La Microfiltration : Comment se compare-t-elle ?

La concentration accrue sur les technologies qui répondent à des exigences réglementaires plus strictes et la pression accrue du public ont incité les municipalités à considérer sérieusement les membranes de microfiltration (MF) comme une option de traitement viable. Cet article est destiné à vous familiariser avec les bases et à discuter de la façon dont il se compare aux alternatives conventionnelles.

Qu’est-ce que la microfiltration?

La microfiltration est l’un des nombreux procédés membranaires. L’eau brute est filtrée en passant à travers un matériau plastique ou polymère qui contient des millions de petits pores (voir Figure 1). La filtration se produit parce que les pores de la membrane sont suffisamment grands pour laisser passer l’eau, mais suffisamment petits pour limiter le passage de matériaux indésirables tels que les particules et les organismes pathogènes.

Comme cette filtration fait partie d’une « famille » de membranes, il est utile de la comparer à d’autres technologies membranaires, peut-être plus familières, dont l’osmose inverse (RO), la nanofiltration (NF) et l’ultrafiltration (UF). La principale différence entre les types de membranes est la taille des pores dans le matériau de la membrane: plus les trous sont petits, plus les matériaux que la membrane enlève sont petits. Chaque membrane a une gamme particulière d’applications pour lesquelles elle est la mieux adaptée (voir Tableau 1).

Cette membrane a une taille de pores typique de 0,2 µm. Il est le mieux adapté pour l’élimination des particules, de la turbidité, des solides en suspension et des agents pathogènes tels que Cryptosporidium et Giardia. Un oocyste de Cryptosporidium typique mesure environ 3p; 5 µm, soit 15p; 25 fois plus grand que les pores. Cette membrane fonctionne à des pressions basses d’environ 3p; 15 TMP.

Fonctionnement de la microfiltration

La configuration de la membrane peut varier d’un fabricant à l’autre, mais le type « fibre creuse » est le plus couramment utilisé. Les membranes de type fibre creuse sont coulées dans des tubes ou des pailles de petit diamètre, nominalement d’un mètre de longueur. Des milliers de ces pailles sont groupées ensemble et les extrémités sont collées dans une cloison époxy ou « rempotage ». »Les extrémités de l’empotage sont coupées pour permettre l’accès à l’intérieur des fibres à partir de l’extrémité de l’empotage. Les faisceaux sont ensuite scellés dans un boîtier généralement en PVC ou en acier inoxydable. L’empotage scellé crée un espace séparé et scellé dans le module qui isole l’accès à l’intérieur des fibres de l’accès à l’extérieur. Cette combinaison de membrane et de boîtier s’appelle un module. Il permet à l’eau d’être forcée à travers les parois de fibres sans court-circuit.

La conception du système est effectuée une fois que le débit et les conditions d’eau souhaités sont connus et qu’un pilote a été effectué pour déterminer le nombre requis de modules. Les modules sont ensuite canalisés ensemble de manière à permettre à l’eau d’être forcée d’un côté des fibres à travers la paroi membranaire et collectée du côté filtrat des modules.

Typiquement, l’eau est pompée de l’extérieur des fibres et l’eau propre est collectée de l’intérieur des fibres. C’est ce qu’on appelle le flux « extérieur-intérieur » (voir Figure 2). Ce sens d’écoulement est parfois inversé selon le fabricant et la configuration de la membrane.

Les membranes de microfiltration utilisées dans les applications d’eau potable fonctionnent généralement dans le régime d’écoulement « sans issue ». En écoulement sans issue, toute l’eau amenée à la membrane est filtrée à travers la membrane (voir Figure 3). Un gâteau de filtration qui doit être périodiquement lavé à contre-courant de la surface de la membrane se forme. Les taux de récupération sont normalement supérieurs à 90 pour cent sur les sources qui ont des aliments de qualité assez élevée et de faible turbidité.

Lavage à contre-courant

Un lavage à contre-courant périodique est effectué pour éliminer les matériaux filtrés de la surface de la membrane. Un lavage à contre-courant uniquement à l’eau évacue une poussée d’eau filtrée à travers la membrane pour soulever les sédiments de la surface et les évacuer vers les déchets. Certains fabricants utilisent un lavage à contre-courant chimique ou un lavage à contre-courant « air-ram » à haute pression. Cependant, l’objectif est le même quelle que soit la méthode: éliminer les solides de la membrane en soulevant la saleté. Le lavage à contre-courant est effectué une fois tous les 10p; 20 minutes et est normalement effectué sur une base chronométrée afin d’éviter un encrassement grave qui pourrait se produire si une pression importante s’accumulait entre les contre-lavages.

Nettoyage chimique

Même avec un lavage à contre-courant, les membranes MF s’encrassent lentement. Ceci est indiqué par une augmentation progressive de la pression de fonctionnement. Afin de maintenir les performances du système sur une période prolongée, un nettoyage chimique est utilisé. Habituellement préformé toutes les une à quatre semaines, il est utilisé pour nettoyer et stériliser la membrane. Plusieurs techniques de nettoyage chimique peuvent être utilisées, notamment le nettoyage au chlore (seules certaines membranes peuvent résister à cette méthode), le nettoyage à l’acide, le nettoyage caustique ou un certain nombre de solutions propriétaires.

