Étude pilote d'affinage par nanofiltration pour la production d'eau potable

Table des matières

RÉSUMÉ

Un traitement conventionnel suivi d’un affinage par nanofiltration (NF) permet de produire une eau potable de qualité exceptionnelle à partir d’une eau de surface, et ce tout en minimisant le colmatage des membranes de NF et en favorisant l’approche multibarrières. L’objectif principal de la présente étude est d’évaluer l’effet des conditions d’opération de la NF sur la productivité de ce traitement d’affinage. Des essais pilotes ont été réalisés entre octobre 2003 et mai 2004 à l’usine de production d’eau potable de l’ancienne ville de Sainte-Foy qui traite l’eau du fleuve Saint-Laurent. Les résultats montrent comment évolue la qualité de l’eau nanofiltrée et la résistance hydraulique additionnelle associée au colmatage des membranes, et ce en fonction des conditions d’opération de la NF, de la qualité de l’eau produite par le traitement conventionnel et de la compressibilité du dépôt colmatant. De plus, les dépôts qui se forment dans les canaux d’écoulement tangentiel des modules spiralés sont quantifiés indirectement par le suivi des pertes de charge.

AVANT-PROPOS

Après mon stage de fin de baccalauréat sur des essais de NF à l’échelle laboratoire à l’Université Laval à l’été 2002, j’ai su que j’aimerais étudier davantage les applications de la filtration membranaire dans le domaine de l’eau potable. J’ai eu le goût, pour mes études de deuxième cycle, de continuer à travailler en NF, mais cette fois à l’échelle pilote. Je considère aujourd’hui la recherche sur les nouvelles technologies de production d’eau potable comme un secteur plus que fondamental au 21^ème siècle. Je suis très satisfait du travail accompli au cours de ma maîtrise et je considère cette étude pilote comme une expérience unique qui m’a permis de me spécialiser dans un domaine où je pourrai m’épanouir puisque je me sentirai utile à la société. J’ai aussi pu, à ma façon, contribuer à la recherche en filtration membranaire appliquée à la production d’eau potable. Malgré ma grande détermination, je n’aurais pas pu atteindre un tel degré de satisfaction et de réussite sans l’aide de nombreuses personnes.

J’aimerais premièrement remercier M. Christian Bouchard, mon directeur de recherche, professeur au département de génie civil de l’Université Laval, pour son étroite collaboration au projet et ses conseils judicieux. Il a su me faire confiance et me donner de nombreux degrés de liberté tout en me venant en aide lorsqu’il le jugeait nécessaire. Cette approche a été pour moi très bien venue.

Je remercie aussi Richard Lemieux, mon superviseur en milieu de pratique, directeur technique chez Degrémont, de m’avoir donné la chance de faire ma maîtrise en collaboration avec la prestigieuse société Degrémont, bien connue dans le domaine du traitement des eaux. J’ai bien apprécié la méthode de travail qu’il a su me transmettre et ses nombreux encouragements. Merci aussi à Jean Simard, de chez Degrémont, pour son support technique et ses bons conseils.

Je veux aussi remercier Daniel Lessard et André Normand de la ville de Québec, pour avoir autorisé la tenue du projet dans une usine de production d’eau potable de la ville de Québec. Merci aussi aux travailleurs de l’usine de Sainte-Foy pour m’avoir accueillis et supporté de façon fantastique : Damien Roy, contremaître de l’usine, ainsi que les techniciens en mécanique et en instrumentation et spécialement tous les opérateurs pour leur aide généreuse dans l’échantillonnage. Je voudrais aussi remercier François Proulx et Frédéric Aubin, du Centre Analytique de la ville de Québec pour les analyses bactériologiques et pour les rapports d’analyse physico-chimiques qu’ils m’ont transmis.

J’aimerais dire un grand merci à Michel Bisping, technicien au laboratoire d’environnement du département de génie civil de l’Université Laval, pour avoir répondu clairement à mes interrogations d’ordre technique durant ma démarche expérimentale au laboratoire. Merci aussi à Christine Frenette et Sabrina Simard qui ont réalisé la majorité des analyses physico-chimiques. De plus, j’aimerais remercier Adrian Tamas et Christine Beaulieu, des collègues de travail sympathiques et généreux.

Je tiens aussi à remercier du fond du cœur mes proches qui m’ont beaucoup encouragé à persévérer dans ma démarche. Plus spécialement, merci à ma copine Nathalie, pour m’avoir soutenue moralement et m’avoir donné de bons conseils pour être plus productif au travail. Merci aussi à ma mère Lise, mon père Claude et mon frère Simon qui m’ont souvent encouragé.

Enfin, je dois aussi remercier le fond de recherche sur la nature et les technologies (FQRNT) et la société Degrémont pour m’avoir attribuer conjointement une bourse en milieu de pratique pour ma maîtrise. J’ai ainsi pu vivre confortablement au cours des deux dernières années.

