Résumé

Le processus de coagulation-ultrafiltration à court débit réduit efficacement les coûts d'infrastructure de sédimentation, mais les résidus de polyacrylamide anionique (APAM) avec matière organique dissoute posent des défis au contrôle du colmatage des membranes UF et à la stabilité du processus. Au cours de cette étude, le mécanisme par lequel les résidus de coagulant APAM influencent le comportement de colmatage des membranes UF pendant le processus de coagulation-ultrafiltration a été étudié à travers la cinétique de colmatage, l'analyse morphologique et des simulations préliminaires de dynamique moléculaire. Pour l'albumine de sérum bovin (BSA, Mw : 133,3 kDa), des concentrations d'APAM inférieures à 5 mg/L ont atténué le colmatage par neutralisation de charge entre les groupes anioniques de l'APAM et les résidus cationiques de la BSA. L'atténuation du colmatage s'est inversée au-delà de 5 mg/L d'APAM, avec un colmatage minimal observé à ce seuil. Les simulations préliminaires de dynamique moléculaire ont révélé que l'APAM peut induire une réorientation structurelle de la BSA, exposant les groupes hydrophiles vers l'extérieur pour ralentir la cinétique de colmatage tout en augmentant le colmatage irréversible des pores. Pour l'acide humique (HA, Mw : 4 kDa), des transitions morphologiques ont causé une inflexion de colmatage à 10 mg/L d'APAM, atteignant un colmatage minimal avec 53,41 % d'irréversibilité. Les agrégats de HA ont évolué à travers des structures particulaires, floculentes et en coque-noyau à mesure que l'APAM augmentait. Les données de simulation ont démontré que les concentrations d'APAM modifiaient les forces intermoléculaires, déclenchant des changements brusques de taille des flocs de HA et des transformations structurelles. Les résultats suggèrent que le contrôle de la concentration résiduelle d'APAM dans le processus à court débit est essentiel pour mieux gérer le colmatage des membranes, offrant des perspectives techniques pour optimiser le fonctionnement stable du processus de coagulation-ultrafiltration.

Introduction

Alors que la rareté mondiale de l'eau s'intensifie et que la contamination des sources d'eau potable devient plus fréquente, la demande en eau propre continue d'augmenter [1]. Par conséquent, le développement de technologies avancées de traitement des eaux de surface pour garantir un approvisionnement en eau potable sûr et fiable est devenu de plus en plus urgent [2,3]. Le processus de coagulation-sédimentation-ultrafiltration (C–S–UF) est largement utilisé dans les projets de traitement des eaux de surface nationaux et internationaux. Ce processus élimine efficacement les solides en suspension et les bactéries, garantissant la sécurité de l'approvisionnement en eau [4]. Cependant, l'inclusion de bassins de sédimentation dans ce processus augmente non seulement les coûts de construction, mais prolonge également le temps de traitement.

Pour répondre à ces limitations, les chercheurs se sont de plus en plus concentrés sur la coagulation-ultrafiltration (C–UF) comme alternative à processus court pour atténuer les coûts de construction élevés associés aux bassins de sédimentation [5]. Bien que la coagulation élimine efficacement les solides en suspension, sa capacité à éliminer la matière organique dissoute (DOM) de l'eau est limitée. La technologie d'ultrafiltration a suscité une attention significative en raison de ses avantages, notamment la qualité stable de l'effluent, une efficacité élevée d'élimination de la turbidité et une élimination efficace des pathogènes. L'ultrafiltration peut partiellement éliminer de grandes molécules de DOM ; cependant, en tant que source principale de colmatage des membranes, les DOM compromettent la stabilité de l'ultrafiltration [6]. Lorsqu'elle est intégrée dans une configuration à flux court, le processus C–UF élimine le besoin de sédimentation, simplifiant l'exploitation et permettant une réduction substantielle des concentrations de turbidité et de solides en suspension grâce à la coagulation couplée à la filtration sur membrane [7]. Contrairement aux systèmes C–S–UF conventionnels, les configurations à flux court exposent les membranes à des coagulants résiduels et à des DOM non sédimentables dans un court laps de temps après le dosage, introduisant des risques distincts de colmatage des membranes. Bien que le terme « flux court » reste informel, de telles configurations sont de plus en plus adoptées dans des systèmes compacts ou décentralisés, en particulier dans des régions à espace limité comme Singapour et le Japon. Par exemple, l'usine de traitement des eaux de Tuas à Singapour a réussi à employer la C–UF à flux court depuis 2018 pour traiter 300 000 m3 d'eau par jour [8]. Cette adoption croissante souligne la nécessité de mieux comprendre les interactions coagulant–DOM–membrane dans ces conditions uniques. Les coagulants ont un effet limité sur l'élimination des DOM, et les coagulants résiduels induisent un changement dans les propriétés des DOM, ce qui modifie la tendance au colmatage des membranes, et affecte ainsi le fonctionnement stable du processus dans un flux court.