Microfiltration vs. Les membranes MF conventionnelles

ont de nombreuses caractéristiques qui se comparent aux systèmes conventionnels, telles que la compétitivité des coûts. Au premier examen, il apparaît que le coût d’un emballage à membrane est plus élevé que celui d’un équipement pour filtres conventionnels. Cependant, le système MF est plus un ensemble complet que les filtres seuls. Une usine de MF d’eau de source est essentiellement complète. Il n’y a pas d’équipement de préalimentation chimique ou de commandes d’alimentation, pas de mélangeurs flash, pas de floculateurs et pas de travaux de béton compliqués tels que des bassins de décantation et de filtration. En conséquence, le coût total d’un système MF se compare souvent favorablement à son homologue conventionnel.

Les systèmes MF sont faciles à utiliser car la filtration, le lavage à contre-courant et le nettoyage sont tous effectués automatiquement. De plus, comme il filtre via un mécanisme de contrainte physique, le MF ne nécessite généralement pas de pré-alimentation chimique et son utilisation est réduite au minimum. Il n’y a pas de systèmes d’alimentation chimique compliqués à surveiller et à optimiser. De plus, comme presque toutes les bactéries, la turbidité et les agents pathogènes sont éliminés de l’eau, la quantité de post-chloration nécessaire peut également être réduite. Enfin, l’absence de pré-alimentation chimique signifie qu’aucune connaissance du mélange chimique et de la floculation n’est requise.<

Avec le mécanisme de filtration, la qualité de l’eau filtrée ne change pas avec des pics de qualité de l’eau brute. Étant donné que la membrane exclut toutes les particules supérieures à sa taille de pores, la membrane éliminera systématiquement les particules quelle que soit la quantité présente. Il en résulte qu’un pic de turbidité d’alimentation n’apparaîtra pas dans la turbidité de l’effluent. Les systèmes conventionnels, en revanche, nécessitent une surveillance et un fonctionnement étroits de la part de l’opérateur de l’usine, ce qui n’est pas toujours possible avec des systèmes plus petits où les opérateurs ne peuvent être sur place que par intermittence.

Les figures 4 et 5 représentent des données d’exploitation typiques tirées d’une étude réalisée pour une petite communauté. La source d’approvisionnement en eau est une source qui connaît des pics de turbidité relativement élevés pendant les tempêtes. Les graphiques concernent la turbidité brute et filtrée et le nombre de particules. Ils illustrent la cohérence de la qualité de l’eau filtrée sur la durée de l’étude.

Les membranes agissent comme une barrière physique aux agents pathogènes tels que Cryptosporidium et Giardia ainsi qu’aux bactéries. Une taille de pore MF typique est de 0,2 µm et un Cryptosporidium est compris entre 3p; 5 µm. Comme on le voit sur les graphiques, même le plus petit oocyste de Cryptosporidium est 15 fois plus grand que le pore de la membrane. Compte tenu des préoccupations croissantes du public concernant l’élimination des agents pathogènes dans l’eau potable, cette caractéristique est un avantage primordial.

Osmose inverse / Nanofiltration

Les membranes RO sont capables des séparations les plus fines et sont utilisées pour le ramollissement, la récupération chimique, le dessalement, l’élimination des nitrates et des sulfates et l’élimination du radium. Le NF, parfois appelé « osmose inverse qui fuit », est étroitement lié, capable de ramollir et d’éliminer la couleur, les précurseurs / produits organiques du THM, les pesticides, les métaux et les virus. L' »étanchéité » de la membrane est décrite en termes de Poids Moléculaire Coupé (MWCO) et de pourcentage de rejet de certaines substances ioniques telles que le sel. Dans de nombreux cas, une préalimentation chimique et un prétraitement approprié sont essentiels au maintien du fonctionnement de l’usine en minimisant l’encrassement. Les membranes RO fonctionnent dans la plage de pression trans-membranaire (TMP) de 200p; 500 psi pour la plupart des applications municipales. Les membranes NF fonctionnent généralement dans la plage TMP de 60p; 200 psi. TMP est la perte de pression à travers la membrane.

Ultrafiltration

Cette membrane a une taille de pores typique d’environ 0,002p; 0,05 µm (micron, 10-6 m, 1/25 000 pouce). L’ultrafiltration est souvent utilisée pour éliminer les macromolécules, les colloïdes, les virus et les protéines dans l’industrie biomédicale et pharmaceutique. L’ultrafiltration est parfois appliquée au traitement des eaux de surface ou souterraines pour une utilisation potable lorsque l’eau de source est constamment à faible turbidité avec peu de risques de pics. Ils fonctionnent généralement dans la plage TMP de 20p; 50 psi.

Conclusion

La microfiltration est une technologie en plein essor qui peut répondre aux besoins de pressions réglementaires et publiques de plus en plus strictes.

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