LISTE DES SYMBOLES ET ABRÉVIATIONS

Symbole	Signification	Unités SI
ΔP	Perte de charge	Pa
ΔP_g	Gradient de pression à travers le gâteau colmatant	Pa
ΔP_M	Pression transmembranaire moyenne	Pa
a	Paramètre d’obstruction des canaux d’écoulement tangentiels
A	Perméabilité à l’eau pure	m/(s.Pa)
A_eff	Section libre d’un canal d’écoulement tangentiel	m²
Alc	Alcalinité	mg/L CaCO₃
b	Largeur d’un canal d’écoulement tangentiel	m
C	Concentration	kg/m³
Cte	Constante qui dépend de la masse volumique du dépôt et de la longueur totale des brins d’espaceur grossier	kg/m²
D	Diamètre interne	m
d	Diamètre du tube collecteur de perméat	m
d_F	Diamètre d’un brin de l’espaceur grossier	m
d_H	Diamètre hydraulique d’un canal d’écoulement tangentiel	m
f	Séparation	%
F	Constante de Faraday	C/(g.éq)
h	Hauteur d’un canal d’écoulement tangentiel	m
I	Force ionique	mM
I_L	Indice de Langelier
J	Flux volumétrique	m/s
k	Coefficient de transfert de matière	m/s
K_L	Coefficient de perte de charge
l	Longueur de l’embout du tube collecteur de perméat	m
L	Longueur d’un canal d’écoulement tangentiel	m
LL	Longueur totale du module	m
L_M	Distance entre deux brins de l’espaceur grossier	m
M	Masse molaire du soluté	kg/mole
m	Valence de l’ion
M_W	Masse molaire de l’eau	kg/mole
n	Constante qui dépend du régime d’écoulement
N	Nombre de canaux dans un module spiralé
n_b	Nombre d'ions par molécule du soluté
P	Pression	psi
Q	Débit	L/min
R	Résistance	Pa.s/m
(R_AT-R_A0T)/μ	Résistance additionnelle corrigée	10¹² m^-1
r	Résistance spécifique du gâteau	m/kg
Re	Nombre de Reynolds
R_GAZ	Constante des gaz parfaits	J/(mole.K)
S	Surface membranaire	m²
s	Coefficient de compressibilité du gâteau
S_VSP	Surface spécifique de l’espaceur	m^-1
t	Temps	H
T	Température	°C ou K
TR	Taux de récupération	%
V	Volume cumulé	m³
v	Vitesse	m/s
v_p	Vitesse de perméation	L/(h.m²)
V_W	Volume molaire partiel de l’eau	m³/mole
Y	Coefficient de diffusion du soluté	m²/s
Symbole grec	Signification	Unités SI
Ω	Conductivité électrique	μS/cm
δ	Épaisseur de la couche limite de concentration	M
χ	Coefficient de friction
λ	Conductance ionique limite	A/m²
ω	Constante qui dépend de la géométrie du canal et de l’espaceur grossier
ε	Porosité de l’espaceur grossier
β	Coefficient de correction en température
α	Coefficient d’attachement
μ	Viscosité dynamique	Pa.s
ν	Viscosité cinématique	m²/s
ρ	Masse volumique	kg/m³
Φ₀	Coefficient osmotique du soluté
Δπ	Gradient de pression osmotique	Pa
π	Pression osmotique	Pa

Indice	Signification
0	Initial
25	à une température de 25°C
A	Additionnelle
a	Alimentation
br	Brute
ec	Entrée caisson
em	Entrée module
es	Entre l’entrée et la sortie du module
et	Moyenne dans l’écoulement tangentiel
f	Finale
g	Gâteau
G	Global
i	Initiale
m	Membrane
M	Module
ob	Observé
p	Perméat
pf	Préfiltre
r	Recirculation
re	Réel
sc	Sortie caisson
sm	Sortie module
SP	Espaceur grossier
T	À la température T
tot	Total

Abréviation	Signification
BHAA	Bactéries hétérotrophes aérobies et anaérobies
CAG	Charbon actif en grains
CAP	Charbon actif en poudre
COD	Carbone organique dissous
CODB	Carbone organique dissous biodégradable
COT	Carbone organique total
CPV	Chlorure de polyvinyle
DEG	Diéthylène glycol
EDTA	Acide éthylènediamine-tétra-acétique
HAP	Hydrocarbures aromatiques polycycliques
MDDEP	Ministère de du développement durable, de l’environnement et des parcs du Québec
MF	Microfiltration
MON	Matière organique naturelle
MWCO	« Molecular Weight Cut Off »
NF	Nanofiltration
OI	Osmose inverse
RQEP	Règlement sur la qualité de l’eau potable
PE	Prise d’eau
SDI	« Silt Density Index »
SP	Station de pompage
SPC	Sous-produits de chloration
SPD	Sous-produits de désinfection
SUVA	« Specific UV absorbance »
TC	Traitement conventionnel
THM	Trihalométhanes
UF	Ultrafiltration
UL	Université Laval
UTE	Usine de traitement d’eau
UTN	Unité de turbidité néphélémétrique
UV_254nm	Absorbance UV à 254 nm


Étude pilote d'affinage par nanofiltration pour la production d'eau potable		Chapitre 1 INTRODUCTION


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