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Eau potable : les membranes s'installent

30 novembre 2020 Paru dans le N°436 à la page 59 ( mots)
Rédigé par : Patrick PHILIPON

Puisant dans une ressource de plus en plus menacée, et devant prendre en compte de nouveaux polluants, les producteurs d’eau potable commencent à adapter leurs filières. Les technologies membranaires ont désormais toute leur place dans les usines, petites ou grandes.

Bien que l’eau distribuée en France soit conforme aux exigences des autorités sanitaires, les exploitants d’usines de potabilisation se tournent de plus en plus vers de nouvelles technologies pour compléter leurs filières de traitement. Dégradation réelle de la ressource ? Préoccupations nouvelles pour des polluants déjà existants ? Effets du changement climatique ? Anticipation d’un durcissement réglementaire ? Sans doute un peu de tout cela. Frédéric Colas, responsable “ingénierie” à la direction technique de la Saur, ne constate pourtant pas de dégradation des eaux de surface pour les paramètres classiques (matières organiques, MES, ...) et décèle même une certaine amélioration. Un constat que partage Christophe Perrod, directeur des services techniques du Sedif : « la Seine, la Marne et l’Oise, dans lesquelles nous puisons, sont en lente amélioration. La concentration chronique de polluants réglementés, ainsi que la fréquence des pollutions ponctuelles, ont tendance à baisser ». Alors d’où vient le problème ?

Installation Polymem osmose inverse basse pression pour production d'eau potable.

Tout d’abord, la pression sur les ressources augmente. « La France est globalement bien dotée en ressources mais avec des disparités selon les territoires. Avec le réchauffement climatique, le débit baisse dans certaines zones. La concentration en polluants augmentant de ce fait, les usines de potabilisation anciennes doivent mettre en place des filières plus efficaces » avance par exemple François Potier, de la direction technique France-Belgique-Suisse d’OTV (Veolia). « Des études hydrogéologiques indiquent une diminution des volumes. Les municipalités et les autorités de régulation en prennent conscience : il convient de limiter les prélèvements et les rejets dans l’environnement » renchérit Frédéric Colas, responsable “ingénierie” à la direction technique de Saur. Une situation que confirme Anne-Cécile Valentin, directrice générale d’Aquasource, une filiale de Suez WTS intervenant historiquement en ultrafiltration. « L’Angleterre, la Belgique et certaines régions françaises font fait d’ores et déjà face à un vrai problème de disponibilité de la ressource, et doit traiter des eaux plus dégradées qu’auparavant. En France, le marché municipal en est au stade de la prise de conscience. Du fait de l’évolution du climat, les ressources disponibles en eau de bonne qualité diminuent et il va falloir traiter des eaux de qualité inférieure » souligne-t-elle.

Par ailleurs, et même s’ils ne font pas encore l’objet de normes réglementaires, les micropolluants sont de plus en plus pris en compte. Métabolites de pesticides, résidus médicamenteux, perturbateurs endocriniens, perchlorates, composés perfluorés… : la liste est longue. « Les maîtres d’ouvrage prennent conscience de la nécessité de traiter les micropolluants, qui font de plus en plus souvent l’objet de demandes spécifiques sur les appels d’offre » affirme ainsi Frédéric Colas (Saur). A ces polluants dissouts s’ajoutent les microplastiques, eux aussi omniprésents dans les masses d’eau.
Face à cela, la réglementation tarde à émerger mais personne ne doute qu’elle surviendra tôt ou tard. Traiteurs d’eau et maîtres d’ouvrage se mettent donc d’ores et déjà en ordre de marche. « L’Europe normalise très lentement un grand nombre de micropolluants » souligne Christophe Perrod. « Il y a aujourd’hui des discussions au niveau européen sur la toxicité de certaines molécules dont des études épidémiologiques ont démontré les effets négatifs (cancer, perturbation endocrinienne, ...). Aucune valeur seuil n’est encore imposée mais de plus en plus de gros syndicats doivent moderniser leurs usines. Il n’y a pas de seuil réglementaire à respecter contrairement à la Suisse qui est engagée dans un ambitieux programme de mise aux normes.. Nous développons donc de nouvelles technologies de traitements des micropolluants », affirme pour sa part François Potier (OTV), qui sont déjà mises en œuvre dans quelques usines en France, Belgique et en Suisse avec les procédés Opacarb FL, Filtraflo Carb et Osmose Inverse basse pression. Anne-Cécile Valentin, pour Aquasource, le constate aussi : « la France et l’Europe n’ont pas encore de réglementation sur les micropolluants mais la recherche est intense et nous savons que ça va sortir. Comme les investissements se font à l’horizon d’au moins dix ans, les maîtres d’ouvrage essaient d’anticiper ».

