3) fournit la pression nécessaire pour alimenter le module de NF (4) et faire passer l’eau à travers la membrane. Une partie du concentré passe dans une boucle de recirculation grâce à une pompe de recirculation (5) et l’autre partie est rejetée à l’égout. Le perméat est recueilli dans un bassin de perméat qui sert à préparer les eaux de lavage et à mesurer la perméabilité de la membrane à l’eau pure. Lors des essais préliminaires réalisés en laboratoire, un aménagement différent a été mis en place. Il sera décrit à la section 3.4. L’automatisation du procédé permet à la valve automatique à ouverture variable (6) de travailler de pair avec la pompe d’alimentation (3) pour régulariser le procédé. Un automate programmable gère l’opération du procédé. Il comprend un système de contrôle ainsi qu’un système d’acquisition de données.

Le système de contrôle permet d’opérer le montage selon trois modes de fonctionnement automatiques et en mode manuel. Les modes automatiques sont les suivant :

Dans le cadre de cette étude, seul le premier mode a été utilisé. L’automatisation de ce mode de fonctionnement comprend deux boucles proportionnelles – intégral – dérivées (PID). La première agit sur la valve automatique et l’autre sur la pompe d’alimentation. Lors du démarrage de l’appareil pilote, la valve automatique ajuste progressivement son ouverture pour atteindre la pression correspondante au débit de perméation fixé par l’utilisateur. Ensuite, la pompe d’alimentation ajuste sa vitesse de rotation pour obtenir le taux de récupération prescrit par l’utilisateur. Au cours d’un essai de filtration, ces deux boucles PID vont jouer de pair pour conserver le Qp et le TRG constants lors de variations de pressions causées par des perturbations comme les changements de température et le colmatage. Le système d’acquisition de données permet d’enregistrer dans un fichier texte, à la fréquence désirée, le temps de l’essai ainsi que les valeurs mesurées par les capteurs de pression, de débit et de température du montage pilote. Ces paramètres sont listés à la section 3.5.3. Cela peut permettre de suivre l’évolution de la productivité du système de NF dans le temps. L’annexe III du mémoire de Marcil contient une description détaillée des composantes originales du montage pilote ainsi que leurs spécifications techniques [9].

Étant donné que certaines composantes en chlorure de polyvinyle (CPV) de la partie pressurisée du montage original ne pouvaient résister qu’à 1034 kPa, il a fallut les changer pour des composantes plus résistantes afin de pouvoir opérer en eau froide jusqu’à une pression maximale de 1586 kPa. Il faut rappeler ici que l’eau froide est plus visqueuse et qu’il faut donc une plus grande pression qu’en eau chaude pour opérer à une vitesse de perméation donnée. En supposant que la température minimale de l’eau serait de 1°C en hiver, en considérant la perméabilité à l’eau pure à 1°C de la membrane utilisée et en faisant l’hypothèse d’une certaine perte de perméabilité due au colmatage à la fin d’un essai de 2 semaines sans nettoyage, il a été possible d’évaluer une résistance maximale en pression pour le montage. Toutes les composantes du montage devaient alors résister à une pression maximale de 1586 kPa. Il a donc été nécessaire de changer certains raccords en CPV ainsi que le capteur de débit de recirculation. Les spécifications des nouvelles pièces et du nouveau capteur sont précisées à l’Annexe 1. Seul un capteur en métal pouvait résister à une pression de 1586 kPa. Le capteur choisi est résistant en pression mais il est sensible aux produits chimiques de pH plus élevé que 11 et plus bas que 2. Il a donc été nécessaire d’introduire un « court-circuit » au capteur de débit de recirculation afin qu’il ne soit pas en contact avec les produits chimiques lors des lavages. Pour ce faire, un jeu de valves a été introduit dans la boucle de recirculation. Finalement, deux valves de surpression ont été installées, une à la sortie de la pompe d’alimentation et l’autre à la sortie de la pompe de recirculation afin d’offrir au montage une sécurité mécanique en pression. Cette sécurité vient s’ajouter à celle fournie par les capteurs électroniques et leurs alarmes programmées dans l’automate.

