Le changement climatique a un impact profond sur la teneur et les caractéristiques de la MON dans les eaux de surface par le biais de divers mécanismes complexes, faisant de la MON un polluant majeur dans le traitement de l'eau potable. Les sources d'eau à haute -NOM présentent généralement une couleur élevée et un COD (doses par unité de surface) élevé. La MON provoque non seulement des problèmes de couleur et d'odeur dans les plans d'eau, mais réagit également avec les désinfectants pour générer des sous-produits cancérigènes.
Les procédés traditionnels de traitement de l'eau potable ont une efficacité limitée d'élimination de la MON, tandis que les procédés conventionnels à membrane organique souffrent d'inconvénients tels qu'une sensibilité à l'encrassement et une mauvaise résistance à la corrosion. La membrane céramique couplée à la coagulation fournit une solution innovante, à faible-consommation d'énergie-, compacte et très stable pour purifier les eaux de surface à haute-NOM.
Trois méthodes de prétraitement : du traditionnel à la compacité ultime
Une équipe de recherche européenne a conçu et comparé trois modèles de prétraitement par coagulation et floculation, obtenant ainsi une optimisation continue du flux de processus tout en garantissant l'efficacité du traitement :
1. Coagulation/Floculation traditionnelle à deux -réservoirs
En tant que mode de traitement classique, ce processus utilise une conception de réaction en deux - étapes : une cuve de mélange rapide et une cuve de floculation lente. L'eau brute et le coagulant sont soigneusement mélangés dans la cuve de mélange rapide avant d'entrer dans la cuve de floculation pour terminer la croissance du floc, avec un temps de rétention hydraulique total (HRT) de 21 minutes. Ce mode permet une réaction approfondie mais nécessite une empreinte au sol importante et entraîne des coûts de construction élevés.
2. Mode de mélange rapide
Ce mode simplifie le flux du processus, en éliminant le réservoir de floculation lente et en ne conservant que l'unité de mélange rapide. Le coagulant et l'eau brute sont mélangés et entrent directement dans le module membranaire, réduisant le temps de rétention hydraulique à 7 minutes. Tout en conservant l’efficacité de base du traitement, il simplifie considérablement la configuration des équipements.
3. Mode de floculation tubulaire en ligne
Il s’agit de la solution compacte la plus innovante de cette étude. Le déroulement du processus est le suivant : eau brute + coagulant → mélange de pompe d'alimentation à membrane → floculant tubulaire → membrane céramique → perméat. Il n’y a pas de cuve de réaction tout au long du processus ; le mélange et la floculation sont effectués via des pipelines. Le temps de rétention hydraulique (HRT) n'est que de 45 secondes et la valeur G- est contrôlée à 330 s⁻¹. Il a la plus petite empreinte parmi les trois modes.
Paramètres de base : prise en charge du matériel à membrane en céramique
L'expérience a utilisé une membrane céramique qui, en raison de ses propriétés de matériau inorganique de résistance chimique et de résistance mécanique élevée, est devenue le support matériel de base pour un fonctionnement stable du processus.
Résultats expérimentaux : Élimination à haute-efficacité + double avantage à faible-pollution
L'étude a utilisé le DOC, la couleur et les UV₂₅₄ comme indicateurs d'évaluation de la NOM et la différence de pression transmembranaire (TMP) comme indicateur d'évaluation de l'encrassement de la membrane, optimisant ainsi le type, le dosage et la valeur du pH des coagulants.
L’expérience a comparé le chlorure de polyaluminium et le chlorure ferrique, et les résultats ont été très éclairants :
Suppression des documents :
Les sels d'aluminium ont atteint un taux d'élimination de 50 à 85 % à pH 5,5, augmentant avec l'augmentation du dosage.
Les sels de fer ont atteint un taux d'élimination maximal de 87 % à un pH de 4,5 et à 10 mg/L.
