Les procédés membranaires sont désormais incontournables pour traiter, recycler et réutiliser les eaux usées qu'elles soient urbaines ou industrielles. Les membranes ouvrent la voie à une vraie modularité qui facilite l'adaptation de l'installation aux variations de charge polluantes. Souvent couplées avec d'autres technologies, les techniques membranaires présentent de gros avantages en termes de compacité, d'économies en énergie et de maintenance. Les avancées technologiques enregistrées ces dernières années associées aux baisses de couts dopent l'intérêt des bioréacteurs à membranes.
L'eau est un bien précieux trop souvent dégradé par les activités humaines. C’est pourquoi, le recyclage des eaux résiduaires industrielles mais aussi urbaines est devenu ces dernières années un enjeu majeur un peu partout dans le monde.
L'offre technologique en matière de traite-
de recyclage ou de réutilisation des eaux usées traitées est désormais mature et de multiples procédés reposant sur des techniques membranaires se développent avec succès.
Modernes, économiques et compacts, ces procédés de filtration sur membranes, sous pression ou immergés, sont même devenus incontournables que ce soit pour équiper de nouvelles installations ou pour reconditionner d’anciens ouvrages comme des stations d’épuration par exemple.
« La filtration membranaire aligne trois avantages immédiats, explique Alain Metay, spécialiste applications produits chimiques des eaux de chaudières et des eaux résiduaires chez GE Water Process & Technologies. Le premier, c'est sa capacité à retenir les matières en suspension en deçà d'une concentration de 5 mg/litre, en tant que barrière mécanique. Le second, c'est une compacité de gestion des effluents (2/3 plus compacte) nettement plus performante que celle d’une installation classique. Enfin, la possibilité de réutilisation immédiate d’une eau industrielle ultrafiltrée pour tout procédé avec, éventuellement, un complément de traitement offre de réels atouts. »
Dans de nombreux pays, industriels et collectivités locales plébiscitent les procédés membranaires. À Singapour, par exemple, l’usine de production d'eau potable Newater recycle depuis 2005 une partie importante de ses eaux résiduaires urbaines vers les réservoirs d'eau potable de la ville. Sa filière de traitement est équipée des dernières technologies de pointe avec notamment deux barrières de filtration sur membranes, une désinfection aux ultraviolets et une post-chloration.
En Australie, suite à plusieurs années de sécheresse successives, l’État du Queensland, sur la côte Est, a lancé un grand projet de recyclage des eaux résiduaires urbaines, nommé le Western Corridor. Ce projet, sans équivalent dans le monde, vise à construire trois usines de recyclage (Bundamba 66 000 m³ ; Gibson Bay 100 000 m³ et Luggage Point 66 000 m³) qui alimenteront une réserve artificielle d'eaux à recycler.
D'autres grands projets ont été réalisés ou sont en cours de construction à Adélaïde, Durban ou encore Windhoek en Namibie. Cependant, ils restent souvent réservés à des contextes bien particuliers, dans lesquels les contraintes environnementales sont les moteurs principaux de choix. Le critère économique, même s'il reste important, est relégué au second plan.
En eaux usées, les diverses configurations des bioréacteurs à membrane (BRM) qui associent l'ultrafiltration à la technologie classique des boues activées permettent de répondre à la plupart des besoins, tant au niveau des effluents urbains qu'industriels.
Le BRM : pour les effluents urbains comme pour les effluents industriels
« Procédé de pointe aujourd'hui mature, le bioréacteur à membranes a vu le jour il y a une quinzaine d'années pour des projets pilotes installés sur de petites installations », explique Xavier Lebossé, Directeur Technique chez Degrémont. « Nous avons choisi d’investir tôt dans ces nouvelles technologies et une soixantaine de références sont maintenant en service dans le monde, ce qui nous permet d’afficher une grande expertise, tant en capacité qu'en diversité car les eaux à traiter et les réglementations à appliquer sont différentes en Europe du Nord, au Moyen-Orient, en Asie ou aux USA » poursuit-il.
