L’avenir de l’eau potable propre : une nouvelle méthode de traitement voit le jour

Si l’accès universel à l’eau potable comme droit fondamental de l’humain fait l’objet de débats partout dans le monde, peux sont ceux qui osent contester la nécessité d’améliorer les méthodes existantes de traitement de l’eau.

C’est dans cette optique que WSP a entamé des travaux exploratoires sur l’utilisation de résines échangeuse d’ions pour le traitement primaire du carbone organique et, ce faisant, a aidé à mettre au point une méthode hors des sentiers battus qui pourrait fort bien changer les méthodes courantes de traitement actuel des composés organiques dans l’eau potable.

Les composés organiques sont présents dans tous les types d’eau naturelle et sont essentiels à la vie de nos écosystèmes. Malheureusement, ils causent habituellement une coloration brune de l’eau, réagissent au contact du chlore formant des sous-produits de désinfection toxiques, interfèrent avec la désinfection de l’eau au moyen de la lumière ultraviolette, et favorisent la re-croissance biologique dans les systèmes de distribution de l’eau. C’est pour cette raison qu’ils doivent être éliminés lors du traitement de l’eau potable.

De nombreuses communautés souhaitent aujourd’hui minimiser l’utilisation de produits chimiques lors du traitement de l’eau potable, tout comme la complexité générale de leurs systèmes. Or, cela s’avère souvent difficile à l’étape d’élimination du carbone organique. En effet, l’approche standard consiste à introduire des coagulants à base de métaux et à filtrer les particules agglomérées résultantes. L’autre approche communément employée pour retirer le carbone est l’oxydation au moyen d’agents oxydant puissants tel que l’ozone, suivie d’une filtration sur charbon actif biologique (CAB), d’une filtration sur charbon actif granulaire (CAG) et enfin, de la nanofiltration à l’aide de membranes.

La réussite du traitement chimique nécessite un équilibrage de l’usine entière pour le lavage à contre-courant visant l’élimination de la turbidité et des composés organiques; dans bien des cas, ceci réduit l’efficacité générale du système. Les usines pouvant éliminer plus de 50 % du carbone organique au moyen de cette méthode sont considérées comme efficaces. L’adoption à grande échelle de l’oxydation et de la filtration au carbone est peu répandue dans l’Industrie, probablement en raison de la complexité ajoutée par l’utilisation de l’ozone. De plus, les filtres à CAG et les membranes de nanofiltration risquent de s’avérer une stratégie coûteuse à long terme pour bien des communautés.

Ces défis ont incité WSP à envisager le traitement de l’eau différemment, en employant principalement des résines échangeuses d’ions pour l’élimination des composés organiques plutôt que le procédé habituel par cations. Pour évaluer la performance opérationnelle de la méthode par échange d’ions pour les eaux naturelles, WSP a approché l’Université de la Colombie-Britannique (UBC) pour effectuer des tests, qui se poursuivraient ensuite sur le terrain, afin d’en évaluer le rendement à grande échelle. Il a été proposé d’effectuer des essais comparatifs entre différentes procédures de tests aux fins d’évaluation. Étonnamment, les résultats des procédures de tests disponibles n’ont pas été ceux attendus en ce qui concerne les limites de saturation pour le procédé d’échange de cations. 

Découvertes et avancées

Les colonnes de test ont été alimentées en continu en eau de surface typique, avec un temps de séjour assez prolongé. De manière inattendue, les composés organiques, dont la concentration a été mesurée à la sortie, ont pris plus de 50 jours à saturer la colonne. En fait, alors qu’il ne suffit généralement que de quelques semaines pour que les composés saturent les colonnes, l’une des eaux testées montrait un taux de rétention supérieur à 60 % après 100 jours d’opération en continu.

Pour déterminer pourquoi les colonnes fonctionnaient aussi longtemps sans nécessiter aucune régénération, un biocide a été ajouté dans l’une des colonnes de test. La saturation de la colonne par les composés organiques s’est effectuée en quelques jours (environ 25) au lieu de quelques mois. Ces résultats suggèrent qu’un environnement biologique se formait dans la colonne, lequel bénéficie à l’élimination organique, prolongeant ainsi de façon significative le temps nécessaire entre les régénérations. L’hypothèse retenue est que l’opération continue de la méthode d’échange d’ion sans régénération, permet la croissance biologique dans la colonne, transformant le mécanisme d’enlèvement des composés organiques en ajoutant un procédé biologique, et donnant ainsi naissance au terme BIEX, ou échange d’ions biologique.