Des membranes… mais pas seulement

Les traiteurs d’eau ne sont heureusement pas démunis : il existe d’ores et déjà un large panel de technologies à même de faire face aux nouvelles contraintes. Les microplastiques, particules en suspension du même ordre de taille que les bactéries, sont théoriquement pris en charge par les filières classiques (filtre à sable)… ou peuvent être arrêtés par des membranes d’ultrafiltration. Les micropolluants dissouts se traitent de trois façons : soit par adsorption sur charbon actif ou résine, soit par oxydation (ozone) soit par des membranes de nanofiltration ou, mieux, d’osmose inverse. Le choix se fait en fonction des caractéristiques de la ressource et des technologies déjà installées.
L’unité automatisée Aquasource Z-XS fournit une eau potable de qualité constante quelles que soient les conditions météorologiques.

Dans tous les cas, comme l’affirme Isabelle Duchemin, directrice commerciale du fabricant Polymem, « les membranes, qui arrêtent complètement les micropolluants et les micro et nanoplastiques, ont un rôle à jouer ». Ce que confirme François Potier (OTV) : « en France, les projets à base de membranes sont aujourd’hui moins nombreux que ceux faisant appel au charbon actif, mais nous utilisons des membranes depuis plusieurs décennies dans d’autres parties du monde. Nous mettons souvent en place des procédés combinant adsorption et ozonation. Ils ne traitent cependant pas le calcaire, et c’est aussi pour ça que les membranes vont se développer ». L’opposition entre membranes et autres technologies n’a d’ailleurs guère de sens puisque, bien souvent, elles sont utilisées conjointement.

« La membrane d’ultrafiltration seule ne peut pas faire tout le travail. Elle arrête les microplastiques et les bactéries mais laisse passer les polluants dissouts. Il faut donc la coupler avec des technologies d’adsorption ou de destruction (ozonation par exemple). Il arrive aussi que l'on doive traiter des eaux avec une forte charge organique par exemple liée à l'eutrophisation et à des colonies anaérobies. La membrane jouera son rôle de barrière physique, arrêtant les bactéries et les algues, mais en général cela s’accompagne de matières organiques résiduelles dans l’eau. Là, comme pour les micropolluants, il faut utiliser en plus l’adsorption ou l’oxydation » explique Anne-Cécile Valentin.

L’ultrafiltration maintient son rang

La France a connu une vague d’équipement en ultrafiltration à partir de la fin des années 1990. « L’objectif était alors la désinfection vis-à-vis de parasites résistants à la chloration, comme par exemple les oocystes de cryptosporidium » explique Frédéric Colas (Saur). Il constate cependant un ralentissement depuis quelques années car l’ultrafiltration est désormais concurrencée, pour la désinfection, par les systèmes utilisant les rayons UV, autorisées depuis 2012 et moins coûteux. Le coût des membranes reste d’ailleurs un sujet de débats. « Les membranes vont connaître un essor malgré leur coût. Nous travaillons également sur la réduction du Capex grâce à l’uniformisation de nos procédés. En 20 ans, nous avons divisé la consommation énergétique par quatre sur nos usines membranaires. Et ce n’est pas terminé » avance ainsi François Potier (OTV).
La technologie SIRION™ Seawater est utilisée notamment en dessalement d’eau de mer pour l’eau potable, l’irrigation ou la production d’eaux de process industriels.