Depuis son apparition, le procédé a largement fait ses preuves. Il est proposé en solution sur-mesure ou en unité standard packagée chez de nombreux acteurs : Biosep™ chez Veolia Water STI, Ultrafor™ chez Degrémont, Aqua-RM® chez Stereau, Pall-Aria™ MBR chez Pall, VRM™ chez Huber Technology, LEAPmbr™ chez GE Water, MemBioRex™ chez DMT, Bio-Cel™ chez Microdyn Nadir, BioClean chez Hytec Industrie, Puron™ chez Koch Membranes Systems, Membray® chez Toray, MP4 chez Orelis ou Compact 32V™ chez Pentair.
Il est également mis en œuvre seul ou plus souvent associé à d'autres filières par des traiteurs d'eau tels qu'Actibio, Afig’eo, Algotec, Firmus, Ovive, Biome, Eaupro, Elmatec, Callisto, Tecnofil ou LCE.
Le Biomembrat® d'Ovive est par exemple adapté aux fortes charges polluantes difficilement biodégradables. Il associe une biologie, des membranes d'ultrafiltration externes et une finition, si besoin, par adsorption sur charbon actif ou d'autres techniques membranaires telles que la nanofiltration ou l'osmose inverse.
Les membranes d'ultrafiltration permettent d'atteindre des concentrations en bactéries quatre fois plus importantes dans le réacteur biologique qu’avec une boue activée traditionnelle : l'emprise au sol est donc réduite. Ainsi, Ovive propose de les installer en container, ces unités deviennent alors mobiles. La vitesse de circulation importante dans les membranes implique une filtration tangentielle et permet ainsi d'espacer les lavages des membranes.
Outre la compacité et la souplesse des systèmes, les acteurs du secteur ont travaillé sur la tenue dans le temps des membranes et sur les économies d’énergie qu'elles offrent désormais à ceux qui les utilisent. « Bien installée, bien exploitée, l'ultrafiltration autorise une dizaine d’années de service pour une station d’épuration classique, durée qui sera généralement plus courte pour les traitements des eaux industrielles », souligne Xavier Lebossé.
Degrémont, qui construit et exploite de nombreuses stations d’épuration reposant sur ces techniques, capitalise un important retour d'expériences d’autant que les technologies ont fortement évolué ces dix dernières années, tant côté fabricants de membranes que côté assembleurs et techniques d’exploitation. « Aujourd'hui, nous développons deux technologies pour les BRM. Les membranes plaques mises en œuvre dans le procédé Ultragreen™ et les membranes Ultrafor™ qui associent des fibres creuses pour la filtration pratiquement sans limite de capacité », précise Xavier Lebossé.
L'Ultragreen™ fonctionne sur le principe de la filtration out/in (filtration de l'extérieur vers l'intérieur en immersion). Il est capable d’opérer avec des fortes concentrations dans des bassins membranaires pouvant aller jusqu’à 15 g/l. Ce procédé est conçu à partir d'une membrane d'ultrafiltration hydrophile Toray ayant un seuil de coupure de 0,08 μm. Chaque plaque membranaire de six millimètres est espacée de 7,5 mm des membranes adjacentes.
L'Ultrafor™ repose également sur le principe de filtration Out/In en immersion avec 0,035 μm de seuil de coupure, créant une barrière physique contre les bactéries. Fournies par GEW, ces membranes fibres creuses de diamètre interne 0,8 mm et de diamètre externe de 1,9 mm sont obtenues par extrusion du matériau au travers de filières annulaires. Elles sont regroupées...
en modules assemblés en cassettes placées les unes à côté des autres dans un bassin. Le fonctionnement de l'ensemble est totalement automatisé. « Avant clarification par les membranes d'ultrafiltration, la pollution est dégradée par activité biologique au cœur du BRM. L'eau interstitielle épurée est aspirée vers l'intérieur des membranes, la liqueur biologique restant à l'extérieur. Parallèlement, un dispositif d’aération continue par émission de bulle agit durant le transfert. Chaque membrane de l'Ultrafor™, issue d'une chimie de pointe, est une fibre creuse en PVDF (Polyvinylidene Fluoride) », explique Marc Caligaris, Chef de Projet Innovation à la Direction technique de Degrémont.
