La recherche sur les technologies et procédés de traitement des eaux

1
La recherche sur les technologies et
procédés de traitement des eaux
Raymond Desjardins, ing.
Professeur
Le génie de l’eau, source d’avenir
9 ième journée de la recherche de Polytechnique, 27 mai 2010

2
Mise en contexte
• L’eau est un solvant universel:
▫ Contamination d’origine naturelle et humaine
• Pendant longtemps: « La dilution est la
solution »
• La biodégradation nous a rendu de grands
services
▫ Après un certain temps l’eau récupère ses qualités:
• Sanitaires
• Esthétiques
• Écologiques

3
Ce qui a fait évoluer le dossier
• Le dossier évolue à coup de catastrophes
▫ Épidémies
• Une meilleure mesure des effets sur
l’environnement
▫ Éco-toxicologie

4
Deux grands thèmes
• Eau d’approvisionnement
▫ Consommation humaine: aliment
• Standards de qualité élevés
• Normes basées sur les aspects sanitaires
• Les rejets d’eaux usées
▫ Eaux d’égouts domestiques
▫ Eaux usées industrielles
▫ Rejets agricoles (Pollution diffuse)
• Normes de rejets

5
Première catastrophe
• Londres 1854
▫ Épidémie de choléra: environ 10 000 morts
▫ La plupart des malades habitent près du puits de
« Broad street »
▫ On croit plutôt que les « miasmes » sont
responsables de l’épidémie.
▫ Construction des égouts de Londres pour
contrôler les odeurs.
▫ Déversement dans la Tamise: Dilution

6
Dernière moitié du 19 ième siècle
• Microbiologistes font le lien entre les
microorganismes et les maladies
• On développe la filtration lente
• On utilise le chlore comme désinfectant

7
Début du 20 ième siècle
• La loi de Chick-Watson (1908)
▫ Encore utilisée pour prédire: dose-réponse (Cl 2 )
• Développement des procédés de base:
▫ Coagulation
▫ Floculation
▫ Décantation
▫ Filtration
▫ Désinfection

8
Évolution de la décantation
Type de décanteur
Charge superficielle
(m 3 /m 2 h)
Statique 1
À tubes 2-4
À voile de boues 4-10
À flocs lestés 40-60

9
Évolution de la filtration
Type de
filtration
Charge superficielle
(m/h)
Lente 0,2 à 0,4
Sable rapide 5
Sable et
anthracite
10

10
La désinfection
• On développe la chloration
▫ Production du chlore
▫ Mise en application du chlore
▫ Réaction du chlore avec l’ammoniac et les produits
azotés
• Chlore: contrôle des épidémies
• Lune de miel avec le chlore jusqu’en 1974

11
Eaux usées: de 1850 à 1978
• La solution est la dilution
• La presque totalité des eaux usées de la Province
de Québec sont déversées directement dans
l’environnement
• Le débit du fleuve Saint-Laurent a permis cette
pratique
▫ Pouvoir de dilution important
▫ Faible densité de population

12
Eau potable: 1974
• Fin de la lune de miel avec le chlore
• Mise en évidence de la réaction du chlore avec la
matière organique naturelle:
▫ Production de trihalométhanes (THM)
▫ THM sont soupçonnés être cancérogènes
• Cela a stimulé la recherche
▫ Plusieurs questions de recherche

13
Recherche: Chloration vs THM
• Caractérisation de la matière organique
naturelle
• Quelles molécules sont de bons précurseurs?
• Mécanismes de réaction du chlore avec les
précurseurs?
• Effets des unités de traitement sur les
précurseurs?
• Modifications possibles des chaînes de
traitement?

14
Produits de remplacement?
• Peut-on remplacer le chlore par un autre
désinfectant?
▫ Bioxyde de chlore (ClO 2 )
▫ Monochloramine (NH 2 Cl)
▫ Ozone (O 3 )
• Ozone: bon désinfectant
▫ Effet virulicide important
▫ Pas de rémanence
▫ Oxydant très puissant: Sous-produits d’oxydation?

15
Durant les années 80
• Les sous-produits de désinfection et d’oxydation
▫ Identification
• Mise au point des techniques analytiques
▫ Mesure des concentrations
• Détermination de la toxicité
• Détermination des « Concentrations maximales
acceptables » (CMA)
▫ Basées sur un niveau de « risque acceptable »

16
Le risque acceptable
• Pour les produits chimiques: 10 -6 à vie
▫ Un million de personnes (10 6 )
▫ Boivent 2 litres d’eau par jour
▫ Chaque litre contient la CMA
▫ Après une vie (70 ans) il y aura un malade
supplémentaire
• Trop de SPD pour les contrôler tous: Indicateurs
▫ THM et Acides haloacétiques
▫ On élimine les précurseurs avant d’ajouter le
désinfectant