Pour mieux comprendre la performance du BIEX, l’UBC a entrepris une autre étude en collaboration avec RES’EAU-WaterNET. Une étude comparative a été réalisée dans laquelle les procédés BIEX, d’échange d’ions (IX) et CAB étaient opérés en parallèle, avec la même source d’eau et des débits similaires. Sur une période de 11 mois d’activité au cours desquels le BIEX n’a pas été régénéré, et le procédé IX a été régénéré chaque semaine, les deux procédés ont éliminé de façon constante entre 40 % et 60 % des composés organiques entrants. La filtration par CAB n’a permis de retirer qu’environ 20 % du carbone organique.

RES’EAU-WaterNET a reconnu les avantages potentiels de ce procédé de traitement pour plusieurs des petites communautés éloignées avec lesquelles l’organisation travaille, afin de potentiellement améliorer l’accès à une eau potable de grande qualité. En 2017, dans le cadre d’un projet concerté avec Polytechnique Montréal, un système de filtrage BIEX a été installé à l’usine de traitement des eaux de Pont-Viau à Laval, Québec. Les procédés BIEX, IX et CAB ont été soumis aux mêmes conditions que celles des laboratoires de l’UBC, à l’exception du BIEX. Celui-ci a été lavé à contre-courant avec de l’air et de l’eau chaque semaine pour retirer les accumulations de particules et éviter que la couche ne devienne trop compacte, mais n’a pas subi de régénération à la saumure afin de maintenir l’activité biologique. Cette étape additionnelle a été implémentée pour atténuer l’encrassement potentiel de la résine et la perte d’efficacité hydraulique.

Les résultats de ces travaux ont confirmé que les procédés BIEX et IX éliminent les composés organiques de façon efficace. Au cours des 56 premiers jours d’opération, la concentration entrante de composés organiques a constamment été réduite de plus de 70 %, alors que ni le CAB et ni le CAG ne sont parvenus à réduire de façon consistante les niveaux de carbone d’au moins 20 %. De plus, le BIEX et l’IX performaient de façon similaire pour la réduction de carbone organique, réduisant la formation de sous-produits de désinfection et augmentant la limpidité de l’eau pour la désinfection ultraviolette. Lorsqu’une comparaison détaillée de l’enlèvement organique des deux systèmes a été réalisée, de nombreuses différences se sont révélées.
Comme l’avait conclu l’UBC, aucune utilisation de saumure n’a été nécessaire avec le BIEX puisque le système est demeuré efficace pendant toute la durée du test, alors que l’IX a dû être régénéré à l’aide d’une solution de saumure chaque semaine, en vertu des conditions d’opération classiques de ce procédé. Dans le cas de petits systèmes qui ne sont pas reliés aux égouts ou qui ne disposent pas de système d’élimination de la saumure usagée, ce fait est particulièrement intéressant. D’autres tests suggère que le BIEX nécessiterait une régénération à la saumure tous les 3 à 4 mois, ce qui s’applique mieux pour l’élimination hors site par camion des résidus de régénération, plutôt que le recours à une infrastructure permanente. Cela permettrait également l’octroi d’un contrat d’entretien à une tierce partie.

Une autre différence entre le BIEX et l’IX a été observée lorsque les composés organiques présents dans l’eau ont été caractérisés. Les composés organiques de la source d’eau ont été caractérisés en groupes de composés moléculaires à chaîne longue (complexes) et à chaîne courte (simples), ces dernières contribuant le plus largement à la perte d’efficacité de la désinfection aux UV de l’eau potable, et à la réactivité au chlore pour la formation de sous-produits de désinfection. Ni le BIEX ni l’IX n’ont éliminé les molécules complexes de façon significative. En ce qui concerne les molécules simples, qui représentaient la plus grande proportion de composés organiques dans l’eau de source, le BIEX a éliminé de façon consistante la grande majorité de ces composés (plus de 90 %), alors que l’IX s’est limité à environ 50 %.

Système BIEX à grande échelle installé pour la Première Nation de Tl’azt’en, et doté d’un « nid de vannes » pour une plus grande flexibilité opérationnelle ainsi que pour un développement et une optimisation futurs.