La membrane de NF utilisée dans le cadre de cette étude est la membrane de type « thin film composite » NF200 conçue et fabriquée par la compagnie Filmtec/Dow Chemical. C’est une membrane composite puisqu’elle est fabriquée de deux couches de polymères différents. Sa couche active est faite en polyamide et une sous-couche en polysulfones est aussi présente pour lui conférer une résistance mécanique. Le fabricant mentionne que la membrane NF200 peut travailler à une pression maximale de 4,14 MPa et à une température maximale de 40 °C [40]. Elle tolère très peu le chlore libre puisque la concentration maximale admise est de 0,1 mg/L. De plus, elle peut tolérer une gamme de pH de 2 à 11 en opération continue et de 1 à 12 pour des périodes de courte durée (< 30 minutes). Le seuil de coupure de la membrane NF200 est d’environ 250 Da [41]. Cette membrane a été développée spécialement pour le traitement des eaux de surface pour permettre de hauts taux de séparation de la matière organique et des pesticides tout en laissant passer une bonne proportion des ions calcium et bicarbonate. Cela vise à limiter la déminéralisation de l’eau. D’ailleurs, il a été vu à la section 2.6.3, que l’usine de Méry-Sur-Oise en France utilise la membrane NF200 pour produire par affinage par NF un maximum de 140 000 m3 d’eau purifiée par jour sans qu’il soit nécessaire de reminéraliser le perméat [34].

Le module NF200-4040 (no de série : 164584) utilisé pour cette étude est un module spiralé. Il a environ 0,1 m de diamètre (4 pouces) et 1 m de long. La surface active nominale de membrane enroulée dans le module est de 7,61 m2. Ce module peut être alimenté par un débit maximal de 60 L/min. Pour minimiser l’obstruction des canaux d’écoulement, un SDI maximal de 5 %/min est prescrit par le fournisseur. La caractérisation de la membrane est présentée à la section 4.1. Les dimensions détaillées des membranes contenues dans le module, des canaux d’écoulement tangentiels et de ses espaceurs grossiers sont présentées à l’Annexe 7. Aussi, la fiche technique de la membrane et du module utilisés peut être consultée sur le site Internet du fournisseur [40].

Avant d’installer le montage pilote à l’UTE de Sainte-Foy, il a été remis en fonction au laboratoire d’environnement du département de génie civil de l’Université Laval. Comme le montage n’avait pas été utilisé depuis un an, il a fallu y réinstaller des pièces qui y avaient été enlevées, rendre étanches ses fuites, vérifier son bon fonctionnement et refaire le calibrage tous ses capteurs. Ces travaux préliminaires ont été réalisés au mois de mai 2003. Il est possible de consulter le sommaire des calibrages des capteurs à l’Annexe 2. Une corrélation entre la pression dans le perméat et débit de perméat est aussi disponible à cette annexe. Cela permet de calculer indirectement la pression transmembranaire moyenne étant donné qu’il n’y a pas de capteur de pression installé en permanence à la sortie du perméat. L’installation du montage au laboratoire a été réalisée de la même façon que l’a fait Marcil [9]. L’alimentation du montage a été réalisée par l’entremise d’un réservoir thermostaté de 1 m3 en acier inoxydable. Il a été possible de régler la température de l’eau du réservoir à une valeur fixe entre 5 et 25°C. Le montage a été opéré en mode automatique en circuit fermé, c’est-à-dire que le perméat et le concentré ont été recirculés dans le réservoir. La pompe submersible a été utilisée en boucle ouverte dans le réservoir afin de permettre une bonne agitation dans celui-ci tandis que la pompe d’alimentation était directement connectée à un tuyau connecté au réservoir.

Toujours en laboratoire, le module NF200-4040 a été caractérisé aux mois de juin et juillet 2003. Cette caractérisation a été faite avant les essais pilotes pour bien effectuer le suivi des performances du traitement membranaire et apporter des éléments de compréhension aux phénomènes étudiés. Étant donné que chaque module a un comportement de filtration unique il est important d’effectuer cette démarche pour chacun. Dans le cadre de la présente étude, les essais préliminaires suivants ont été réalisés:

  1. Mesure de la perméabilité de la membrane à différentes températures;

  2. Mesure de la séparation de solutés modèles (NaCl et diéthylène glycol (DEG));

  3. Établissement d’une corrélation entre la perte de charge dans le module propre, le débit d’écoulement tangentiel et la température.

La perméabilité d’une membrane varie considérablement avec la température. Afin de pouvoir suivre l’évolution du colmatage d’une membrane dans le temps, lors de la filtration d’une eau de surface à température variable, il faut pouvoir ramer la valeur de la perméabilité mesurée à une valeur correspondant à une température de référence, habituellement 25°C. Il faut donc avoir une relation mathématique reliant la perméabilité de la membrane à la température. L’expérience suivante a été réalisée afin de vérifier l’applicabilité de l’Équation 2.2.2 qui permet de corriger la perméabilité en température pour des membranes de type « thin film composite ».