17
Eaux usées: Après 1978
• Programme d’assainissement des eaux (7 M$)
▫ Programme pour relancer l’économie
• L’origine des rejets:
▫ Agricole: 70 %
▫ Industriel: 22 %
▫ Domestique: 8 %
• Programme qui vise les rejets domestiques (dans
un premier temps)

18
Eaux usées domestiques (1978- )
• Primaire: Matières en suspension
• Secondaire: Matière organique dissoute
• Tertiaire: Phosphore, microorganismes, (Azote)

19
Eaux usées industrielles (1986- )
• Surtout réduction à la source

20
Rejets agricoles (1994- )
• Pollution diffuse
• Changer les pratiques agricoles
• Vise le contrôle de l’azote et du phosphore

21
Optimisation des stations
d’épuration
• Affluents dilués à cause de la pluviométrie
• Eaux froides en hiver

22
Eaux potables: Années 90
• Les années de la microbiologie
• 1993: Épidémie de Milwaukee
▫ 400 000 malades
▫ Les normes ont été respectées
• Avant l’épidémie
• Pendant l’épidémie et
• Après l’épidémie
▫ La cause: « Cryptosporidium parvum »
▫ Un protozoaire résistant à la désinfection

23
Les protozoaires
• Résistants face à tous les désinfectants
chimiques
• Survivent longtemps sous forme de kystes
• Pas de méthodes de mesure fiables et applicables
au traitement des eaux
• L’obligation de résultats n’est plus possible
▫ On doit se contenter d’une obligation de moyens
• Recherche nécessaire pour définir cette
obligation de moyens (Retour à la loi de Chick-
Watson)

24
Depuis le début des années 2000
• Les cyanobactéries
• Les toxines algales
• Les produits pharmaceutiques

25
Les cyanobactéries
• Croissance favorisée par les phosphates
▫ Meilleure épuration des eaux
▫ Autres facteurs qui affectent leur prolifération
• Production de toxines algales
• Questions de recherche
▫ Les cyanobactéries peuvent-elles atteindre les
prises d’eau?
▫ Les cyanobactéries forment-elles toujours des
toxines algales?

26
Traitement: Cyanobactéries
• Comment traiter une eau contenant des
cyanobactéries?
• Comment traiter une eau contenant des toxines
algales?
▫ Quelles toxines algales peuvent être présentes
dans l’eau?
▫ Comment mesurer les concentrations de toxines?
▫ L’oxydation des toxines algales produira quels
sous-produits?

27
Les produits pharmaceutiques
• Il y a plus de 85000 produits pharmaceutiques
rejetés dans les eaux d’égouts
▫ Lesquels mesurer?
▫ Les concentrations sont très faibles.
▫ Ce sont habituellement des produits résistants
• Comment les contrôler?

28
Eaux usées: années 2000
• La toxicité:
▫ Montréal: Point de rejet toxique le plus important
au Canada: Azote
▫ Les composés chlorés (Pas au Québec)
▫ Les micropolluants

29
Traitement des eaux: Travail
d’équipe
• Chimistes:
▫ Identification et mesure des concentrations de
substances toxiques (SPD)
• Microbiologistes:
▫ Identification et mesure des concentration de
microorganismes (protozoaires)
▫ Mise au point des obligations de moyens
• Ingénieurs:
▫ Intégrer les connaissances scientifiques dans une
usine de traitement ou une station d’épuration
pour atteindre les objectifs fixés

30
Travail à trois échelles
• Échelle laboratoire
• Échelle « Banc d’essais »
• Échelle pilote

31
Ce que le CREDEAU permet de
faire
• Nous avons les moyens analytiques pour
travailler efficacement
• Nous pouvons travailler aux échelles:
▫ Laboratoire
▫ Banc d’essais
▫ Pilote
• Notre réseau de contact nous permet des
collaborations étroites avec les exploitants
d’usines de traitement et de stations d’épuration

32
Appareils analytiques de pointe
Détection des toxines algales et
des produits pharmaceutiques
(LC/MS/MS > 700 000 $)
Analyse des goûts et
odeurs
(GC/MS > 250 000 $)
Analyse des composés
« ultra-traces »
(métaux) (ICP/MS >
250 000 $)

33
Unité pilote mobile de traitement
conventionnel
•Système de pompage et prétraitement
• Floculation conventionnelle
• Floculation et décantation lestée
• Filtration granulaire (conventionnelle ou directe)
• Ozonation
• Panneau de contrôle

34
Unité pilote mobile de traitement
conventionnel
•Coût supérieur à 1.2 M$
• Envergure de 20 m (L) x 5 m (l) x 8 m (H)
• Masse de 16 400 kg (à vide) à 18 200 kg (en opération)

35
Boues activées (BA+) multitraitements
• Boues activées classique
• Média sans ou avec boues activées (MBBR ou IFFAS)
• RBS (Réacteur Biologique Séquentiel)
• BRM (Bioréacteur à Membranes)
• FPB (Faible Production de Boues)

Questions?
36