Parmi les différents coagulants, le polyacrylamide (PAM) démontre une performance supérieure dans l'élimination des DOMs [9]. En tant que coagulant polymère organique synthétique le plus largement utilisé, le PAM joue un rôle clé dans l'amélioration de la qualité de l'eau des effluents. Des études ont montré que le PAM non seulement améliore l'agrégation des particules fines mais réduit également efficacement la concentration de DOMs. Cependant, le PAM résiduel dans l'eau peut contribuer à l'encrassement des membranes dans le processus d'ultrafiltration à court flux qui suit, impactant ainsi l'efficacité du système d'ultrafiltration [10]. L'utilisation combinée de polyacrylamide non ionique (NPAM) et de chlorure d'aluminium polymérique (PAC) dans un processus de coagulation-ultrafiltration à court terme pour le traitement de l'eau potable a montré qu'elle réduit significativement l'encrassement des membranes d'ultrafiltration et de microfiltration [[11], [12], [13]]. En revanche, d'autres études ont montré que le polyacrylamide cationique (CPAM) peut aggraver l'encrassement des membranes en raison de la forte attraction électrostatique entre le polymère chargé positivement et la surface de la membrane chargée négativement, conduisant à la formation d'une couche de gâteau de PAM résiduel sur la membrane [14]. À l'inverse, il a été montré que la couche de gâteau formée par le dépôt direct de coagulant peut aider à atténuer l'encrassement des membranes [15,16]. Différents types de PAM exercent des effets variés sur l'encrassement des membranes, le CPAM aggravant l'encrassement. En raison de la polyvalence et de la toxicité du CPAM, le polyacrylamide anionique (APAM) est couramment utilisé pour la floculation dans la purification de l'eau [17]. Cependant, des études systématiques sur les mécanismes par lesquels le PAM résiduel affecte l'encrassement des membranes causé par différents types de DOMs font encore défaut.

De plus, les transformations réversibles et irréversibles du colmatage des membranes ont un impact significatif sur la performance des membranes. Des études ont montré que le type de DOM influence la nature du colmatage des membranes, certains types de DOM induisant plus facilement un colmatage irréversible, accélérant ainsi la dégradation de la membrane [18,19]. Pendant ce temps, il a été suggéré que les interactions entre les coagulants, tels que le PAM, et des DOM spécifiques peuvent modifier le comportement du colmatage des membranes, rendant le colmatage plus difficile à inverser et augmentant considérablement la probabilité de colmatage irréversible [20]. Cependant, peu d'études ont examiné les transformations réversibles/irréversibles du colmatage des membranes induites par des concentrations d'APAM avec des DOM typiques.

Cette étude vise à combler cette lacune en examinant l'impact de l'APAM résiduel dans un processus de coagulation-ultrafiltration à court flux sur le comportement ultérieur de filtration membranaire. L'effet des variations de concentration d'APAM sur le potentiel et la taille des particules a été étudié en utilisant des DOM typiques, y compris la BSA (Mw : 133,3 kDa) et l'HA (Mw : 4 kDa), qui ont induit des changements de colmatage de membrane et des modifications de la morphologie microscopique. Tout d'abord, les effets des variations de la concentration d'APAM résiduel sur la performance de filtration membranaire et sur les caractéristiques de la couche de colmatage de la membrane ont été étudiés. De plus, la morphologie microscopique et les caractéristiques de la couche de colmatage ont été analysées à l'aide de la microscopie à force atomique (AFM). Pour examiner plus avant la transformation réversible/irréversible du colmatage de membrane, des simulations MD préliminaires ont été réalisées pour explorer les mécanismes sous-jacents. Cette étude élucide l'influence de la concentration d'APAM sur la transformation réversible/irréversible du colmatage de membrane, fournissant une base théorique pour comprendre le mécanisme de colmatage induit par des coagulants résiduels. Ces résultats peuvent aider à optimiser le fonctionnement stable du processus de coagulation-ultrafiltration à court flux.

L'effet de la concentration d'APMA sur la taille des particules de DOM et le potentiel

Les variations du potentiel zêta et de la taille des particules de BSA et HA avec l'augmentation des concentrations d'APAM sont présentées dans la Fig. 2. Pour la macromolécule typique BSA, le potentiel zêta de la solution a diminué brusquement de −11,0 à −27,2 mV, tandis que la taille des particules a augmenté de manière significative de 248,7 à 292,8 nm à mesure que la concentration d'APAM augmentait de 0 à 5 mg/L. La valeur absolue du potentiel zêta a augmenté avec la concentration d'APAM, ce qui peut être attribué à la charge négative plus élevée.

Conclusion

Cette étude a examiné de manière systématique comment les concentrations résiduelles d'APAM modulent le comportement de colmatage des membranes dans un processus C–UF court en utilisant deux agents de colmatage modèles : BSA et HA. Les conclusions clés sont les suivantes :

La filtration, les résultats d'adsorption-désorption QCM-D et la morphologie AFM ont démontré que les coagulants résiduels peuvent induire des changements dans le comportement de colmatage de membrane induit par la DOM. Le colmatage de membrane a montré une réversibilité dépendante de la concentration et une transformation structurelle.