La perméabilité de la membrane NF200 a été mesurée sur une gamme de températures avec de l’eau déminéralisée. Pour chaque température testée, le montage a été opéré en mode automatique selon différentes consignes de débits de perméation. Les températures testées ont été les suivantes : 25,0 – 20,2 – 15,0 – 10,6 – 5,9 en °C. Les débits de perméation ont varié de 1,5 à 7,7 L/min. Ces essais ont permis de mesurer la pression transmembranaire moyenne correspondant aux débits de perméation fixés afin de pouvoir calculer la perméabilité de la membrane pour chaque température testée. La valeur de la perméabilité est la pente de la droite de vp en fonction de ΔPM. Il a ensuite été possible d’établir une corrélation avec un polynôme du degré 3 entre les perméabilités trouvées et les températures fixées et de comparer ce polynôme avec l’Équation 2.2.2. Cela a permis de déterminer le coefficient β de l’Équation 2.2.2 par régression avec la loi des moindres carrés et la fonction « solveur » du logiciel Excel. Les résultats de la mesure de la perméabilité de la membrane à différentes températures sont présentés à la section 4.1.1.

Une façon de caractériser une membrane est d’étudier la séparation de solutés modèles non complètement retenus dans des conditions d’opération bien connues. En effets, les taux de séparation peuvent varier grandement en fonction de celles-ci. Dans le cadre du présent projet, la séparation d’un sel, le chlorure de sodium (NaCl) et la séparation d’un soluté organique de faible masse molaire, le diéthylène glycol (DEG), ont été mesurés en opérant le montage pilote en mode automatique.

Des solutions de NaCl de différentes concentrations ont été nanofiltrées à différentes vitesses de perméation. Les concentrations ont été : 30, 150, 700, 1700 et 3700 mg/L tandis que les vitesses de perméation ont étés pour chaque concentration mentionnée : 11,6, 19,1, 31,0 et 48.6 L/(h.m2). Ces essais ont tous été réalisés à 25°C et à haut débit de recirculation (53,3 L/min), c’est-à-dire dans des conditions où l’effet de la polarisation de la concentration est faible. Les taux de séparation observés seront donc a priori très rapprochés des taux de séparation réels. Pour calculer les taux de séparation du NaCl à l’aide de l’ Équation 2.1.1, les conductivités des échantillons de perméat, d’alimentation et de concentré ont tout d’abord été mesurées après chaque essai. Ensuite, les concentrations en NaCl équivalentes ont été calculées à partir de la courbe de calibrage de la Figure 46 présentée à l’Annexe 6. La concentration moyenne dans l’écoulement tangentiel a été calculée avec l’Équation 2.3.3.

Une solution de DEG de 20 mg/L a été nanofiltrée à différentes températures, différentes vitesses de perméation et différents débits de recirculation. Des essais aux températures suivantes ont été réalisés : 6, 15 et 25 °C. Une fois la température de la solution fixée à l’aide du réservoir thermostaté, un premier débit de recirculation a été fixé, puis la vitesse de perméation a été variée. Ces manipulations ont été répétées pour chaque valeur de débit de recirculation testée. Les gammes de Qr et de vp à l’étude ont pour Qr : 6,3, 18,9, 37,9, 56,8 et 75,6 L/min et pour v: 11,6, 19,1, 26,5 et 34,0 L/(h.m2). Les taux de séparation observés ont été calculés à partir de l’Équation 2.1.1, en mesurant le COT des échantillons de perméat, d’alimentation et de concentré. La concentration moyenne dans l’écoulement tangentiel a été calculée avec l’Équation 2.3.3 encore une fois. Les résultats des essais de séparation de solutés modèles dans différentes conditions d’opération peuvent être consultés à la section 4.1.2.

