Monitoring reverse osmosis membrane integrity and virus rejection in water reuse

par Marie-Laure Pype

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Dominique Patureau, Wolfgang Gernjak et de Nathalie Wery.

  • Titre traduit

    Effet de l’intégrité de membranes d'osmose inverse sur la rétention de substituts de virus


  • Résumé

    Les procédés d'osmose inverse (OI) permettent la production d'eau recyclée de très haute qualité grâce à l'élimination de contaminants organiques et inorganiques et de micro-organismes. Le suivi du bon fonctionnement de ce procédé est nécessaire pour valider la rétention des virus pathogènes afin de protéger la santé des usagers. La présence de minéraux et matières organiques dans les effluents rend inévitable le colmatage des membranes lors de leur fonctionnement et diminue ainsi leur performance. Afin d'éviter et d'éliminer ces colmatages, les stations de traitements des eaux utilisent des produits chimiques. Ces derniers vont modifier les performances globales des membranes en polyamide comme par exemple la diminution de la perméabilité à l'eau, et plus particulièrement les performances de rétention des virus, or l'ensemble de ces perturbations n'est que très peu compris et donc peu maitrisé. L'abattement des virus par l'OI sur des membranes intègres ou modifiées (ex : colmatage) ont donc été déterminés en mesurant la rétention d'un virus modèle de type phage MS2 et de substituts comme les sels (mesurés par conductivité), la rhodamine-WT (R-WT) ou les sulfates. La conductivité est, en effet, la technique de contrôle standard dans les stations de traitement des eaux (échelle industrielle).Le premier objectif de ce travail est d'évaluer l'utilisation d'un autre paramètre, les matières organiques dissoutes (DOM) comme nouveau substitut de virus et de déterminer l'impact du dysfonctionnement des procédés d'OI sur l'abattement des DOM et des sels à l'échelle industrielle. Les DOM peuvent en effet également être utilisées comme indicateur de qualité des eaux en fonction de leurs compositions et de leurs concentrations. L'abattement des DOM est donc testé comme nouvelle technique de surveillance afin de distinguer les fuites des changements de performance des membranes. Il est conclu que les DOM peuvent être utilisées comme nouvelle technique de contrôle. De plus, une variation de l'abattement des DOM peut aider à identifier des fuites de manière plus robuste que par l'abattement des sels. Le deuxième objectif est de déterminer l'effet des défauts membranaires sur les abattements d'un virus modèle (phage MS2) et de quatre substituts (R-WT, DOM, sulfate et sels) à l'échelle de systèmes de laboratoire. Deux systèmes à flux longitudinal est utilisés : une membrane plane et un module à spirale. Dans un premier temps, l'effet du colmatage sur les abattements de ces différents virus et substituts est étudié. Le colmatage organique, créé en utilisant un mélange de matières organiques, a pour effet d'augmenter de plus de 0,1 log les abattements de la R-WT, des sels et des DOM. Cette augmentation générale peut être due au blocage des cavités de la membrane et/ou par la sorption des substituts sur les matières organiques.Le colmatage inorganique, créé en utilisant un mélange de sels, n'a pas d'effet sur le rejet des substituts sauf pour les sels qui montre un comportement différent entre les deux systèmes. Dans le système à membrane plane, la couche inorganique permet d'augmenter le passage des sels à travers la membrane. Par opposition, il n'y a pas d'effet sur leur abattement avec le module à spirale. Cette variation entre les deux systèmes peut être causée par la différence de configuration (module à spirale contre membrane plane). Dans un deuxième temps, l'effet du chlore (modes passif et actif) sur la rétention de ces cinq composés est mesuré. Après un contact de 9000 ppm.h de NaOCl à pH 7, la surface membranaire change chimiquement. La formation de liaison Cl dans la couche en polyamide et la rupture des liaisons NH provoquent l'augmentation de la perméabilité à l'eau et diminuent l'abattement de l'ensemble des substituts. Malgré une forte diminution de 1,2 log de l'abattement en sel, l'abattement minimum du phage MS2 reste de 3 log.


  • Résumé

    One of the major applications of reverse osmosis (RO) process is the production of high quality recycled water by providing a barrier to remove organic and inorganic contaminants as well as pathogens including viruses. In order to protect public health, validation and monitoring of the RO process integrity are necessary to ensure its correct operation. During operation a certain degree of fouling is inevitable and can reduce RO membrane performance. Thus, chemicals are often used in water treatment plants to prevent or remove the membrane fouling. However, these chemicals can modify the integrity of the polyamide layer on RO membrane overtime. Up-to-date, the impact of membrane's physical change on its virus removal efficiency cause by the chemical use during operation is still not well understood.A minimum virus removal efficiency of intact and impaired (e.g. by fouling) RO membranes can be ascertained by measuring the rejection of MS2 phage and virus surrogates such as salt as measured by conductivity, rhodamine-WT (R-WT) or sulphate. However, conductivity measurement is the only full-scale standard monitoring technique. The removal of dissolved organic matter (DOM), which has been used as an indicator of water quality, can possibly be used for this purpose.The first objective of this work was to assess the suitability of DOM as a virus surrogate and to determine the impact of process failure on salt and DOM rejection in full-scale plants. A change of the conductivity does not necessarily mean that the membrane integrity has been breached. Thus, DOM monitoring has been tested and combined with the conductivity monitoring in order to distinguish between leaks and changes in membrane performances. It was concluded that DOM could be used as new monitoring technique. Moreover, a variation of DOM rejection can help identifying leaks better than just conductivity profiling alone.The second objective was to determine the effect of membrane impairments on the rejection of one model virus (MS2 phage) and four virus surrogates (R-WT, DOM, sulphate and salt) using lab-scale RO set-ups. To this aim, two different cross-flow set-ups were used: a flat-sheet and a single 2.5” spiral-wound module.Firstly, the effects of organic fouling and scaling on the rejection of model virus and virus surrogates were studied separately. Organic fouling was created using a mix of organic foulants. The result of this study showed an increase of the rejection by more than 0.1 log for R-WT, salt and DOM. The general increase of the surrogates' rejection might be due to the blocking of cavities of the polyamide membrane and/or to the sorption of surrogates to the fouling layer, which was observed by different autopsy techniques.Scaling was created using a mix of inorganic salts in order to reconstitute the composition of a RO feed water and avoiding the presence of organic foulants. Scaling was found to have no impact on the rejection of all tested virus surrogates except for salt. Salt rejection showed a change of behaviour between different set-ups: with the 2.5” module set-up the inorganic layer led to a stabilisation of the salt rejection, whereas the salt rejection increased with the flat-sheet set-up. This could be explained by the variations of the systems configuration (i.e. spiral module versus flat-sheet, feed spacer height, etc.).Secondly, the long-term impact of membrane ageing by exposure to chlorine, either active under filtration or passive by soaking, on the rejection of the model virus and four surrogates was studied. After a contact time of 9000 ppm∙h NaOCl at pH 7, the membrane surface chemistry changed. The introduction of chlorine in the membrane chemistry and the breakage of amide bonds caused an increase of the water permeability and a decrease of the model virus and virus surrogates rejection.


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