En matière de recyclage, l'Ultrafor™ offre une qualité d'effluent propre à répondre aux normes de rejets les plus exigeantes avec un post-traitement qui sera, en fonction de l'application, une désinfection par UV, un traitement par osmose inverse ou par électrodialyse.
« Durant la filtration, une mesure constante de la perte de charge par rapport au débit va déclencher des séquences de rétrolavage ou de relaxation qui permettent de garantir une épuration constante en qualité et quantité. La même pompe sert donc à la succion et au rétrolavage des fibres, séquence entièrement automatisée qui est effectuée toutes les dix minutes environ. Toujours en mode automatique, un lavage de maintenance est effectué deux fois par semaine et un lavage de régénération est prévu une fois par an » précise Marc Caligaris. Sur la station d’épuration de Grasse Roumiguières (24 000 EH), construite par Degrémont, la clarification et la désinfection sont assurées par 4 lignes de 2 cassettes de membranes Zenon, soit plus de 10 000 m² de surface filtrante. Les eaux épurées s'écoulent en surface par surverse avant de rejoindre le vallon voisin.
Conformément aux exigences de la directive-cadre européenne, les normes de rejets sont devenues plus sévères, notamment en zones sensibles ou pour les eaux de baignade, et la barrière physique maîtrisée de la filtration membranaire assure la qualité du rejet en MES. De plus, cette qualité reste constante et indépendante des variations de charges hydrauliques.
De son côté, Stereau a noué depuis la fin des années 90 un partenariat avec le fournisseur de membranes Kubota pour développer le procédé Aqua-RM®. Les premières références en 2002 dans l’industrie ont été suivies à partir de 2004 par des réalisations principalement en traitement des eaux résiduaires urbaines. Avec plus de 44 références depuis 2002, l’Aqua-RM® est aujourd'hui mature. Le procédé a connu de nombreuses évolutions depuis ses origines, avec une augmentation des surfaces des modules de filtration, une plus grande compacité et une réduction de la consommation énergétique. Cependant, la membrane elle-même reste inchangée depuis les premières références. Cette expérience permet de garantir aujourd'hui performances et fiabilité.
Le nouveau module SP 400 et le progiciel Aqua-Eval, déployés sur les stations Clohars Carnoët, Plouharnel, Vence et Vendôme, constituent les dernières avancées de l'Aqua-RM®. Le module SP 400 représente une évolution importante par rapport aux modules antérieurs. Il est constitué de l'empilement de 40 « blocs » de membranes.
membranes de 10 m² de surface unitaire, ce qui permet de réduire les coûts et la consommation énergétique et d’augmenter la compacité. Les principes de fonctionnement de l’Aqua-RM® restant inchangés (injection d’air en partie inférieure des modules, filtration par simple gravité, absence de rétrolavage), le procédé reste robuste et simple d’utilisation.
Lutter contre les facteurs limitants des procédés membranaires
Le verrou technologique principal à la généralisation en France et en Europe du recyclage des eaux résiduaires urbaines par les technologies membranaires provient d’une limitation des performances de filtration des membranes en raison de leur colmatage. Cette tendance au colmatage, qui peut avoir plusieurs origines, est souvent due à la présence, dans les eaux résiduaires, d’un cocktail de fragments cellulaires, de flocs bactériens, de macromolécules organiques, d’exo-polymères et autres petits composés organiques qui ont une grande affinité avec les matériaux membranaires actuellement sur le marché. L’adsorption sur et dans le corps de la membrane de filtration est intense et se traduit par des flux de dimensionnement faibles et la nécessité de recourir à des procédés extensifs relativement coûteux.
