Influence des propriétés des matériaux filtrants

Les matériaux filtrants communément utilisés en usine (sable, anthracite et CAG) diffèrent en fonction de leur forme, de leur teneur en métaux et de leur capacité d’adsorption. Ainsi, il est d’intérêt de comprendre les paramètres et les propriétés de surface qui gouvernent la rétention de protozoaires parasites au sein du lit filtrant, mais aussi de déterminer si ceux-ci sont toujours d’importance après vieillissement (colonisation bactérienne). Les résultats obtenus dans le cadre de ce projet d’études doctorales se distinguent par la robustesse du plan expérimental utilisé. Ceux-ci ont permis une comparaison directe de l’enlèvement de Cryptosporidium parvum par des filtres identiques en matière d’opération, de dimensionnement, de granulométrie, de qualité d’eau et de vieillissement. Aucune étude du genre n’a été relevée dans le cadre de la revue de la littérature.

6.1.1 Influence du type de matériaux

La forme et la teneur en métaux des matériaux filtrants expliquent certaines des différences de rétention de Cryptosporidium parvum observées entre les colonnes de matériaux neufs (sable, d’anthracite et de CAG). Comme discuté au chapitre 3, l’efficacité d’enlèvement supérieure de l’anthracite et du CAG par rapport au sable s’explique, en partie, par l’angularité/rugosité de ces matériaux (Figure 3.6). En général, le sable offre une performance plus faible que l’anthracite et le CAG. Cette constatation corrobore les résultats d’une étude précédente qui a démontré que l’enlèvement physique était plus important lorsque des matériaux plus angulaires étaient utilisés (Tufenkji et al. 2004). D’autre part, les différences de performances observées entre les colonnes de sable, d’anthracite et de CAG s’expliquent aussi par la teneur en métaux des matériaux neufs (Tableau 3.4). La performance supérieure de l’anthracite par rapport au sable s’explique par une concentration plus importante d’aluminium et de fer en surface des grains d’anthracite. Cette observation corrobore les résultats d’études antérieures qui démontrent que l’enlèvement d’oocystes est fonction de la teneur en oxydes d’aluminium et de fer des matériaux (Abudalo et al. 2005, Metge et al. 2010). De la même façon, la performance supérieure du CAG par rapport à l’anthracite s’explique par une concentration totale de métaux plus élevée par unité de surface.

Comme la concentration totale en métaux du CAG est dominée par le calcium, les résultats démontrent que l’impact de la teneur en calcium des matériaux sur la rétention de protozoaires parasites est significatif. Cependant, la forme et la teneur en métaux des matériaux neufs n’expliquent que partiellement les différences de performances observées entre les différents types de matériaux filtrants étudiés. L’influence de la qualité de l’eau brute sur la rétention d’oocystes par filtration granulaire non assistée chimiquement semble plus importante puisqu’une variation saisonnière de performance significative associée à des variations de qualité d’eau a été observée.

La faible hausse, mais tout de même remarquable, de COT à l’eau brute (Tableau 3.2) répertoriée en automne explique la baisse de performance des matériaux neufs observée par rapport aux résultats obtenus en été (Figure 3.1). Comme discuté au chapitre 3, l’efficacité d’attachement de Cryptosporidium est moindre lorsque la concentration de COT est plus élevée puisque l’adsorption de MON en surface des oocystes et des matériaux filtrants cause une hausse des répulsions électro-stériques entre ceux-ci (Dai & Hozalski 2002, Franchi & O'Melia 2003). De surcroît, l’adsorption de MON aux oxydes de métaux en surface des grains peut causer une inversion des charges de ces régions normalement favorables à l’attachement (Abudalo et al. 2010). Toutefois, même si aucune différence saisonnière de potentiel zêta des oocystes de Cryptosporidium n’a pu être détectée par nos mesures, les variations de COT expliquent tout de même les variations saisonnières de performance observées. Étant donné que le CAG se distingue par sa capacité d’adsorption, celui-ci s’est avéré plus sensible à ces variations de qualité d’eau. En conséquence, ces travaux démontrent que la concentration de COT des eaux de surface prime sur la forme et la teneur en métaux des matériaux, pour ce qui est de l’enlèvement de Cryptosporidium par des filtres granulaires non assistés chimiquement, identiques en matière de dimensionnement, d’opération et de granulométrie.

