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Chapitre 5 CONCLUSION

Rappelons tout d’abord que ce projet pilote portait sur un traitement d’affinage par NF qui a été mis à l’étude à l’UTE de Sainte-Foy qui traite l’eau du fleuve Saint-Laurent. Par définition, un traitement d’affinage est une étape supplémentaire qui est ajoutée à la suite d’une chaîne de traitement conventionnelle afin d’obtenir une eau potable de qualité supérieure. Un des principaux objectifs de l’affinage est d’effectuer un enlèvement poussé de la MON dans le but de réduire la formation de SPC et la recroissance des bactéries en réseau de distribution. La NF est considéré comme un des traitements d’affinage les plus efficaces pour enlever la MON. Par contre, comme tout procédé membranaire, la rétention de la matière à la surface des membranes entraîne leur colmatage progressif dans le temps. Dans le cas des modules spiralés, il peut aussi y avoir un colmatage important des espaceurs contenus dans leurs canaux d’écoulement tangentiels. L’objectif principal de cette étude était d’évaluer l’influence des conditions d’opération et de la qualité de l’eau d’alimentation de la NF sur le colmatage des membranes et des espaceurs grossiers du module spiralé à l’étude. Les conditions d’opération ont été la vitesse de perméation, le taux de récupération global et le débit de recirculation. L’alimentation de la NF a été l’eau filtrée sur sable à l’UTE de Sainte-Foy et préfiltrée à 5 microns avec un filtre à cartouche. L’atteinte de l’objectif principal du projet a nécessité la poursuite d’objectifs secondaires comme la caractérisation de la membrane et du module en laboratoire, le suivi de la qualité de l’alimentation et l’étude des performances de la membrane en séparation.

En laboratoire, il a été constaté que la perméabilité de la membrane augmente avec la température de façon non-linéaire et que cette variation est due en partie à la variation de viscosité de l’eau et en partie à la variation de la structure des pores de la membrane. Les essais réalisés à ce sujet ont permis d’établir une corrélation entre la perméabilité de la membrane et la température. Ensuite, la séparation de solutés modèles dans différentes conditions expérimentales a été étudiée. Ainsi, il a été observé que la séparation du NaCl peut varier en fonction de la vitesse de perméation et de la concentration en NaCl tandis que la séparation du DEG, un soluté organique de faible masse molaire, peut varier en fonction de la vitesse de perméation, de la température et du débit de recirculation. Des essais ont ensuite été menés afin d’évaluer l’influence du débit d’écoulement tangentiel et de la température sur la perte de charge dans le module. Une corrélation a été établie entre la perte de charge dans le module, le débit d’écoulement tangentiel, la masse volumique de l’eau et sa viscosité dynamique.

À l’UTE de Sainte-Foy, il a été constaté que les variations majeures de la qualité de l’alimentation se font sentir sur une base saisonnière. Elles sont principalement causées par la variation de l’efficacité du traitement conventionnel avec la température. Au cours de l’étude, le COT de l’alimentation a varié de 2,0 à 3,1 mg/L tandis que l’UV254nm a varié de 0,021 à 0,042 cm-1. L’indice SUVA moyen a été de 1,4 L/(m.mg) comparativement à une valeur approximative de 4,6 L/(m.mg) pour l’eau brute ce qui veut dire que le traitement conventionnel de l’UTE permet d’enlever une bonne partie de la matière humique de l’eau brute. Pour cibler davantage les caractéristiques de la MON présente dans l’eau alimentant la NF, le concentré de NF a été filtrée par UF et il y a eu un fractionnement de sa MON sur une résine DAX-8. Les résultats de cette caractérisation ont permis de constater qu’environ les ¾ des molécules de MON se situent dans un domaine de masses molaires de 250 à 5000 Da et que la majorité du ¼ restant se situent entre 5000 et 10000 Da. Cette MON a été constituée d’environ 54 % de matière hydrophile et de 46 % de matière hydrophobe tandis que la MON de l’eau brute du Saint-Laurent a été constituée d’environ 33 % de matière hydrophile et de 67 % de matière hydrophobe. Cette caractérisation a été réalisée au mois d’avril et de mai 2004. Les résultats pourraient être différents à d’autres saisons. Au cours de l’étude, la membrane NF200 a permis un enlèvement supplémentaire de 85 à 96 % du COT et de 91 à 99 % de l’UV254nm lorsque l’on compare le perméat du module de NF à son alimentation provenant du canal d’eau filtrée sur sable à l’UTE de Sainte-Foy. L’indice SUVA moyen du perméat a été de 0,6 L/(m.mg) ce qui laisse croire que la grande majorité des précurseurs des SPC ont été enlevés par la membrane. De plus, il a été évalué que la NF permettrait une réduction du CODB de l’eau distribuée d’un facteur 3 par rapport à la post-ozonation présentement en opération à l’UTE de Sainte-Foy. Cela permettrait probablement une diminution significative de la recroissance des bactéries en réseau de distribution. Du point de vue de la matière inorganique, la membrane a permis au perméat de conserver de 25 à 47 % de la dureté et de 32 à 49 % de la conductivité électrique de l’alimentation. La membrane NF200 est donc bien adaptée au traitement d’affinage d’une eau de surface puisqu’elle enlève de façon très poussée la MON et elle permet de conserver jusqu’à tout près de la moitié des minéraux présents.