Mais les alternatives existent. Elles consistent à agir sur la configuration du procédé (BRM à membranes immergées externe par exemple), ou bien à développer plusieurs stratégies de lavage et de maintenance des membranes, soit par lavage hydraulique ou rétrolavage, par soufflage d’air, par lavage chimique ou par la combinaison de ces options. Microdyn-Nadir a par exemple développé un procédé baptisé MCP reposant sur un lavage sans produit chimique grâce à un processus mécanique utilisant des granulés.
Il est aussi possible de travailler sur l’effluent arrivant sur la membrane en le prétraitant afin, notamment, d’oxyder ces matières organiques.
Une autre voie prometteuse consiste à développer de nouvelles membranes moins sensibles au colmatage. Les principaux fournisseurs de membranes tels que Tami, Norit X-Flow, GE Zenon, Kubota, Pall, Millenium, inge, Aquasource, Toray ou encore Polymem travaillent activement pour limiter les phénomènes de polarisation de concentration et de colmatage. Polymem, partenaire des principaux traiteurs d’eau français et internationaux, travaille activement depuis plusieurs années sur ces différentes alternatives. Cette PME toulousaine a par exemple été un des acteurs principaux du projet Life+ Purifast, coordonné par Next Technology Tecnotessil, qui avait pour objectif de traiter et recycler un effluent de l’industrie textile mélangé à des eaux usées municipales. Ce procédé associe un prétraitement oxydatif avancé (ozone, ultraviolet, peroxyde d’hydrogène, ultrasons) en tandem avec une membrane d’ultrafiltration. Tous les procédés d’oxydation ont été dimensionnés pour produire des radicaux hydroxyles. Ces radicaux détruisent les composés organiques avant leur arrivée sur les membranes.
Une installation de démonstration Polymem a été implantée avec succès sur la station de traitement des eaux usées de Prato (banlieue de Florence, en Italie). Le couplage des deux technologies a permis de travailler de façon pérenne sur des périodes d’essais supérieures à six mois. Actuellement en cours de dimensionnement, le recyclage de l’eau est ensuite destiné aux ateliers textiles et à l’irrigation.
Les concepteurs de BRM optimisent également leurs systèmes pour exploiter au mieux et le plus longtemps possible les propriétés des membranes.
Biosep™ Pack, lancée il y a dix ans par Veolia Water STI, a ainsi fait peau neuve.
Alfa Laval sous l’appellation Biosep™ Pack 3. Parmi les principales nouveautés, une substitution de la pompe de filtration par un système gravitaire (consommation électrique est divisée par deux), l’intégration d’un système “Start & Stop” pour l’alimentation en air, une gamme élargie pour traiter des débits atteignant 110 m³/h, un renforcement de l’ergonomie du système (plateforme d’accès) et de sa flexibilité (installation ajustable à chaque site en intérieur ou en extérieur) et l’usage de matériaux plus résistants (membranes PVDF, cuves membranaires en résine renforcée).
Alfa Laval a développé de son côté deux solutions qui illustrent bien les progrès accomplis. La première, dénommée “Module ISO-DISC®”, consiste en un élément en toile conçu pour le traitement continu utilisant un média de filtration fixe et un système de décolmatage à contre-courant contrôlé par automate programmable. Ses composants immergés sont en inox ou en matériaux non métalliques. Les applications concernent la filtration tertiaire, la réutilisation d’eau, les flux liés aux procédés et le traitement de l’eau de surface. Ce principe, destiné tant aux applications industrielles que municipales, est conçu de manière robuste et efficace pour réutilisation d’une eau de qualité, à partir d’une filtration de l’extérieur vers l’intérieur avec un faible ratio empreinte au sol sur débit traité.
Le module est extensible pour de modestes débits de lavage à contre-courant avec des concentrations et charges hydrauliques élevées. Sa capacité demeure ininterrompue durant le cycle de lavage. Chaque module dispose d’un contrôle individuel des plaques filtrantes.
