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Essais pilotes pour l’élimination des micropolluants par Osmose Inverse

Julien Ogier 03 novembre 2018 Paru dans N°415 - à la page 139 ( mots)

Il existe différentes approches pour éliminer les substances traces. Un projet intitulé MULTI-ReUse (www.water-multi-reuse.org) est en cours de réalisation afin de comparer et d'évaluer différentes technologies. Les résultats des premières expériences confirment le rejet fiable des micropolluants/substances à l'état de traces par osmose inverse.

Au cours des dernières décennies, la qualité des eaux de surface s’est considérablement améliorée grâce à l’introduction de technologies modernes de traitement des eaux usées et au durcissement des exigences. Cependant, ce n’est que grâce aux dernières technologies d’analyse qu’il est également possible de tester des ressources en eau pour détecter des substances qui, bien qu’elles ne soient présentes qu’en faibles quantités, peuvent constituer une menace pour l’homme et l’environnement.


Ces « substances à l'état de traces » ou micropolluants sont présents dans les ressources en eau à des concentrations de l’ordre du nanogramme par litre ou de quelques microgrammes par litre au plus. Ils entrent dans le cycle de l'eau via les eaux usées domestiques ou industrielles, les substances organiques synthétiques proviennent de diverses sources, telles que les médicaments, les cosmétiques, les pesticides ou les produits chimiques domestiques et industriels. Ils ne peuvent pas être éliminés des eaux usées à l'aide de technologies de traitement conventionnelles et entrent donc dans l'environnement.

Il existe différentes approches pour éliminer les substances traces. Par exemple, des projets de recherche examinent actuellement les traitements par adsorption et par oxydation, ainsi que la filtration sur membrane ou une combinaison de ces technologies. Cette dernière approche est la plus prometteuse, car les technologies présentent chacune des faiblesses différentes. Par exemple, la technologie d'adsorption utilisant du charbon actif n'absorbe pas tous les groupes de substances de la même manière ; un processus d'oxydation peut produire des sous-produits nocifs ; et, dans le cas de la filtration sur membrane, il est essentiel d’empêcher ou de réduire l’encrassement. La microfiltration ou l'ultrafiltration peut être utilisée comme procédé membranaire, mais uniquement en combinaison avec une technologie d'adsorption. En effet, bien que la filtration membranaire puisse rejeter de manière fiable les particules dans les eaux usées, elle n’est pas efficace contre les petites substances organiques. Ces dernières ne peuvent être rejetées de manière fiable que par osmose inverse (OI), bien que cela nécessite également une pression d'application plus élevée. Le tableau 1 ci-après montre les taux de rejet des micropolluants mesurés en utilisant l'osmose inverse en laboratoire.

Projet de recherche BMBF

Avec le soutien du Ministère fédéral allemand de l'éducation et de la recherche (BMBF), un projet intitulé MULTI-ReUse (www.water-multi-reuse.org) est en cours de réalisation afin de comparer et d'évaluer différentes technologies. Outre les instituts (IWW Water Center Mülheim, par exemple) et les universités, le projet compte parmi ses partenaires le fournisseur d'eau Oldenburgisch-Ostfriesische Wasserverband (OOWV) et la division Lanxess Liquid Purification Technologies, unité représentée par IAB Bitterfeld (filiale à 100 % de Lanxess) en tant que producteur d’éléments d’Osmose Inverse. Le projet vise à développer et à expérimenter des chaînes de traitement modulaires et à démontrer la production sans faille d'eau de service dans les quantités nécessaires. À cette fin, une usine pilote a été installée dans une usine de traitement des eaux usées à Nordenham, dans le nord de l’Allemagne, une des applications possibles de la réutilisation des eaux usées dans les zones côtières comme fourniture d’eau de service aux entreprises et à l’industrie. Dans ce district les usines sont actuellement alimentées par de longues conduites d’eau reliant les usines de distribution d’eau des régions environnantes. En alternative, des procédés de dessalement plus coûteux seraient nécessaires pour répondre à la demande en eau de l'industrie locale.
Figure 1 : Traitement des eaux usées sur l’unité pilote du projet de recherche BMBF à Nordenham.

