Fragmentation hydrodynamique des particules pour améliorer la désinfection

Steven Liss, professeur, vice-directeur (recherche), Université Queen’s, 2009 - 2011

Enjeu

La technologie de désinfection à la lumière ultraviolette (UV) est utilisée par l’industrie des eaux usées du monde entier pour détruire les agents pathogènes (virus et bactéries) dans les eaux usées. Cependant, de fines particules qui s’agglutinent en ce qu’on appelle des « flocs » protègent les agents pathogènes des photons UV, ce qui constitue une menace importante pour la santé humaine et environnementale. Cette agglutination complique l’accès aux agents pathogènes qui se trouvent protégés des photons UV. Une des solutions possibles pour améliorer la désinfection UV est de fragmenter les flocs en changeant la force des liquides. Toutefois, on en connait très peu sur les caractéristiques structurelles des particules et leurs incidences sur la désinfection assistée d’un procédé hydrodynamique. En outre, on ne comprend pas très bien comment la structure et la composition du floc, les espèces de microbes et leurs associations influencent la fragmentation des particules et le rendement de la désinfection. Pour que les services d’eaux municipaux s’assurent que leurs effluents répondent aux critères de qualité de l’eau, il est nécessaire d’avoir une compréhension plus fondamentale des caractéristiques structurelles des particules et de leurs incidences sur la fragmentation hydrodynamique.

L’objectif principal du projet dirigé par Steven Liss est d’élaborer une nouvelle technologie de traitement des eaux en intégrant la fragmentation hydrodynamique des particules à la technologie UV actuelle.

Projet

Pour élaborer un nouveau système de désinfection UV assistée par un procédé hydrodynamique, l’équipe du projet a réalisé des études en laboratoire, des essais-pilotes au Centre technique des eaux usées en Ontario et elle a eu recours à la modélisation informatique. Les études en laboratoire portaient sur les associations entre les agents pathogènes et les particules et le rendement de la désinfection. Les données recueillies de ces expériences ont servi à développer des modèles informatiques robustes basés sur la dynamique des fluides (computational fluid dynamics – CFD), avec des algorithmes et des formules mathématiques pour analyser la façon dont s’écoulent les fluides. Les études à échelle pilote visaient à optimiser la conception des écoulements extensionnels.

Les résultats préliminaires indiquent que le traitement hydrodynamique diminue la viabilité des bactéries associées aux grands flocs et augmente également la dose-réponse UV. Pour une mise en œuvre réussie de la technologie de désinfection hydrodynamique, on a également déterminé qu’il est nécessaire de déterminer les conditions optimales d’écoulement hydrodynamique permettant d’améliorer le plus le rendement de la désinfection UV. Les chercheurs ont également constaté que le coût du traitement hydrodynamique est directement lié à l’efficacité de la pompe utilisée pour créer l’écoulement. Un des principaux constats est que cela prend 10 fois moins d’énergie pour faire fonctionner les pompes pour le traitement hydrodynamique que pour le fonctionnement traditionnel (rendement énergétique de pompage de 5 % comparativement à 60 % pour les pompes traditionnelles).

En général, les résultats indiquent que la désinfection hydrodynamique a le potentiel de fournir une technologie simple, à faible coût, compacte et robuste pour rendre les agrégats en suspension plus vulnérables à la désinfection UV.

Produits

• Élaboration d’un système novateur de traitement qui intègre la fragmentation hydrodynamique des particules à la technologie UV existante (processus UV-HD).
• Développement d’une simulation de la fragmentation de particules à travers un orifice à l’aide du logiciel « Fluent » de dynamique des fluides (CFD). Cette composante du projet est réalisée en partenariat avec l’équipe CFD de Trojan Technologies.
• Les partenaires se sont rencontrés régulièrement pour collaborer. Les rencontres regroupaient l’équipe complète des chercheurs, des étudiants, des associés de recherche et autres collaborateurs, de même que des représentants des partenaires de l’industrie (ministère de l’Environnement, Environnement Canada et Trojan Technology).

Résultats

• Le développement réussi de cette technologie de traitement à faible coût va potentiellement augmenter la plage de fonctionnement efficace de la technologie UV actuelle, ce qui aura pour conséquence d’accroître le nombre et les types d’effluents que l’on peut réglementer de façon efficace.
• Avec de plus amples travaux de recherche et développement, la méthode de désinfection UV-HD deviendra une alternative économique à l’élimination des particules à plein débit par filtration ou procédé à membrane, avec des coûts d’immobilisation considérablement inférieurs, une plus petite empreinte écologique, aucune génération de boues usées et une modernisation plus facile.
• Bien qu’il n’y ait pas de plans immédiats de développement de ce système à grande échelle, l’équipe du projet compte poursuivre ses travaux avec les partenaires pour faire avancer la recherche.
• De plus, ce projet a aidé à former des étudiants de cycles supérieurs, créant plus de personnel hautement qualifié sur le terrain.