En fonction des dimensions des cellules et de la géométrie des plaques carrées ou rectangulaires, au standard constructeur, l’utilisateur dispose d’un éventail de choix pour traiter un flux quotidien typique compris entre 142 m³ par jour par plaque et jusqu’à 1 700 m³ par jour par plaque. L’utilisation d’un média filtrant fixe réduit la puissance nécessaire au fonctionnement du module et permet de retirer individuellement chaque plaque pendant que le filtre continue à fonctionner. Durant le rinçage à contre-courant, le support de toile reste fixe, alors que la mécanique de contre-courant horizontal se déplace verticalement, aspirant les solides récupérés sur le support de toile.
Au début du cycle de lavage à contre-courant, initié par une perte de charge sur le filtre, les vannes à commande électrique séparent le collecteur de lavage à contre-courant et nettoient le support en tissu uniquement sur cette portion du collecteur. Cette stratégie assure un nettoyage complet de la toile filtrante tout en réduisant le débit de retour de l’eau de lavage vers les installations de traitement. La toile filtrante capte les impuretés jusqu’à dix microns sans avoir à constituer une couche filtrante au préalable et ce, dès le début du procédé. Les toiles autorisent un nettoyage complet, en utilisant l’eau filtrée provenant de l’intérieur de la plaque filtrante. Ainsi, la toile peut être remplacée alors que le filtre reste en service.
Alfa Laval propose également de combiner deux technologies de membranes, à savoir celles à fibres creuses (HF) et les membranes planes (FS) très utilisées dans les bioréacteurs de traitement des eaux usées. Les membranes à fibres creuses autorisent un nettoyage avec recirculation du liquide pour un encombrement minimum alors que les membranes planes qui sont moins sensibles à l’encrassement, permettent un fonctionnement gravitaire sans pompes et accessoires tout en opérant à de faibles pressions transmembranaires (TMP). Issu de cette combinaison, le module de filtration membranaire MFM associe un empilement de plaques montées sur un châssis inox équipé de ses connexions. Plus hautes et plus larges, ces unités favorisent une circulation efficace de bas en haut de la liqueur mixte alors que le perméat passe au travers des membranes. Pour renforcer la circulation des flux entre les membranes, des bulles d’air sont utilisées afin de générer une vitesse d’entraînement créant un balayage. Que le module soit simple, double ou triple, l’air est injecté par un aérateur unique positionné en pied de module.
L’ensemble assure le drainage du perméat sur toute la surface de membrane, chaque module étant équipé de collecteurs reliés au collecteur principal en partie haute. Compacte et empilable, l’unité MFM réduit les coûts d’exploitation pour une meilleure qualité d’effluents. Les membranes sont moins encrassées, leur durée de vie est prolongée avec peu de nettoyage et sans rétrolavage. De plus, ces membranes en fluorure de polyvinylidène (PVDF) résistent aux acides, aux substances caustiques et aux oxydants. Chaque module fonctionne en alternant des phases de filtration puis de relaxation. Ce module MFM concerne aussi bien les effluents urbains que les rejets industriels. Le traitement primaire se limite à un tamisage fin et, si besoin, à un traitement des graisses en amont du bioréacteur à membranes.
L’eau ainsi traitée peut être immédiatement rejetée en milieu naturel ou utilisée pour l’irrigation. Le dimensionnement est fonction du régime hydraulique (maximum mensuel, maximum hebdomadaire, maximum journalier et pointe horaire).
Faciliter l’évolutivité, l’exploitation et la maintenance
Interchanger les modules d’ultrafiltration, pouvoir faire évoluer les unités de traitement d’eau sont des éléments clés pour l’exploitant. Développé par Degrémont et commercialisé par Aquasource pour la gamme de 40 à 3 600 m³/j et protégé par cinq brevets, SmartRack™ met en œuvre une structure métallique capable de recevoir des modules de membranes d’ultrafiltration de marques différentes, indépendamment de leurs dimensions et raccordements spécifiques. Il permet ainsi l’interchangeabilité des modules d’ultrafiltration et l’évolutivité des unités de traitement d’eau qui les mettent en œuvre. La solution qui fonctionne en mode de filtration frontale se décline en production d’eau potable, de dessalement, d’eau de procédé industriel et pour le traitement et la réutilisation des eaux résiduaires. Elle a été mise en œuvre par Degrémont sur le site de Thalès Australia à Mulwala en Nouvelle-Galles du Sud.
