Réduction du colmatage membranaire par ozonation et filtration sur charbon actif

À l'initiative d'une coopération entre la Chaire Industrielle CRSNG en Eau Potable et l'entreprise John Meunier Inc., l'impact d'un prétraitement constitué d'une ozonation suivie d'une filtration sur charbon actif biologique (CAB) sur le colmatage de membranes basse-pression (MBP) a été étudié en laboratoire et sur une usine pilote. Les performances des prétraitements ont été mesurées en utilisant un indice récemment développé: l'Unified Membrane Fouling Index (UMFI). Cet indice permet de différentier le colmatage total (UMFIT) du colmatage physiquement irréversible (UMFIR) et chimiquement irréversible (UMFIC). Un intérêt particulier a été adressé à sa limite de détection (UMFIMIN), jamais abordé auparavant. La MBP en polymère (polyéthersulfone et polyvinilpyrrolidone PES/PVP, dpores = 0,025 μm) a montré de meilleures performances en eaux brutes que les deux MBP en céramique (carbure de silice SiC, dpores = 0,005 μm; dioxyde de titane TiO2, dpores = 0,100 μm), probablement en raison de son flux d'opération plus faible. L'ozonation a permis de diminuer le colmatage des trois membranes étudiées. La diminution du colmatage a été associée à l'abattement de la fraction hydrophobique de la matière organique naturelle (acides humiques et fulviques). Il était cependant nécessaire d'éviter de mettre en contact un résiduel d'ozone avec la MBP en polymère pour éviter de compromettre son intégrité physique. Aucun impact significatif n'a été observé entre l'ozonation et la filtration CAB en laboratoire. En usine, une légère amélioration (7,5 %) du colmatage total a été observée après la filtration CAB, mais aucun impact sur le colmatage physiquement. Les UMFIT mesurés avec le montage expérimental sous-estimaient les UMFIT observés à l'usine d'un facteur 3. Les différences ont été attribuées à des facteurs d'échelle, des modes d'opérations et une qualité d'eau prétraitée différents de ceux en usine. En l'absence de précurseurs du colmatage ne pouvant être observé en continu, l'UMFI se présente donc comme un indice de colmatage facile à mettre en place. Le montage expérimental développé dans ce mémoire nécessiterait cependant des améliorations afin d'éviter de sousestimer le colmatage observé en usine. Le développement d'un montage automatisé et sa comparaison avec l'usine pilote seraient une perspective logique à ce projet de recherche.

Abstract

Cooperation between the Industrial-NSERC Chair in Drinking Water and John Meunier Inc. led to the study of ozonation followed by biological activated carbon (BAC) filtration as a mean of reducing low pressure membrane (LPM) fouling. Pretreatments performances were measured using the Unified Membrane Fouling Index (UMFI) in a laboratory and full scale pilot. This index distinguished the total fouling (UMFIT) from the physically irreversible fouling (UMFIR) and the chemically irreversible fouling (UMFIC). The detection limit of the UMFI method (UMFIMIN) has been studied, which is unique in the literature. Polymeric LPM (polyethersulfone and polyvinilpyrrolidone PES/PVP, d = 0.025 μm) showed better performances with raw waters than the two ceramic LPM (Silicon carbide, d = 0.005 μm; Titanium dioxide, d= 0.100 μm), most likely due to its lower permeate flux. Ozonation reduced fouling for the three membranes studied by reacting with the low molecular weight hydrophobic fraction (humic and fulvic acids) of the natural organic matter (NOM). It was however necessary to avoid any contact between ozone residual and the polymeric membrane to prevent its loss of integrity. Biofiltration had no significant impact on membrane fouling in the laboratory. The pilot showed a slight improvement (7.5 %) of the total fouling after biofiltration, but no significant impact on irreversible fouling. The UMFIT measured at the laboratory underestimated the UMFIT observed at the pilot by a factor 3. Scale-up effects, differences in operating mode and water quality are likely the cause of these differences. Without fouling precursors easily monitored continuously, the UMFI was a good indicator for fouling and easy to utilize. The tests performed at laboratory-scale required improvements in order to avoid underestimating the UMFIT observed at full-scale. Automation of the laboratoryscale pilot and its comparison with a full-scale plant would be a logical perspective to this research project.