Mise en œuvre

Services aux Autochtones Canada (SAC), l’un des premiers partenaires de RES’EAU-WaterNET s’est intéressé plus sérieusement à la recherche sur le BIEX en raison des résultats prometteurs des études pilotes. SAC a étroitement suivi les travaux réalisés par l’équipe, et a accepté de fournir du soutien pour l’installation d’un autre système pilote à grande échelle à une usine de traitement des eaux d’une communauté des Premières Nations située en Colombie-Britannique. Ce projet pilote s’est déroulé entre Juillet 2017 et Avril 2018.

Tout au long des essais, les niveaux de carbone organique ont été réduits d’environ 70 %. L’élimination des composés organiques est passée à environ 50 % en janvier et février, alors que la température de l’eau se situait autour de 5°C. Une réduction de l’activité biologique est naturellement attendue durant cette période, et cela confirme que les composés organiques sont effectivement éliminés de façon biologique. Le lavage à contre-courant les colonnes filtrantes a été réalisé en utilisant uniquement de l’eau traitée, et aucune régénération à la saumure n’a été effectuée pendant les 270 jours d’essai pilote.

À la suite de la mise hors service du projet pilote en 2018, SAC et RES’EAU-WaterNET ont financé la construction d’une installation à grande échelle pour cette Première Nation. En 2017, WSP a été retenu pour réaliser la conception du procédé et fournir des conseils techniques et d’ingénierie pour la construction. Le système a été construit par BI Pure Water au printemps 2018. L’installation a été mise en service durant les mois d’août et de septembre 2018, et fournit actuellement en eau traitée les résidents locaux. RES’EAU-WaterNET et les ingénieurs d’études continuent d’offrir un soutien de surveillance et d’exploitation de l’installation. Grâce a ce projet, un avis d’ébullition de l’eau de long terme a pu être levé pour cette communauté.

Colonnes de filtres du projet pilote installées dans le bâtiment existant de stockage de l’eau dans la Première Nation Tl’azt’en.

Possibilités futures

Un suivi de l’exploitation du premier système BIEX à grande échelle sera effectué au cours de 2019, ce qui permettra de constater encore davantage les retombées potentielles d’un tel procédé. Les avantages incluent d’éviter l’utilisation d’un traitement chimique pour l’élimination des composés organiques, et par conséquent l’amélioration de l’efficacité de désinfection à la lumière ultraviolette. Cette possibilité de contourner le traitement chimique de l’eau potable, autre que la chloration, constitue un avantage opérationnel direct pour les communautés, notamment pour la sécurité de l’exploitant, mais aussi la réduction des livraisons de produits chimiques dans les endroits éloignés, améliorant ainsi la perception du public et la stabilité du procédé.

D’autres études sont nécessaires pour évaluer les répercussions liées aux paramètres de conception des filtres, notamment les taux de charge, la profondeur du lit de résine, le temps de contact en fût vide ainsi que la vitesse de filtration. Plus l’installation de traitement est grande, plus ces paramètres prennent de l’importance. Des essais non publiés réalisés dans les colonnes du laboratoire de l’UBC ont indiqué que le fait de doubler le débit sur une courte période de temps n’avait pas de répercussion négative sur la performance, mais de plus amples tests sont nécessaires pour confirmer le tout.

La vitesse de réalisation et le succès de ce projet ont impliqué l’identification, la recherche, les essais, la conception et la mise en œuvre d’un nouveau procédé. Cela n’aurait pas pu se concrétiser sans la collaboration de l’équipe de projet, incluant les membres des communautés, les centres de recherches, les consultants en ingénierie et les entrepreneurs, sans oublier les chercheurs universitaires de l’UBC et de Polytechnique Montréal, la Première Nation Tl’azt’en, Alegro Consulting, les partenaires financiers RES’EAU-WaterNET et Services aux Autochtones Canada, ainsi que les équipes d’ingénierie et de construction de WSP Canada et de BI Pure Water.

Claire Bayless, ing.
Gestionnaire principale de projet, Infrastructures

Walt Bayless, M.A.Sc., ing.
Gestionnaire de développement, BIEX

Megan Wood, M.A.C.Sc., ing.
Ingénieur - Eau, Infrastructures

Chez WSP, nous sommes tout à fait conscients que l’aménagement de sources d’eau potable rentables et durables ainsi que d’installations efficaces de traitement des eaux est essentiel à la santé physique et économique de toutes les communautés.

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