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.
L’équipe de développement Dow –
FilmTec a donc partiellement franchi
l’étape des études en laboratoire contrôlées
avec précision pour passer
directement à l’étude de situations en
conditions réelles. En collaboration
avec les constructeurs de matériel
(OEM) et les clients des utilisations
finales, plusieurs sites qui subissaient
d’importants problèmes de bio-encrassement
ont été sélectionnés. Lorsque
les essais en conditions réelles le permettaient,
le rendement d’un produit
résistant au colmatage a été comparé
au résultat obtenu dans un contrôle
expérimental fiable – les deux unités
étant installées en parallèle. D’une
manière générale, plusieurs prototypes
de membranes résistantes au
colmatage ont été essayés sur différentes
eaux de surface et eaux résiduaires
(réutilisation des eaux d’effluent
secondaires et tertiaires) à travers le
monde.

Grâce à la participation des constructeurs
OEM et des utilisateurs des installations,
dès le début de l’étude,
l’équipe de Dow – FilmTec a pu trouver
rapidement une solution novatrice
rentable au bio-encrassement. Les
conclusions tirées de chaque essai en
conditions réelles ont permis de parfaire
la technique de séparation par
membrane résistante au colmatage.