Pour pouvoir suivre l’évolution dans le temps de l’obstruction des canaux d’écoulements tangentiels du module spiralé tel que cela a été présenté à la section 2.4.3, il est impératif d’établir une corrélation entre la perte de charge, le débit moyen dans l’écoulement tangentiel et la température lorsque le module est neuf et donc parfaitement propre. En effet, à chaque module correspond une corrélation qui dépend de la géométrie de ses canaux d’écoulement tangentiels et de ses espaceurs grossiers (voir l’Annexe 7 pour connaître la géométrie des canaux et des espaceurs du module NF200-4040). Des essais ont donc été réalisés en laboratoire dans le but de recueillir des données expérimentales pouvant être utilisées pour déterminer les constantes ω et n de l’Équation 2.4.4 à l’aide de la loi des moindres carrés et de la fonction « solveur » d’Excel. De l’eau déminéralisée a été nanofiltrée à différentes températures et différents Qet. Les températures ont été de 6, 16, 25 °C tandis que les débits moyens dans l’écoulement tangentiel ont été de 10,4, 22,7, 41,0, 59,4 et 78,0 L/min. Chaque débit a été maintenu cinq minutes avec enregistrement de données à chaque minute. Donc, pour chaque température et Qet fixé, la perte de charge dans le module propre a été enregistrée à cinq reprises. Ces essais ont aussi été réalisés en mode automatique à vitesse de perméation constante et taux de récupération global constant. Les résultats sont présentés à la section 4.1.3.

Après avoir remis en état de marche le montage, calibrer tous les capteurs et caractérisé le module NF200-4040 à l’étude, l’unité pilote a été déménagée à l’UTE de Sainte-Foy pour les essais d’affinage par NF. Ces essais ont été réalisés en mode automatique à vitesse de perméation constante, taux de récupération global constant et débit de recirculation constant. La durée de chaque essai a été fixée à 14 jours. Cependant, lors d’essais en eau froide, alors que la viscosité de l’eau était plus élevée, la pression maximale tolérable par les composantes du montage a été atteinte (1586 kPa) et certains essais ont donc dû être arrêtés avant 14 jours.

L’objectif principal des essais pilotes d’affinage à l’UTE de Sainte-Foy était d’évaluer les effets des conditions d’opération et de la qualité de l’eau d’alimentation de la NF sur la productivité du traitement d’affinage, c’est-à-dire sur la cinétique de colmatage des membranes et sur la cinétique d’obstruction des canaux d’écoulement tangentiels. Les variables indépendantes contrôlables de l’étude sont les paramètres qui peuvent être fixés par l’utilisateur du montage pilote de NF : les conditions d’opération. Les variables indépendantes incontrôlables de l’étude sont les paramètres qui peuvent varier dans le temps lors d’un essai à cause de conditions environnementales variables. Enfin, les variables dépendantes de l’étude sont celles qui varient dans le temps lors d’un essai à cause de la perte de productivité du système. Le Tableau 2 présente les variables indépendantes et dépendantes de cette étude pilote.

La température moyenne dans l’écoulement tangentiel est approximée par la moyenne des températures du perméat et de l’alimentation. C’est cette température qui est utilisée pour calculer la perméabilité corrigée à 25°C à l’aide de l’Équation 2.2.2. La qualité de l’alimentation peut varier en fonction de la qualité de l’eau brute du fleuve Saint-Laurent et de l’efficacité du traitement conventionnel. La pression transmembranaire moyenne augmente avec le temps à cause du colmatage des membranes. Elle dépend aussi de la vitesse de perméation et de la température moyenne dans l’écoulement tangentiel. Des températures froides nécessitent une pression plus élevée pour une même vitesse d’opération à cause de l’effet de la température sur la viscosité de l’eau et sur la structure des pores de la membrane. La perte de charge dans le caisson dépend du débit d’écoulement tangentiel fixé, de la température et de la cinétique d’obstruction des canaux d’écoulement tangentiels. Finalement, la qualité du perméat produit est assez stable mais peut varier quelque peu en fonction de tous les paramètres de l’étude.

Différents agencements de conditions d’opération ont été expérimentés lors des essais pilotes d’affinage. La gamme de variation des conditions d’opération est présentée au Tableau 3 tandis que le Tableau 4 présente la liste des essais effectués.

Les résultats des essais d’affinage en ce qui a trait à la qualité de l’eau sont présentés à la section 4.2. Les résultats se rapportant à la productivité du traitement d’affinage par NF sont présentés à section 4.4. Ils comprennent l’étude du colmatage de la membrane NF200 et de l’obstruction des canaux d’écoulement tangentiels du module NF200-4040. Il est à noter que les essais réalisés au cours de la période hivernale ont permis d’évaluer l’effet des conditions d’opération sur la productivité du système puisque la qualité et la température de l’eau ont été stables durant cette période. Les essais réalisés à l’automne 2003 et au printemps 2004 ont permis d’évaluer les effets de la température et de la qualité de l’alimentation.

