Étude de l’impact du vieillissement des matériaux sur l’enlèvement de

Cryptosporidium par filtration granulaire (objectif spécifique 1)

Cette étape consiste à évaluer l’enlèvement d’oocystes de Cryptosporidium en fonction des caractéristiques du filtre, et ce, plus précisément en fonction du type ainsi que de l’âge des matériaux filtrants. Cette étude est la première à répertorier l’effet du vieillissement sur l’enlèvement de Cryptosporidium parvum à l’aide de trois différents matériaux filtrants testés dans les mêmes conditions expérimentales.

Des essais ont été réalisés à l’aide d’un montage pilote opéré au laboratoire du CREDEAU à l’École Polytechnique de Montréal. Les colonnes de filtration utilisées ont été conçues en respectant les critères de conception généralement utilisés lors de l’élaboration de montages à pilotes. C’est pourquoi des colonnes en polychlorure de vinyle clair (CPVC) d’un diamètre de 32 mm, soit 50 fois supérieur au diamètre effectif des grains, ont été sélectionnées afin de minimiser l’effet de paroi (Lang et al. 1993). De plus, une profondeur de 74 cm de matériau filtrant a été choisie afin de respecter un ratio hauteur des matériaux/diamètre effectif des grains (L / dc) supérieur à 1000. Un schéma du montage est disponible en annexe (Figure A-1.1). Pour

terminer, les colonnes de filtration ont été opérées à une vitesse de filtration de 5 m hr-1. Ces deux derniers critères permettaient également de simuler les caractéristiques des filtres de l’installation d’Atwater de la Ville de Montréal (1 360 MLD).

Afin de valider l’impact du vieillissement sur la performance, des essais de filtration ont été menés avec des matériaux neufs et avec des matériaux usagés. À cet effet, des filtres monocouches à sable, à anthracite et à CAG, tous de granulométrie identique (d10 = 630 μm,

d50 = 860 μm, CU = 1.4), ont été vieillis pour une période de dix-huit semaines. Les colonnes de

filtration ont été alimentées avec de l’eau déchlorée provenant de l’usine Atwater (Montréal, Canada) amendée d’une solution riche en nutriments (C = 1 mg C-acétate L-1

, ratio C: N: P de 100:10: 1) afin de favoriser la croissance bactérienne, soit le développement de

biofilm en surface des matériaux filtrants. Parallèlement, une autre série de filtres à sable préchlorés (2 mg Cl2 L-1) ont été vieillis en absence de solution de nutriments afin de pouvoir

compter sur un filtre témoin qui aurait le moins de biofilm possible. Pour chaque type de matériau, des essais de filtration ont été menés afin d’évaluer l’enlèvement de Cryptosporidium

parvum à l’aide de trois à quatre colonnes (réplicats) de matériaux neufs. Ces essais de filtration ont été répartis en été ainsi qu’en automne. De la même façon, pour chaque type de matériau ainsi que de protocole de vieillissement, des essais de filtration ont été menés en automne à l’aide de deux colonnes de matériaux usagés. Le tableau 3.1 résume le plan expérimental utilisé.

Les essais de filtration ont été menés à la température ambiante (20oC) avec une eau traitée déchlorée provenant de l’usine Atwater. Avant chaque essai, la colonne de filtration a été rétrolavée et ensuite lessivé à l’eau déchlorée afin de permettre le conditionnement des matériaux filtrants. Les oocystes de Cryptosporidium parvum (Waterborne, É.-U.), préalablement irradiés aux rayons UV (50 mJ cm-2) (Tetratech Inc., É.-U.), ont été dosés dans de l’eau déchlorée afin d’obtenir une concentration finale de 750 ± 250 oocystes mL-1

. Aucun ajout de coagulant n’a été fait, car il était visé de simuler les conditions d’opération de l’usine Atwater de la Ville de Montréal qui utilise la filtration directe non assistée chimiquement. L’injection d’oocystes a eu lieu sur une période équivalente à 18 volumes des pores (PVs) et fut ensuite suivie d’une élution avec une eau sans oocyste pour une période de 12 PVs. Des échantillons ont été prélevés à l’affluent et à l’effluent lors de l’injection d’oocystes ainsi que lors de l’élution de la colonne de filtration. Une fois l’essai terminé, chacune des colonnes a été carottée à différentes profondeurs. D’une part, ce carottage a permis de déterminer le profil de rétention d’oocystes, mais aussi de compléter un bilan de masse. D’autre part, ce carottage a permis le prélèvement d’échantillons dans le but de caractériser la biomasse présente en surface des matériaux usagés (après une période de 4 mois de vieillissement) en matière de concentrations de polysaccharides (DuBois et al. 1956) et de protéines (Pierce BCA Protein Assay kit , Thermo Scientific, USA). Pour terminer, le reste des matériaux filtrants ont été prélevés afin de permettre une caractérisation de l’impact du vieillissement par microscopie électronique à balayage, mais aussi pour quantifier leur teneur en métaux par une extraction à l’acide selon la méthode 3050B (United States Environmental Protection Agency (USEPA) 1996b) suivie d’une analyse par spectrométrie d’émission atomique à plasma à couplage inductif (ICP-MS) selon la méthode 6010B (United States Environmental Protection Agency (USEPA) 1996a). En dernier lieu, les échantillons ont été filtrés sur des membranes d’une porosité de 2 μm (Chemunex Inc., France). Les oocystes ont ensuite été marqués à l’isothiocyanate de fluorescéine conjugué à des anticorps monoclonaux (Easy stain, BTF Ltd., Australie), énumérés par cytométrie en phase solide (ScanRDI, AES

Chemunex Inc, France) (Stanfield et al. 2000) et confirmés par microscopie à 600X (BX60, Olympus Inc, Japon). Pour terminer, le taux de récupération et la précision de l’énumération des oocystes ont été évalués à l’aide de colorseeds (BTF Ltd., Australie).

L’analyse des résultats obtenus s’est faite en trois temps. Premièrement, l’enlèvement d’oocystes offert par chacune des colonnes de filtration a été calculé à l’aide de quatre échantillons pairés et prélevés lorsque le filtre était à l’équilibre. La performance moyenne des duplicatas de colonnes a ensuite été comparée aux autres conditions testées à l’aide de test de student ou d’ANOVA. Deuxièmement, les profils d’enlèvement observés ont été comparés aux profils d’enlèvement prédits par la théorie de filtration des colloïdes en fonction des conditions expérimentales étudiées. Finalement, la caractérisation des matériaux en terme de biomasse et de métaux a permis de mieux cibler les paramètres clés qui expliquent les variations de performance observées.