Alors, le marché de l’ultrafiltration se tasse-t-il pour les “grosses” usines – sauf renouvellement des membranes ? Les avis divergent. La problématique nouvelle des microplastiques, que les procédés UV n’affectent pas, pourrait de nouveau changer la donne en leur faveur. En tout état de cause, l’ultrafiltration reste très présente pour des unités plus petites, en particulier celles traitant des eaux souterraines de bonne qualité mais sujettes à des épisodes de turbidité/pollution. Le fabricant français Polymem est très présent sur ce marché. « Nous réalisons beaucoup d’installations en traitement direct. Par le passé, pour traiter la turbidité ponctuelle, on mettait du chlore. Aujourd’hui les ARS contrôlent beaucoup plus, et les établissements avec uniquement une désinfection (sans filtration) sont incités à s’équiper en ultrafiltration. Nous avons donc eu beaucoup de marchés en eau de source et eaux forages ces dernières années. Sans compter l’utilisation en affinage derrière une filière complète pour les eaux de surface » affirme ainsi Maxime Zévaco, ingénieur commercial “eau potable” chez Polymem. « Au lieu de devoir distribuer régulièrement des bouteilles à leurs abonnés lors des pointes de turbidité, les collectivités s’équipent d’ultrafiltration. En termes de rentabilité, elles s’y retrouvent vite » ajoute Isabelle Duchemin.


Polymem propose toujours ses modules Gigamem en inox. L’innovation vient plutôt de la membrane elle-même. La firme a obtenu en 2018 l’ACS “eau potable” pour sa membrane Neophil®, développée avec Arkema. « C’est une membrane à base de PVDF mais nous avons retravaillé ce matériau pour supprimer ses inconvénients. Le PVDF est en effet très solide mécaniquement et chimiquement mais hydrophobe. Les fabricants rajoutent donc un adjuvant pour le rendre hydrophile. Or cet additif ne s’accroche pas dans le matériau et part avec le temps. D’où une perte d’hydrophilie et l’obligation de nettoyer plus souvent. De plus la taille des pores augmente avec départ de l’additif et il n’est plus possible de garantir les abattements sur les virus, par exemple. Le matériau de Neophil® comporte un copolymère hydrophile, et non un additif. Il est ancré dans la matrice de PVDF, ce qui évite le lessivage. Nous avons d'abord mis en œuvre Neophil® en traitement tertiaire d'eaux usées mais c'est un bon candidat pour l'eau potable, en particulier grâce à son absence de bisphénol » explique Maxime Zévaco.
Chaque unité PUROSUN® permet de produire 200 litres par heure à 15 m3/jour, d’eau potable de qualité OMS à partir de n’importe quelle eau de surface turbide (rivière, fleuve, lac).

