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
  • Developing an innovative treatment system that integrates hydrodynamic particle disruption with existing UV technology (HD-UV Disinfection Process).
  • Developing a simulation of particle breakage through an orifice using Fluent, a commercial computational fluid dynamics software. This component is in partnership with the CFD team at Trojan Technologies.
  • Partners met on a regular basis to collaborate.  Meetings involved the entire team of investigators, students, research associates and other collaborators, along with representatives from industry partners (Ministry of Environment, Environment Canada and Trojan Technology).
Résultats
  • The successful development of this low cost treatment technology will potentially increase the effective operating range of current UV technology, which in turn will increase the number and types of wastewater effluents that can be effectively regulated.
  • With further research and development, the UV hydrodynamic disinfectant method will be a cost-effective alternative to full-flow particle removal by filtration or membrane treatment, with significantly lower capital costs, smaller footprint, no sludge generation, and easier retrofitting.
  • While there are no immediate plans to develop a full-scale system, the project team intends to continue working with the partners to advance the research.
  • Additionally, this project helped train two graduate students, creating more highly qualified personnel in the field.
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Équipe de Recherche et Partenaires:

Équipe de Recherche

Steven Liss, Professor, Vice-Principal (Research), Queen's University
Ramin Farnood, Associate Professor and Associate Director, Pulp & Paper Centre, University of Toronto
Ian Droppo, Research Scientist, Environment Canada

Partenaires

Environment Canada
Trojan Technologies
Ontario Ministry of the Environment