6.1.2 Influence de l’âge des matériaux

Cette thèse répertorie l’impact du vieillissement, caractérisé comme le développement de biofilm autochtone en surface de matériaux filtrants, sur la rétention d’oocystes de Cryptosporidium par filtration granulaire non assistée chimiquement. Comme discuté au chapitre 3, les résultats obtenus démontrent que la présence de biofilm en surface des matériaux filtrants améliore la rétention de Cryptosporidium. Spécifiquement, le vieillissement de matériaux améliore

significativement (p < 0.05) la performance du sable et du CAG et a un impact négligeable sur la performance de l’anthracite (Figure 3.2). De tous les types de matériaux étudiés, la biomasse décrite par les concentrations de protéines et polysaccharides, était plus importante en surface des grains de CAG. Ceci explique la performance accrue des colonnes de CAG après vieillissement par rapport aux colonnes de sable et d’anthracite. Néanmoins, des recherches supplémentaires sont nécessaires afin d’éclaircir les raisons pour lesquelles, dans le cadre de cette étude, le développement de biomasse en surface des grains d’anthracite a eu un impact négligeable sur l’enlèvement d’oocystes. De plus, afin de mieux comprendre l’impact du biofilm en fonction de la profondeur des lits filtrants, il serait de mise de s'intéresser à l’optimisation des méthodes d’extraction et de quantification utilisées afin d’évaluer les concentrations d’oocystes retenus dans le lit filtrant. De cette façon, il serait possible de mieux comprendre et de corréler la présence de biofilm caractérisé par des paramètres biochimiques (c.-à-d. protéines et polysaccharides) et la concentration d’oocystes retenus en fonction de la profondeur du lit filtrant.

Les résultats répertoriés dans le cadre de cette thèse démontrent que la présence de biofilm en surface de CAG à base de bois améliore la rétention d’oocystes contrairement aux résultats répertoriés dans la littérature scientifique par rapport au CAG à base minérale (Hijnen et al. 2010). Conséquemment, il serait d’intérêt de comparer les performances de différents types de CAG dans des conditions expérimentales similaires afin de pouvoir conclure si l’augmentation significative de performance des colonnes de CAG usagé (à base végétale) répertorié dans le cadre de ce projet s’applique à tous les types de charbons. De surcroît, afin d’améliorer l’état des connaissances en ce qui concerne l’impact du vieillissement de matériaux sur la rétention de Cryptosporidium et de Giardia, il serait intéressant (i) de quantifier si une hausse de COT à l’eau brute cause une baisse de rétention équivalente à celle observée lors des essais menés avec des matériaux neufs, (ii) de déterminer si l’augmentation de rétention par les matériaux usagés n’est que transitoire et si elle cause une percée anticipée17 de kystes et d’oocystes avant la fin du cycle de filtration et (iii) si une différence de performance entre les matériaux neufs et usagés est toujours observée en eaux froides (i.e. pour des conditions défavorables à l’activité biologique).

Bien que les conclusions et observations faites dans le cadre de cette étude suscitent plusieurs questions de recherche, ces travaux contribuent à l’état des connaissances de la communauté scientifique et ils informent le milieu du traitement de l’eau potable de certains des avantages et des inconvénients de l’utilisation de chacun des matériaux étudiés. Spécifiquement, les résultats démontrent qu’une usine peut mettre à profit l’opération d’une galerie de filtres en mode biologique dans l’objectif de favoriser la stabilité d’une eau, de permettre l’enlèvement de précurseurs de sous-produits d’oxydation et de diminuer la demande en chlore (Prévost et al. 2005), mais aussi d’améliorer la rétention de protozoaires parasites (cette étude). Pour terminer, les résultats indiquent que la performance de la filtration granulaire à la suite de renouvellement de matériaux filtrants ou lors de la mise en route de nouvelles installations est moindre puisqu’elle est plus vulnérable au transport de kystes et d’oocystes lorsque le lit filtrant est faiblement colonisé.