Aquasource est lui aussi très présent sur le marché des eaux souterraines… mais pas seulement. « Nous intervenons aussi sur des eaux de lac (Léman, Annecy), de retenue, et même sur l’eau de la Seine comme à Vigneux-sur-Seine. Le prétraitement sera plus ou moins important selon l’origine de l’eau. L’ultrafiltration peut être utilisée en affinage pour garantir la qualité sanitaire, le gros des MES est alors enlevé en amont, ce qui permet de faire fonctionner la membrane avec une forte productivité. L’ultrafiltration peut aussi constituer le traitement primaire, et les membranes doivent alors faire face à des eaux plus chargées, de qualité plus variable (bloom algal dans les lacs, pluies dans les karst…) » expose Anne-Cécile Valentin. La société a réalisé un gros projet à Dubrovnik (Croatie) avec Suez TA. Dans cette ville attirant un fort tourisme estival, il a fallu installer six unités d’ultrafiltration en parallèle pour faire face à la forte variation saisonnière. Dans le même esprit, Aquasource a conçu et réalisé l'atelier d'ultrafiltration de l'usine de l'Apié, proche de Cannes, qui est exploitée par Suez Eau France pour la production de 2,200 m3/h (débit de pointe) d'eau potable pendant la période estivale, mais aussi de nombreuses petites installations dans les Alpes qui, elles, fonctionnent principalement l'hiver. La société a également équipé en ultrafiltration la commune de Charolles en 2019 dans le cadre d'un projet mené par Hydréa et installe actuellement trois unités d’ultrafiltration dans l’usine (Annecy - La Tour) pour une production de 1.000 m³/h. Aquasource multiplie dans le même temps les opérations de renouvellements avec la mise en place des nouvelles membranes multicanaux en PolyEtherSulfone (lavable à pH 2-12) en remplacement de l'acétate de cellulose qui était sujet aux casses de fibre et nécessitait une chloration à chaque phase d'arrêt.

La Saur a également installé des unités d’ultrafiltration en sortie de “grosses usines” pour affiner le traitement. « Stéreau a réalisé l’usine du Symperc (Syndicat Mixte de Production d’Eau Potable de la Région de Caen) à Louvigny. Inaugurée en décembre 2018, c’est une installation de 1.500 m3/h avec une filière complète qui se termine par de l’ultrafiltration » précise Frédéric Colas. Près d’Honfleur, la Saur a conçu une installation traitant un captage de source en milieu karstique avec un réacteur à charbon actif (Carboplus®) suivi d'ultrafiltration. La même association actiflo Carb/ultrafiltration vient d’être mise en service à Avranches Saint-Pair-sur-Mer, usine construite par OTV.
Dizzer XL 0.9 MB 60 W ACS système conçu par  inge, installé dans une unité d'eau potable à Nancy.

Les membranes d’ultrafiltration inge, de fabrication allemande, font désormais parti du panel de produits proposés par DuPont Water Solutions, qui est aujourd’hui la seule société à proposer un agrément ACS sur des membranes d’ultrafiltration, de nanofiltration et d’osmose inverse.

Si inge est aujourd’hui très bien implanté sur le marché municipal français, cela est notamment dû à la fibreMULTIBORE® en PES qui allie robustesse et hydrophillicité, permettant ainsi un excellent équilibre OPEX/CAPEX, explique DuPont Water Solutions. C’est notamment le cas sur le site de production d’eau potable de Nancy où la perméabilité est supérieure de 25 % aux autres membranes UF installées, et où aucune fibre n’a été réparée sur les 432 modules installées depuis cinq ans.

Osmose inverse à basse pression : plus qu’un “frémissement”

