Soutenance de thèse de TALIGROT Hugo
Titre de thèse
Production d'eau destinée à la consommation humaine par Osmose inverse Basse Pression
Water production for human consumption by Low Pressure Reverse Osmosis
Résumé de la thèse
L'eau douce est essentielle pour la vie, les écosystèmes et l'industrie mais l'intensification des activités humaines, agricoles et industrielles entraîne une forte demande couplée à une diminution de la qualité des eaux naturelles. Dans le cadre de la production d'eau potable à partir d'eau douce naturelle, certains polluants ne sont pas totalement arrêtés par les filières conventionnelles et peuvent menacer la santé publique, comme les virus et les microplastiques. Les procédés membranaires sont réputés pour leur capacité à réduire les volumes d'effluents tout en produisant un perméat de très bonne qualité. Les limites de l'ultrafiltration, utilisée pour la potabilisation de l'eau douce, face à l'émergence, l'omniprésence ou la persistance de contaminants ont dirigé l'attention vers l'osmose inverse basse pression (OIBP), reconnue pour son potentiel plus élevé de rétention. Ce travail de thèse vise à démontrer (i) le potentiel de l'OIBP pour produire une eau potable de haute qualité à partir d'eau douce, tout en abordant les défis liés à la rétention des virus puis des microplastiques, ainsi que (ii) la durabilité des membranes. Enfin, la stabilité de la qualité de l'eau dans les réseaux de distribution sera étudiée afin de couvrir la chaine d'approvisionnement. Bien que la littérature indique des abattements viraux élevés pour l'OIBP, ces résultats ne reflètent pas toujours la réalité, car ils sont basés sur des virus modèles individuels à des concentrations bien supérieures à celles trouvées dans les eaux douces naturelles, afin de favoriser leur détection dans le perméat. Lors de cette étude, des méthodes de concentration ont été développées pour analyser les grands volumes de perméat à faible concentration virale, permettant d'abaisser la limite de quantification et d'évaluer les performances du procédé d'OIBP. Ce dernier a été étudié à deux échelles (laboratoire et semi-industrielle) vis-à-vis de la rétention de deux virus entériques pathogènes et d'un virus modèle, respectivement un adénovirus (AdV 41), un entérovirus (CV-B5) et le bactériophage MS2, à des concentrations représentatives de celles rencontrées dans l'environnement. Les méthodes de concentrations se sont révélées efficaces pour traiter les perméats de chaque échelle pilote d'OIBP. Le procédé d'OIBP permet une élimination significative des virus (6 log en moyenne) à différentes échelles, bien qu'une rétention totale ne soit pas atteinte. L'analyse approfondie des modules spiralés d'OIBP usagés a suggéré que les défauts de rétention virale puissent provenir des joints toriques du module et possiblement de ses lignes de colle mais pas de la membrane si elle est intègre. En effet, divers défauts ont été observés (membrane pliée ou abrasée, présence de rustine) lors de l'autopsie des modules d'OIBP ayant un impact significatif sur les performances. L'analyse du vieillissement des modules spiralés a mis en évidence une diminution des performances membranaires en termes de perméabilité et de taux de rétention en sels monovalents (NaCl) et divalents (CaSO4). En revanche, le taux de rétention en microplastiques (testé sur des billes de polyméthacrylate de méthyle) est resté total avec des abattements supérieurs à 7 log. Enfin, l'eau produite par OIBP et injectée dans un réseau de distribution simulé montre un potentiel de croissance bactérienne réduit, avec une concentration plus faible de cellules actives mesurée par cytométrie de flux et un carbone organique total diminué, par rapport à une eau produite par une filière classique ou par ultrafiltration.
Thesis resume
Freshwater is essential for life, ecosystems and industry, but the intensification of human, agricultural and industrial activities is leading to high demand coupled with a decline in the quality of natural water. In the context of producing drinking water from natural freshwater, some pollutants are not completely stopped by conventional processes and can threaten public health, such as viruses and microplastics. Membrane processes are renowned for their ability to reduce effluent volumes while producing a very high quality permeate. The limitations of ultrafiltration, used for freshwater purification, in the face of the emergence, omnipresence or persistence of contaminants have led to attention being focused on low-pressure reverse osmosis (LPRO), recognised for its higher retention potential. This thesis aims to demonstrate (i) the potential of LPRO to produce high-quality drinking water from fresh water, while addressing the challenges associated with the retention of viruses and then microplastics, as well as (ii) the durability of the membranes. Finally, the stability of water quality in distribution networks will be studied in order to cover the supply chain. Although the literature indicates high viral abatement for LPRO, these results do not always reflect reality, as they are based on individual model viruses at concentrations much higher than those found in natural freshwater, in order to promote their detection in the permeate. In this study, concentration methods were developed to analyse large volumes of permeate at low virus concentrations, enabling the limit of quantification to be reduced and the performance of the LPRO process to be assessed. The LPRO process was studied on two scales (laboratory and semi-industrial) with regard to the retention of two pathogenic enteric viruses and a model virus, respectively an adenovirus (AdV 41), an enterovirus (CV-B5) and the bacteriophage MS2, at concentrations representative of those found in the environment. The concentration methods proved effective in treating the permeates from each LPRO pilot scale. The LPRO process achieves significant virus removal (6 log on average) at different scales, although total retention is not achieved. In-depth analysis of used LPRO spiral wound modules has suggested that viral retention defects may originate from the module's O-rings and possibly its glue lines, but not from the membrane if it is intact. In fact, various defects were observed during the autopsy of the LPRO modules ( folded or abraded membrane, presence of patches), which had a significant impact on performance. Analysis of the ageing of the spiral-wound modules revealed a reduction in membrane performance in terms of permeability and retention rate for monovalent (NaCl) and divalent (CaSO4) salts. However, the retention rate for microplastics (tested on polymethyl methacrylate beads) remained total, with reductions of over 7 log. Finally, water produced by LPRO and injected into a simulated distribution network showed reduced bacterial growth potential, with a lower concentration of active cells measured by flow cytometry and lower total organic carbon, compared with water produced by a conventional process or by ultrafiltration.