Pour évaluer l’efficacité du traitement d’affinage en terme de qualité d’eau traitée, plusieurs paramètres physico-chimiques et microbiologiques ont été suivis lors des essais in situ. En fait, la qualité de l’eau d’alimentation, du perméat et du concentré a été analysée tout au long des essais réalisés à l’UTE de Sainte-Foy. Tel que mentionné précédemment, l’accent a été mis sur l’enlèvement du COD. La section 4.2 présente le suivi de la qualité de l’eau et les taux de séparation par NF de divers constituants de l’eau de l’UTE de Sainte-Foy. Une certaine fréquence a été fixée pour les analyses au début des essais au mois d’octobre 2003. Cette fréquence a été réduite à partir du mois de février 2004, tel qu’indiqué au Tableau 5, pour des raisons pratiques. Le Tableau 5 présente les paramètres de qualité de l’eau suivis. Les analyses physico-chimiques ont été réalisées au laboratoire d’environnement du Département de génie civil de l’Université Laval à l’exception du CODB qui a été analysé à l’École polytechnique de Montréal. Il est possible de consulter l’Annexe 3 pour connaître les appareils et les procédures analytiques utilisées ainsi que les incertitudes et les seuils de détection de ces appareils. Les analyses microbiologiques on quant à elles été réalisés par le centre analytique de la ville de Québec.

À partir des analyses de ces paramètres de qualité, il a été possible de calculer deux autres paramètres soit la dureté de l’eau et l’indice de Langelier. La dureté a été approximée à la somme des ions calcium et magnésium par l’Équation 3.5.1:

Équation 3.5.1

L’indice de Langelier IL permet de déterminer si l’eau est à l’équilibre ou non. Si l’indice est négatif, l’eau est agressive tandis que s’il est positif, l’eau est entartrante. Un IL nul indique que l’eau est à l’équilibre chimique. L’Équation 3.5.2 permet de calculer IL à partir du pH, de l’alcalinité Alc et de la concentration en ions calcium si la concentration en ions carbonate est négligée [42]:

Équation 3.5.2

Ensuite, pour mieux connaître les caractéristiques de la MON contenue dans l’eau filtrée sur sable à l’UTE de Sainte-Foy, des expériences ont été menées en laboratoire avec le concentré de NF. L’Annexe 5 présente le plan expérimental du fractionnement du concentré sur résine DAX-8. Cette expérience a aussi été répétée avec l’eau brute alimentant l’usine de Sainte-Foy pour fin de comparaison. Le but de ces fractionnements était de préciser la nature de la MON de ces eaux. Rappelons que la nature de la MON, c’est-à-dire son hydrophobicité, joue un important rôle dans les risques de colmatage des membranes. Puis, l’Annexe 4 présente le protocole d’essais d’UF réalisés avec le concentré de NF de l’eau filtrée sur sable à l’UTE de Sainte-Foy. Ces essais avaient comme objectif de préciser la tailles des molécules de MON de cette eau. Les résultats des expériences de caractérisation de la MON sont présentés à la section 4.3.

D’autres paramètres ont été suivis en continu par le système d’acquisition de données du montage pilote pour être en mesure d’évaluer l’efficacité du traitement en terme de perte de productivité associée au colmatage. Les paramètres ainsi suivis par le montage pilote sont les suivants : la date, l’heure, la pression différentielle dans le préfiltre, la pression à l’entrée du caisson, la pression différentielle dans le caisson, le débit de perméat, le débit de concentré, le débit de recirculation, la température de l’alimentation et la température du perméat.

À partir du 7 février 2004, un essai de compression du dépôt colmatant a été réalisé après chaque essai d’affinage du Tableau 4 à l’exception de l’essai 1D pour lequel il n’y a pas eu d’accumulation suffisante de matière à la surface de la membrane. Ces courts essais avaient comme but d’évaluer l’effet de la différence de pression à travers le gâteau (ΔPg) sur la résistance additionnelle qui lui est associée et de vérifier ainsi le phénomène de compression. Donc, avec une certaine quantité de matière accumulée à la surface de la membrane au cours d’un essai d’affinage, une série de pressions a été appliquée à travers le gâteau, en modifiant la consigne de vitesse de perméation, afin d’étudier sa compressibilité. Voici la procédure expérimentale qui a été suivie :