Suppression des couleurs :
Aluminum salts were optimally removed at pH 5.5, with a dosage as low as 2 mg/L achieving a removal rate >90%.
Les sels de fer ont été éliminés de manière optimale à pH 5,0, ce qui nécessite 6... L'obtention de résultats équivalents nécessite des concentrations supérieures à mg/L.
L’une des principales conclusions de l’étude est que plus de coagulant n’est pas nécessairement meilleur.
À 2 mg/L de sel d'aluminium : neutralisation des charges insuffisante, petits flocs et colmatage facile des pores de la membrane.
À 5 mg/L de sel d'aluminium : une stabilisation de la charge peut se produire ou la charge superficielle de la membrane peut être trop élevée.
À 3 mg/L de sel d'aluminium : l'encrassement de la membrane est le plus faible et le fonctionnement est le plus stable.
Cela signifie qu’il est plus important d’optimiser le dosage que de l’augmenter aveuglément.
Concernant l’encrassement de la membrane, il présente une stabilité extrêmement forte, avec un très faible encrassement irréversible de la membrane. À un dosage de sel d'aluminium de 3 mg Al/L, le taux d'encrassement de la membrane atteint un niveau optimal, avec une augmentation de pression en un seul -cycle de seulement environ 40 mbar. Combiné avec un lavage à contre-courant régulier, un fonctionnement stable à long terme - peut être maintenu.
Il convient de noter que la concentration résiduelle en métaux dans l’effluent est un indicateur limitant essentiel pour le fonctionnement du procédé. Dans la plage de pH optimale de 4,5 à 5,5 pour l'élimination de la MON, les concentrations résiduelles d'aluminium et de fer dépassent facilement 150 ug/L (les limites pour l'aluminium dans les « Standards pour la qualité de l'eau potable GB5749-2022 » sont de 200 ug/L et pour le fer, de 300 ug/L). En ingénierie pratique, il est nécessaire d'équilibrer la valeur du pH et le dosage du coagulant, en tenant compte à la fois de l'efficacité de l'élimination et de la sécurité des effluents.
Le mode de floculation tubulaire en ligne est l'option préférée
La comparaison des trois modes de prétraitement a révélé :
Les taux d’élimination de la couleur et du DOC étaient tous deux d’environ 80 %, avec des différences négligeables.
Les taux d’encrassement irréversible de la membrane étaient similaires (0,06 à 0,10 mbar/h).
La turbidité des effluents est restée constamment inférieure à 0,1 NTU.
Les trois modes n'ont montré aucune différence significative en termes d'efficacité d'élimination de la MON, mais le mode de floculation tubulaire en ligne, avec son temps de rétention hydraulique ultra-court de 45 secondes et sa conception minimaliste sans réservoir de réaction, est devenu le choix optimal.
Cette étude confirme que le procédé coagulation-floculation + membrane céramique est pleinement applicable aux besoins de purification des eaux de surface à forte teneur en NOM (teneur normale en oxygène) : un faible dosage de coagulant permet d'obtenir un traitement conforme ; la membrane céramique est lavable et a une longue durée de vie ; et sa consommation d'énergie de fonctionnement est bien inférieure à celle des processus traditionnels. Le mode de floculation tubulaire en ligne brise la limitation de l'empreinte au sol inhérente aux processus traditionnels de traitement de l'eau, en fournissant un support technique pour la construction d'usines d'eau potable compactes et intelligentes.
Conclusion
Confronté à des normes de qualité de l'eau potable de plus en plus strictes et aux défis de la pollution des sources d'eau, le processus de prétraitement par coagulation-membrane céramique équilibre l'efficacité du traitement avec la réduction des coûts de génie civil. Avec ses principaux avantages d'élimination à haute efficacité-, de faible pollution, de conception compacte et de faible consommation d'énergie, il offre une nouvelle approche pour les usines de traitement de l'eau traitant de sources d'eau à haute teneur -organique- (telles que l'eau de réservoir au sud et certaines eaux de rivière au nord).