Pilote

L'unité pilote est composée de deux lignes distinctes afin de permettre la comparaison de différentes conditions de traitement. L´unité pilote est décrite dans la figure 1. Après l’étape biologique, les eaux usées sont traitées par précipitation ou floculation puis par ultrafiltration (UF). Alors que la fonction de l'UF est d'éliminer les particules, l'élimination des sels et des micropolluants est effectuée par osmose inverse. Un autre objectif est de mettre en place un processus stable et économe en énergie. Chaque ligne d’osmose est composée d’un carter pression de quatre pouces avec trois éléments installés. L'élément de type Lewabrane® B085 FR 4040 (FR = résistance à l'encrassement) est installé sur une ligne et le type Lewabrane® B085 ULP 4040 (ULP = ultra basse pression) est installé sur l'autre ligne. L'adsorption de particules sur la membrane représentant l'un des principaux problèmes, deux types de membranes ont été testés. Le type FR a une membrane dense moins sujette à l’encrassement, tandis que le type ULP a une structure ouverte afin de réduire la consommation d’énergie.

Résultats de l'osmose inverse

La phase de test avec les premiers éléments a duré environ deux mois. Pendant ce temps, la pression, le débit, la conductivité, le pH et la température ont été mesurés automatiquement plusieurs fois par jour. Des analyses de l'eau ont également été effectuées régulièrement. Les mêmes taux de récupération et de débit ont été configurés pour les deux types de membrane afin de permettre la comparaison du comportement de l’encrassement et de la performance des éléments. Comme ces membranes ont des spécifications différentes, la pression appliquée pour le type FR était environ 30 % plus élevée que celle pour le type ULP. Cependant, le taux de rejet du type FR à la fois pour les substances organiques mesurées en tant que carbone organique total (COT) et pour les sels (mesurée en conductivité) était - comme prévu - d’environ 1,5 % plus élevé. Néanmoins, il a été démontré que les membranes d'Osmose Inverse testées permettaient d'obtenir une qualité d'eau très élevée, avec des taux de rejet supérieurs à 95 % pour le COT et à 97 % pour les sels.
Au cours des essais, des substances comprenant du diclofénac et du benzotriazole ont été mesurées afin de déterminer leur taux de rejet. Avec la membrane ULP, elle était égale à 99,8 % pour le diclofénac et à 88,0 % pour le benzotriazole - ces deux valeurs, déterminées dans des conditions réelles, sont supérieures à celles mesurées en laboratoire.

Projection et calcul d'énergie

Outre la mesure régulière des sels dans l’eau, l’étude a également permis de déterminer avec quelle précision on pouvait prédire la performance, et en particulier le rejet d’ions, dans le processus d’osmose inverse. Ceci a été examiné à l'aide du logiciel LewaPlus®, développé par Lanxess, qui inclut des paramètres de calcul pour les types d'éléments Lewabrane® utilisés ici. Le programme peut calculer non seulement la qualité de l’eau pour différentes températures, mais également la pression et donc les besoins en énergie de l’usine. Il sert donc d'aide à l'évaluation du processus.

Une comparaison des résultats mesurés avec la projection révèle un bon accord entre les deux séries de chiffres, comme le montre le tableau 2. La création d'une projection d'un tel système est un processus très compliqué, car elle doit tenir compte non seulement de la contamination, mais également des influences de la température et de l'interaction des ions entre eux et avec la surface de la membrane.

De plus, la projection peut être utilisée pour calculer l'énergie nécessaire à ce processus à l'aide des valeurs de pression mesurées à 15 °C. Avec un rendement de pompe de 78 % et un rendement de moteur de 90 %, le besoin total en énergie pour le processus pilote d’osmose inverse est égal à 0,89 kWh/m³ pour le type ULP et à 1,31 kWh/m³ pour le type FR.
Avec l'aide du logiciel LewaPlus®, ces résultats ont été utilisés pour prédire le traitement de l'ensemble des rejets de la station de traitement d'eau de Nordenham : à un débit de 8.500 m³/jour et à un rendement de 75 %, la pression requise à 15 °C serait de 8 bars pour un système avec 36 carters pression et six éléments par carter dans le premier étage, ainsi que 19 carters pression avec six éléments par carter dans le deuxième étage. Les besoins en énergie seraient de 0,47 kWh/m³ avec les mêmes rendements de pompe et de moteur que ceux mentionnés ci-dessus en utilisant une membrane ULP.

Résumé et perspectives

Les résultats des premières expériences avec Lewabrane® dans le cadre du projet Multi-ReUse sont convaincants et confirment le rejet fiable des micropolluants/substances à l'état de traces par osmose inverse. Il était également possible de réduire considérablement les besoins en énergie en utilisant une membrane ULP.