Bien qu’en concurrence avec l’adsorption ou l’oxydation pour le traitement des micropolluants organiques dissouts, l’osmose inverse se fait une place. Elle supplante même la nanofiltration car non seulement elle se révèle moins coûteuse et gourmande en énergie, mais elle seule peut arrêter des ions monovalents comme les nitrates, les perchlorates ou les fluorures. Et bien sûr le sel de mer (chlorure de sodium). Au point que même Méry-sur-Oise, l’usine emblématique du Sedif équipée en nanofiltration depuis 1999, passera à terme à l’osmose inverse (voir plus loin). « Les grands donneurs d’ordre comme le Sedif ou Eau de Paris ont pris conscience de l’intérêt de l’osmose inverse basse pression. En une seule étape, elle peut traiter la dureté de l’eau, les nitrates, les pesticides, les résidus médicamenteux, etc. » résume Frédéric Colas (Saur). François Potier d’OTV, confirme cette tendance. « Nous commençons à voir apparaître des cahiers des charges intégrant cette technologie, surtout émanant de gros syndicats. Elle élimine bactéries, virus, MES, ion mono ou multivalents. Elle est même efficace sur certaines molécules qui ne seraient pas arrêtées sur du charbon actif » précise-t-il.
Polymem, qui a assis sa réputation sur ses membranes d’ultrafiltration propose aussi l’osmose inverse basse pression « Nous proposons soit des membranes seules, soit des systèmes d’osmose complets, voire des systèmes couplant l’osmose inverse avec nos membranes d’ultrafiltration, car l’osmose inverse nécessite une filtration en amont, et l’ultrafiltration est le prétraitement idéal » précise Isabelle Duchemin.
L’agrément (ACS) des membranes représente en effet un des principaux freins à la pénétration de l’osmose inverse en France. « En France, les procédures d’agrément sont plus sévères qu’ailleurs en Europe. Cela ralentit le développement des technologies membranaires. Certaines membranes donnent de bons résultats en Angleterre, au Danemark, en Allemagne mais les fournisseurs n’ont pas fait la démarche sur le marché français » estime François Potier. Mais là encore, la situation évolue très vite. « Quand le Sedif et Eau de Paris ont réalisé leurs pilotes, les fabricants ont commencé à faire agréer leurs membranes. D’abord The Dow Chemical via son activité Dow Water and Process Solutions (aujourd’hui DuPont Water Solutions) qui équipe Méry en nanofiltration depuis 1999, et d’autres, notamment le japonais Toray, se sont lancés dans la procédure. Maintenant que le mouvement est lancé, on va pouvoir répondre aux appels d’offre pour de petites installations. Un skid d’osmose inverse automatisé peut en effet remplacer une filière complexe. C’est un marché qui commence à se développer » affirme Frédéric Colas.
Pour DuPont Water Solutions, qui dispose désormais d’agréments ACS aussi bien pour des membranes d’osmose inverse que des membranes de nanofiltration, le choix de l’une ou l’autre technologie dépend de la qualité de l’eau à traiter et des objectifs du traitement. Contrairement à une idée reçue, la nanofiltration rejette une grande partie des micropolluants et ceci de manière plus efficace que l’osmose inverse, quand cette dernière ne traite qu’une partie de l’eau, qui est ensuite mélangée à de l’eau non traitée. D’autre part, il est possible de réduire la dureté avec la nanofiltration tout en maintenant une concentration de minéraux suffisante, sans besoin de post-traitement, quand une osmose inverse qui abat la quasi-totalité du Calcium et du Magnésium, peut nécessiter une reminéralisation coûteuse. Selon Dominique Martin, responsable grands comptes chez Dupont Water Solutions, « l’innovation réside dans le développement de membranes performantes pour atteindre les objectifs de traitement spécifiques, tout en minimisant la consommation énergétique. La durabilité des membranes est essentielle pour des raisons économiques et d’empreinte environnementale. DuPont peut s’appuyer sur son expérience dans le domaine et de nombreuses références avec les membranes d’osmose inverse et de nanofiltration Filmtec™. La plus importante en France est l’usine de Méry, opérée par le SEDIF, où les membranes ont maintenu les performances attendues pendant plus de 8 ans avant leur dernier renouvellement ».

Est-ce vraiment cher ?

Autre frein souvent évoqué : le coût d’exploitation, supposé élevé, des systèmes membranaires. « Les systèmes d’ultrafiltration sont compacts, d’où un gain en génie civil. Les intégrateurs le voient, les agences de l’eau pas forcément… Et si demain le traitement des micropolluants se généralise, le sable sera insuffisant en prétraitement. Et les membranes présentent un avantage sur les résines : le couplage ultrafiltration et osmose basse pression répond à plusieurs problématiques (turbidité, micro et nanoalgues, bactéries, virus, pesticides, dureté, nitrates…). Lorsque la problématique est multiple, la solution membranes est un bon candidat », rétorque Maxime Zevaco (Polymem).