  1. À la fin d’un essai d’affinage, fixer la fréquence d’acquisition de données à 1 minute;

  2. Fixer la vitesse de perméation à 28 L/(h.m2) si elle n’est pas déjà fixée à cette valeur et le TRG à 65% pour pouvoir facilement descendre à vp = 20 L/(h.m2) sans que le système n’induise de fluctuations;

  3. Faire l’acquisition de données pendant au moins 1 heure pour voir s’il est possible de négliger le colmatage supplémentaire survenu au cours de l’essai de compression;

  4. Changer la vitesse de perméation afin de faire varier la pression à l’entrée du caisson;

  5. Fixer ainsi des paliers de vp (20, 22, 24, 26 et 28 L/(h.m2)) et faire l’acquisition de données pour chaque pallier pendant 15 minutes;

  6. Calculer la résistance additionnelle associé au gâteau pour chaque enregistrement de données selon la procédure décrite à la section 4.4.1.

Cette même procédure a été suivie pour des essais de compression de la membrane propre, c’est-à-dire avec aucun gâteau accumulé à la surface de la membrane. Le but de ces essais était de vérifier si la membrane pouvait aussi se comprimer. Les résultats des essais de compression sont présentés à la section 4.4.5.

Afin que la membrane retrouve sa perméabilité initiale et que le module spiralé retrouve son obstruction initiale avant de recommencer un nouvel essai d’affinage, une procédure de lavage chimique a été suivie. Elle concerne l’étape 6 de la procédure expérimentale de la section 3.5.1. Le premier lavage effectué est un lavage basique et il est effectué comme suit :

  • 30 L de perméat accumulé dans le réservoir de perméat est nanofiltré;

  • Le perméat de cette eau est chauffé à 25 °C et est placé dans le réservoir de lavage;

  • 30 g d’EDTA est ajouté;

  • Une solution de NaOH concentré est ajoutée jusqu’à un pH de 11,5;

  • La solution basique de nettoyage est circulée en circuit fermé pendant 25 minutes à l’intérieur du montage;

  • La solution nettoyante est purgée dans un bassin temporaire;

  • Le montage est rincé avec du perméat accumulé dans le réservoir de perméat.

Une mesure de perméabilité est ensuite réalisée avec du perméat accumulé dans le réservoir de perméat. Puis, un lavage acide est effectué comme suit :

  • 30 L de perméat accumulé dans le réservoir de perméat est nanofiltré;

  • Le perméat de cette eau est chauffé à 25 °C et est placé dans le réservoir de lavage;

  • Une solution de HCl concentré est ajoutée jusqu’à un pH de 1,6;

  • La solution acide de nettoyage est circulée en circuit fermé pendant 35 minutes à l’intérieur du montage;

  • La solution nettoyante est purgée dans le bassin temporaire contenant la solution basique pour neutralisation et le tout est ensuite purgé à l’égout;

  • Le montage est rincé avec du perméat accumulé dans le réservoir de perméat.

Il s’avère que pour la présente étude, un lavage basique serait peut-être suffisant pour que la membrane retrouve sa perméabilité initiale. Toutefois, le lavage acide a quand même été réalisé par prévention mais aussi pour une raison toute spéciale associée aux membranes NF200 et NF270 qui est la variation temporaire de perméabilité associée à un changement radical de pH [43]. En effet, le lavage basique à pH plus élevé que 9 cause une expansion des pores de la membrane causant ainsi une augmentation de la perméabilité de près de 40 % et une baisse de la séparation. Cet effet est temporaire mais peut durer jusqu’à 72 heures. À l’inverse, le lavage acide à pH plus bas que 4 cause un rétrécissement des pores de la membrane. Cela peut se remarquer par une baisse de la perméabilité et une augmentation de la séparation. Pour contrer ces phénomènes, il est possible d’effectuer un lavage basique suivi d’un lavage acide. En effet, l’effet de l’acide neutralise l’effet de la base et cela permet de retrouver la perméabilité initiale de la membrane rapidement. Toutefois, comme l’effet de la base est plus prononcé que l’effet de l’acide, il faut réaliser le lavage acide dans des conditions plus extrêmes. Cela explique pourquoi une solution de HCl à pH très bas (1,6) a été employée et pourquoi la durée du lavage acide est plus longue que celle du lavage basique.



[2] Dans ce qui suit, l’eau préfiltrée sera appelée « alimentation »

© Mathieu Bonnelly, 2005