Avec les essais d’affinage, il a été possible d’évaluer l’influence des conditions d’opération, de la qualité de l’alimentation et de la température sur la perte de productivité du système membranaire. Pour suivre l’évolution du colmatage de la membrane dans le temps, le modèle des résistances en série a été utilisé afin de différencier la résistance de la membrane Rm de la résistance du gâteau (Rg = RA-RA0). Pour tenir compte de la variation de résistance du gâteau avec la température, Rg a été divisée par la viscosité dynamique de l’eau en supposant que le dépôt obéit à la loi de Darcy. Les courbes de Rg/μ en fonction du temps ont donc été comparées entre elles pour plusieurs essais. Pour l’ensemble des essais, il a été observé que Rg/μ augmentait dans le temps à cause du colmatage progressif de la membrane.

Lors d’essais réalisés durant la période hivernale où la qualité de l’alimentation et sa température ont été assez stables, il y a eu un colmatage plus rapide de la membrane à vp et TRG plus élevés et à Qr plus bas. Lorsque vp est élevée, il y a davantage de matière qui est dirigée par convection vers la surface membranaire ce qui augmente la vitesse à laquelle le dépôt se forme. Lorsque le TRG est augmenté, cela augmente la concentration en matière organique et en sels de l’eau qui circule dans le module et donc la quantité de matière qui se dépose à la surface membranaire. Enfin, lorsque Qr est bas, le balayage de la surface de la membrane est diminué ce qui diminue le rétro-transport de la matière vers le cœur de l’écoulement tangentiel et augmente donc les probabilités de colmatage.

Lors d’essais réalisés dans les mêmes conditions d’opération à différentes périodes de l’année, l’augmentation de Rg/μ a été beaucoup plus rapide à l’hiver qu’au printemps. En température froide, l’efficacité de l’étape de coagulation-floculation du traitement conventionnel pourrait être réduite, résultant en une augmentation de la concentration de MON de l’alimentation combinée à un changement de nature de cette MON. Cela se serait traduit en un apport plus important de matières colmatantes à la surface de la membrane. Contrairement à ce qui a été vu dans la littérature, la fraction non-humique de la MON pourrait avoir une influence significative sur le colmatage. Le phénomène de dilution observé lors de la fonte des neiges pourrait expliquer le fait que Rg/μ a augmenté moins rapidement au début du printemps et plus rapidement par la suite.

Afin d’étudier davantage le phénomène de compression gâteau, de courts essais d’une durée d’environ 2 h chacun ont été réalisés avec les gâteaux accumulés à la fin de certains essais d’affinage. Pour ce faire, la différence de pression à travers le gâteau ΔPg a été modifiée en changeant la consigne de vp dans l’automate. La résistance du gâteau a été mesurée sur une gamme de ΔPg. Les résultats suggèrent que les gâteaux se compriment lorsque ΔPg augmente et qu’ils reprennent leur compacité initiale lorsque ΔPg diminue. Lors de ces courts essais, Rg/μ a augmenté linéairement avec ΔPg. De plus, les pentes des droites montrant la relation entre Rg/μ et ΔPg sont semblables. Cela permet de constater que des gâteaux accumulés lors d’essais d’affinage réalisés dans des conditions différentes et avec des eaux de composition quelque peu différentes, ont eu un comportement semblable en compression. Toutefois, la compressibilité des gâteaux a augmenté légèrement avec la température de l’eau. L’hypothèse d’une dilatation thermique permettrait d’expliquer ce phénomène.

Enfin, le colmatage des espaceurs contenus dans les canaux d'écoulement tangentiel du module à l’étude a aussi été suivi dans le temps en utilisant la corrélation obtenue à cet effet lors des essais de caractérisation du module. La cinétique de colmatage a alors été traduite par une augmentation équivalente du diamètre dF du brin de l’espaceur dans le temps. Il a été observé au cours des essais d’affinage à l’UTE de Sainte-Foy que les conditions d’opération de la NF ont peu influencé la cinétique de colmatage des espaceurs par rapport à la cinétique de colmatage de la membrane. La masse déposée dans les espaceurs grossiers constituant ces canaux dépend principalement de la concentration de matière qui se trouve dans l’eau à traiter. Par ailleurs, la perte d’intégrité du préfiltre lors de l’essai 1F a fait accélérer l’augmentation de dF. Il a aussi été observé que les substances obstruant les canaux peuvent être difficiles à enlever par de simples lavages chimiques. Il est donc très important de prévenir cette obstruction par une utilisation adéquate de la préfiltration.

Les résultats qui ressortent de cette étude montrent qu’il y a eu une perte significative de productivité du système membranaire causée par le colmatage, même avec la NF d’une eau de surface qui a subit les premières étapes d’un traitement conventionnel. Grâce aux lavages chimiques réalisés, le colmatage des membranes a été réversible. Par contre, l’obstruction des canaux d’écoulement tangentiels a été moins réversible. Avec les résultats de cette étude ainsi qu’avec d’autres considérations économiques, il serait possible d’optimiser le choix des conditions d’opération de la NF afin de minimiser ses coûts.

© Mathieu Bonnelly, 2005