Sur ce sujet, le Sedif rejoint les arguments avancés par les grands traiteurs d’eau : au final, la décarbonatation induite par l’osmose inverse produit des économies. « Nous avons fait réaliser un audit par un cabinet international (Deloitte) pour avoir des chiffres incontestables. Résultat : le procédé avec osmose inverse que nous envisageons est créateur de valeur pour la collectivité. Le coût de traitement par osmose est un peu supérieur à une simple décarbonatation – environ 20 centimes par m3 au lieu de 15 – mais, même s’il était intégralement répercuté sur le prix de l’eau, chaque foyer réaliserait une économie de 100 euros par an due à la baisse du calcaire » affirme Christophe Perrod.

Des pilotes aux usines de production

Le Sedif s’apprête donc à franchir le pas. Bien qu’il dispose déjà d’usines très complètes, comportant des barrières multiples contre tous les polluants réglementés, le syndicat a lancé un plan visant à équiper toutes ses installations d’unités d’osmose inverse. Pourquoi ? « Se conformer aux normes, c’est un prérequis mais cela ne suffit pas à satisfaire l’abonné. Pour cela, il nous faut aussi répondre à trois préoccupations. D’une part le calcaire (notre eau est moyennement dure avec 25 degrés), d’autre part le goût de chlore et enfin les risques existants ou supposés de certains micropolluants, actuellement non normés mais qui peuvent inquiéter la population. Après analyse de la situation, nous avons décidé de rajouter des membranes d’osmose inverse basse pression à nos filières » répond Christophe Perrod. Ce qui représente un investissement d’un milliard d’euros sur les 5 à 7 ans à venir…
L’opération a commencé avec l’usine d’Arvigny, dont la mise en fonctionnement (pour l’osmose inverse) est prévue pour 2022. Les trois autres (Méry-sur-Oise, Choisy-le-Roi et Neuilly-sur-Marne) démarreront en 2027 ou 2028. C’est Stéreau, le bureau d’étude de la Saur, qui a remporté l’appel d’offre pour Arvigny. « L’osmose inverse traitera en une seule étape la dureté, les nitrates et les pesticides, ainsi que d’autres micropolluants potentiels. Nous sommes en phase de réalisation » affirme Frédéric Colas. La Saur réalise également des installations plus petites, en province, sur des eaux souterraines de bonne qualité mais très dures et/ou comportant des nitrates ou autres polluants.
Pour approvisionner Ostende (Belgique), OTV a conçu et construit une usine de production d’eau potable (12.000 m3/jour) à partir d’eau saumâtre. La Flandre est en effet en pénurie hydrique chronique et doit “importer” son eau potable de Wallonie. Mise en service en mars 2020 pour la Compagnie Intercommunale de Production et Distribution d’Eau Potable de Farys, OTV a conçu et construit l’usine d’eau potable qui traite l’eau du canal Bruges-Ostende. « Nous utilisons deux étages membranaires - microfiltration pour préparer l’osmose inverse, ici à haute pression - suivis de filtres à charbon actif. L’objectif est d’éliminer le sel, mais aussi l’aluminium, le fer et autres métaux, le baryum, la couleur, les pesticides, le benzène, le bore ainsi que les bactéries et les micropolluants. Nous voyons de plus en plus de projets de ce type. Cela viendra sans doute en France. Des départements comme la Vienne ou la Haute-Vienne, par exemple, manquent d’eau l’été. Il faudra préserver la ressource, recharger de retenues ou des nappes voire dessaler de l’eau de mer » avance François Potier.
Chemdoc Water, de son côté, entend développer ses ventes à l’export dans plusieurs pays d’Afrique et d’Asie du Sud Est avec sa technologie PUROSUN®. Conçu, développé dans la région de Montpellier puis testé au lac du Salagou, PUROSUN® est le résultat des projets de développement du consortium “Synergeau”. L’équipement ne répond pas seulement aux besoins des organisations non gouvernementales du secteur humanitaire, il répond plus largement aux besoins des entreprises du secteur du tourisme, et des collectivités locales qui souhaitent diminuer l’impact des bouteilles en plastique sur leurs sites naturels. 


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