La facilité d’exploitation reste également un élément important. Avec InSight, GE Power & Water propose à ses clients non spécialistes du traitement des eaux usées par techniques membranaires, non seulement des produits, mais aussi des services liés à l’exploitation et à la maintenance de leurs unités. « Ce programme associe surveillance, analyse, diagnostic et assistance technique à distance pour tout module membranaire. Cette surveillance déportée permet de gérer une centrale 24 h/24, sept jours sur sept. Le programme InSight archive les données puis les analyse pour anticiper tout dysfonctionnement potentiel afin de mener des actions de maintenance préventive », explique Laurent Moncho, Responsable commercial équipements France chez GE.
Le système InSight permet une visualisation à partir de tout navigateur internet sur un PC, tablette ou smartphone, sans logiciel spécifique préalablement installé. Il permet une optimisation de la durée de vie des modules membranaires. Côté assistance technique, l’analyse lors du nettoyage des filtres va identifier les salissures afin d’optimiser des protocoles spécifiques de nettoyage en cas de nécessité, surtout avec certaines installations industrielles.
En complément de cette surveillance à distance, des visites de service sont préparées afin de vérifier le fonctionnement de la centrale et pour surveiller sur site toute dérive des points de consigne.
Afin de garantir les performances de traitement des eaux, GE offre à ses clients des accords de rendement de la membrane (MPA) de manière à maintenir la performance des modules membranaires en service. Cette durée de vie est de l’ordre de huit à douze ans pour des applications municipales alors que pour les installations industrielles, la durée de vie des membranes est généralement de six à huit années.
L’Aqua-Eval de Stereau facilite également l’exploitation. Ce progiciel, implanté dans la supervision, est destiné à évaluer le niveau de colmatage des membranes et à alerter l’opérateur lorsqu’il est nécessaire de programmer un lavage chimique (2 à 4 fois par an selon les applications). Il fonctionne par analyses des flux de filtration et des pressions transmembranaires. L’évolution du niveau de colmatage est accessible à l’opérateur et archivée dans la supervision. En cas de niveau élevé, l’information est affichée de manière préventive sur la supervision, alors que le réacteur membranaire continue de fonctionner de manière
Ceci permet de programmer le lavage au moment sélectionné par l’opérateur, en dehors de toute procédure d’urgence. Le lavage, réalisé simplement par injection de réactif dans les modules, n'engendre aucun démontage, ni manipulation de ces derniers. Une demi-journée suffit à un seul opérateur pour réaliser cette opération.
Reste à choisir le bon procédé. Plus particulièrement pour les effluents industriels, le procédé à mettre en place et le choix de la membrane dépendent de la nature de l’effluent à traiter et de l’objectif à atteindre.
Pour permettre aux industriels et collectivités de faire le bon choix technique, Firmus France est équipé d'une halle technique et d'un laboratoire d’analyse lui permettant de réaliser des études de faisabilité afin de définir la meilleure solution technico-économique à mettre en œuvre avant la réalisation industrielle.
En tout état de cause, ces procédés n’ont pas fini de se développer. D’autant qu’ils sont souvent mis en œuvre lorsqu'il s'agit de réutilisation d’eaux usées traitées. Plusieurs projets de développement sont en cours pour étendre leur spectre d’application. Le Projet NOWMMA vise par exemple à définir une filière de traitement exportable en France et dans les pays méditerranéens. Elle comprend, au-delà de l'épuration secondaire, une purification par filtration sur lit épais ou par filtration sur membrane avant un stockage de l'eau traitée couplé ou suivi d'une désinfection UV. Quant au Projet européen AquaFit4Use, il est centré sur la réutilisation des eaux usées industrielles sur sites papetiers, chimiques, textiles ou agroalimentaires et repose également largement sur les techniques membranaires.
