• Gagner la bataille contre la formation du film biologique

    Les membranes composites d’osmose
    inverse (OI) à couche mince de
    polyamide comme barrière active ont
    accéléré la croissance exponentielle
    de l’osmose inverse en tant qu’opération
    physique économiquement viable
    pour la technique de traitement de
    l’eau. Le format compact de l’élément
    en spirale a également évolué, ce qui
    accroît le rendement de chaque élément/
    module et fait des éléments en
    spirale la configuration idéale pour les
    applications de traitement de l’eau. À
    mesure que la technologie d’osmose
    inverse (OI) se généralise, ses applications
    se diversifient et elle est
    désormais utilisée dans des installations
    où l’eau influente est chargée de
    micro-organismes. De nombreux
    chercheurs ont étudié les dépôts biologiques
    dûs à des développements
    bactériens (bio-encrassement) et
    attribuent le début de formation du
    film biologique à l’adhérence moléculaire
    initiale de la matière vivante sur
    les surfaces. Les variables suivantes
    jouent un rôle essentiel dans les
    procédés à membrane:
    • Source d’eau d’alimentation et type
    de bactéries
    • Surface de la membrane
    • Composition chimique de la membrane
    • Variables de fonctionnement, par
    ex.: pression de l’eau d’alimentation,
    débit, taux de conversion et
    température
    • Apport de nutriants
    • Prétraitement (avant l’OI)
    • Présence de particules inorganiques
    • Autres conditions particulières au
    site
    Le bio-encrassement a, sur le rendement
    d’une membrane (élément) d’OI,
    les effets réducteurs suivants:
    • Perte ou réduction du flux de perméat,
    entraînant une baisse de la
    productivité
    • Augmentation de la pression différentielle
    et, par conséquent, de la
    consommation énergétique

    • Augmentation de la fréquence des
    nettoyages chimiques et donc des
    coûts de fonctionnement et d’entretien
    • Diminution de la qualité du perméat
    • Réduction de la durée de vie utile
    de l’élément membranaire
    Afin d’améliorer le rendement des
    éléments d’OI utilisés dans les conditions
    mentionnées précédemment,
    Dow a mis au point une série d’éléments
    d’OI résistants au colmatage
    (fouling resistant – FR). Cette brochure
    donne un aperçu du développement
    de l’élément FR.

    II. Étude de la formation du film
    biologique à la surface de la membrane
    composite à couche mince
    de polyamide et sur les parois des
    autres composants de l’élément
    d’osmose inverse

    Selon la définition donnée par le regretté
    professeur William G. Characklis
    de l’université du Montana, l’encrassement
    biologique est le développement
    d’un dépôt microbiologique sur
    une surface. Le film biologique est
    donc un film organique composé de
    micro-organismes vivants ou morts,
    enrobés dans une matrice polymérique
    formée à partir des polysaccharides
    (ou exopolysaccharides) de
    leurs sécrétions.

    Le type (souche) et la concentration
    (exprimée en CFU/ml) des bactéries
    présentes dans l’eau dépendent de la
    source d’alimentation. Les installations
    d’osmose inverse qui fonctionnent
    dans le monde pompent l’eau de
    surface des puits, océans, lacs, réservoirs,
    ainsi que les eaux résiduaires.
    Bien que cette brochure ne vise pas à
    dresser la liste exhaustive des bactéries
    responsables de la formation
    du film biologique ni à les décrire, l’étude
    de la documentation amène à
    conclure que le type de bactérie, la
    concentration de bactéries mortes et
    vivantes, la quantité de nutriants et la
    température de l’eau, ont une influence
    déterminante sur l’apparition du
    film biologique. La plupart des exopolysaccharides
    qui produisent les
    micro-organismes étudiés utilisent les
    glucides comme source de carbone
    et d’énergie et du sel d’ammonium ou
    des acides aminés comme source
    d’azote. Ceci explique pourquoi la
    composition chimique de certaines
    membranes d’OI utilisées dans un
    «environnement favorable» contribue
    parfois à la formation du film biologique
    à la surface de la membrane.
    L’analyse des éléments d’OI colmatés
    révèle la formation d’une couche de
    vase sur la membrane et l’espaceur.
    Le dépôt observé sur ce dernier composant
    amène à émettre l’hypothèse
    que la conception géométrique joue un rôle important. Depuis la fin de
    1995, les spécialistes de la recherche
    chez Dow, en chimie des polymères,
    microbiologie, chimie analytique et en
    développement des méthodes de
    mesure travaillent en collaboration
    avec les scientifiques de FilmTec

    Corporation pour mieux comprendre
    la formation du bio-encrassement et
    développer des techniques et produits
    de séparation par membrane d’osmose
    inverse. Selon les résultats de
    leurs travaux et les documents publiés,
    pour obtenir une surface de
    membrane qui résiste au colmatage
    pendant une durée de vie utile normale,
    il faut porter une attention particulière
    aux facteurs suivants:
    • Réduire l’absorption des sécrétions
    protéiniques.

    • Diminuer l’énergie de liaison attribuable
    aux forces de Van der
    Waals et aux forces électrostatiques,
    (p. ex, le potentiel zêta).

    • Uniformiser la polymérisation de la
    couche barrière en polyamide de
    0,2 micron.
    • Retarder la formation du film biologique.
    • Repérer les modes de fonctionnement
    qui déclenchent le nettoyage
    chimique des membranes bioencrassées.
    • Optimiser la synergie de la membrane
    résistante au colmatage à
    l’aide d’un programme de contrôle
    biologique efficace.

    Afin d’atteindre ces objectifs, Dow a
    amélioré les caractéristiques de la
    surface de la membrane FT30 qui
    présente désormais une meilleure
    résistance à l’encrassement biologique.
    Le Dr. Harry F. Ridgway du service
    des eaux du Comté d’Orange aux
    États-Unis, un pionnier dans la réutilisation
    des eaux d’effluent secondaires
    et tertiaires, a étudié pendant
    de nombreuses années le problème
    complexe de l’adhérence microbienne
    et du bio-encrassement des
    membranes d’osmose inverse en
    acétate de cellulose et en polyamide.
    Dans le cadre de sa recherche sur
    l’adhérence d’une souche particulière
    de bactéries sur les membranes conventionnelles
    en polyamide résistantes
    au bio-encrassement, M. Ridgway
    a étudié plusieurs films de membrane
    FILMTEC®. Les recherches du Dr.
    Ridgway, ses articles et ses photomicrographies
    au microscope électronique
    à balayage et au microscope à
    forces atomiques nous ont aidés à
    mieux comprendre quelles devaient
    être les caractéristiques d’une membrane
    pour qu’elle résiste au bioencrassement.
    III. Une approche évolutive et vérifiée
    du rendement au service du
    développement de produit
    En raison de l’ampleur des études en
    laboratoire portant sur les différents
    types de bactéries dans des conditions
    diverses de prétraitement, d’environnement
    et de fonctionnement,
    ainsi que du nombre important de
    membranes résistantes au bio-encrassement
    susceptibles d’être étudiées,
    ce projet de Recherche et développement
    aurait pu durer de nombreuses
    années. Toutefois, il fallait établir un
    juste compromis entre le bien-fondé
    d’une étude aussi complexe et la
    nécessité de trouver rapidement une
    solution technique rentable pour
    répondre aux besoins du marché.


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