À la fin de l'année 1997, la première application industrielle de charbon actif en poudre combiné aux membranes d'ultrafiltration (CAP-UF) pour la production d'eau potable était mise en ?uvre sur l'usine de Vigneux-sur-Seine (France). Ce procédé membranaire avec adsorption sur charbon actif avait pour objectif l'amélioration de la qualité microbiologique de l'eau traitée et l'atténuation des épisodes saisonniers de goûts et odeurs dans le réseau de distribution. Cet article présente les résultats d'une étude de suivi de la qualité organique et microbiologique menée sur le réseau alimenté par l'usine de Vigneux pendant deux ans avant (1996-97) et après (1998-99) la mise en ?uvre du procédé CAP-UF. Les résultats de cette étude montrent que l'application du charbon actif en poudre dans les membranes d'ultrafiltration permet de réduire efficacement les concentrations de matière organique. Cette réduction de matière organique totale se traduit en une amélioration significative en terme de goûts et odeurs, de formation de sous produits de désinfection, de stabilité microbiologique et de couverture de désinfectant dans le réseau.
En janvier 1998, un procédé de traitement unique a été mis en place pour rénover la station de traitement d’eau de Vigneux-sur-Seine en vue d’améliorer la qualité organique et microbiologique de l’eau distribuée. Ce procédé, dont le nom commercial est CRISTAL® (acronyme de Combination of Reactors, Including membrane Separation Treatment and Adsorption in Liquid, réacteurs combinés associant séparation par membranes et adsorption dans un liquide), consiste à combiner l’adsorption sur charbon actif en poudre et l’utilisation de membranes d’ultrafiltration. Il a été intégré sur la station comme traitement d’affinage après les traitements existants de coagulation-décantation, filtration sur charbon actif en grains et ozonation. Ce procédé a permis d’élargir le champ d’application du traitement.
Mots clés : Vigneux-sur-Seine, CRISTAL®, Ultrafiltration, Adsorption, Chlorination, Disinfection, Réseau de distribution, Matières organiques.
cation des membranes d'ultrafiltration au traitement des eaux de surface (Baudin et al. 1997). CRISTAL® est aujourd'hui appliqué sur 18 usines en Europe pour une capacité de production totale installée de plus de 350 000 m³/jour.
Le but de cette étude était d'évaluer l'impact de la mise en œuvre du procédé CRISTAL® à Vigneux sur la stabilité biologique de l'eau dans le réseau de distribution. L'étude a consisté à mettre en place un suivi complet de la qualité de l'eau et des conditions biologiques dans la filière et son réseau de distribution pendant deux ans avant (1996-97) et deux ans après (1998-99) la mise en place du traitement sur charbon actif en poudre et ultrafiltration. Les résultats préliminaires de l'étude ont fait l'objet de publications antérieures (Najm et al. 2000 ; Campos et al. 2000a).
Protocole expérimental
Filière de traitement
Située à une trentaine de kilomètres au sud-est de Paris, l'usine de Vigneux-sur-Seine, appartenant à Lyonnaise des Eaux France, est exploitée par cette dernière. D’une capacité de 55 000 m³/jour, elle dessert environ 200 000 habitants. L'eau de la Seine alimente la station de traitement. Le tableau 1 ci-dessous présente quelques-uns des paramètres représentatifs de la qualité de l'eau brute.
Tableau 1 : Paramètres de qualité de l’eau brute de Vigneux-sur-Seine (janvier 1997 à novembre 1998)
| Paramètre |
|---|
| COT, mg/l |
| CODB, mg/l |
| UV, DO/m |
| Turbidité, NTU |
| Température, °C |
| pH |
| NH₄⁺, mg/l-N |
Avant réhabilitation, la filière de traitement comportait les traitements suivants : pré-chloration, coagulation, floculation, décantation, filtration sur charbon actif en grains (CAG) et post-chloration. Des procédés complémentaires d’affinage ont été mis en place progressivement dans le but d’améliorer la rétention des matières organiques, d’atténuer les problèmes saisonniers de goûts et odeurs, de renforcer la désinfection, et de réduire la formation de trihalométhanes. Ainsi, en 1994, un poste d’ozonation a été installé en aval des filtres à CAG, fonctionnant à une dose moyenne de 1 mg/l, permettant un résiduel d’ozone de 0,4 mg/l.
Début 1998, un traitement combinant l'ultrafiltration sur membranes et une adsorption sur CAP a été installé en aval des tours d’ozonation. Ce procédé de séparation utilise des membranes d'ultrafiltration (Aquasource, France) en fibre creuse avec un pouvoir de coupure d’environ 0,01 µm. La capacité du poste de CAP est de 20 mg/l, avec des taux de traitement de 8 à 13 mg/l. Le charbon actif utilisé était du NORIT SA-UF, à une dose moyenne de 8 mg/l. Le CAP contenu dans les eaux des rétrolavages membranaires est recyclé en tête des décanteurs à lit de boues, accroissant l’efficacité globale d’adsorption sur la filière de traitement. Cette mise en œuvre innovante de l’adsorption sur CAP a été validée à échelle industrielle sur ce site. Un modèle développé par le CIRSEE permet d’optimiser l'élimination des matières organiques dans cette configuration de procédé (Campos et al. 1998 ; Baudin et al. 1999 ; Campos et al. 1999 ; Snoeyink et al. 1999 ; Campos et al. 2000 b, c, d). Les principaux paramètres de dimensionnement de l'usine sont portés dans le tableau 2.
Tableau 2 : Principaux paramètres de dimensionnement de l’usine de Vigneux-sur-Seine
| Paramètres |
|---|
| Dosage CAP, mg/l |
| Capacité, m³/jour |
| Nombre de racks |
| Nombre de modules par rack |
| Nombre total de modules |
| Surface de membrane par module, m² |
| Flux de production (flux à 20 °C), l/h·m² |
| Fréquence de rétrolavage |
| Taux de conversion, % |
| Taux de chlore final (résiduel), mg/l |
Le réseau de distribution de Vigneux-sur-Seine
Le réseau de distribution considéré dans cette étude comme dépendant directement de la station de Vigneux-sur-Seine s'étend sur 25 km² et dessert 200 000 habitants. Il comporte environ 170 km de réseau avec des diamètres allant de 40 à 800 mm. Les matériaux utilisés sont de la fonte grise non revêtue (29 %), de la fonte ductile avec revêtement intérieur ciment (68 %) et du polyéthylène haute densité (3 %).
Si la zone couverte par cette étude est essentiellement alimentée par la station de traitement de Vigneux-sur-Seine, il peut y avoir des apports de réservoirs alimentés par d’autres stations. À cet égard, quatre bassins de stockage de 10 000 m³, indiqués à la figure 1 sous le nom de réservoirs Belle Étoile, reçoivent de l'eau d’une autre station (Morsang) et de plusieurs stations de pompage d’eaux souterraines avec chloration directe. L'importance de ces apports varie à la fois dans l’espace et dans le temps, c'est pourquoi le mélange d’eaux de différentes sources est tout à fait possible en de nombreux points du réseau.
Caractérisation hydraulique
Un modèle hydraulique a permis de caracté-
Riser l'impact des apports de chaque source d’alimentation sur la qualité de l'eau du réseau de distribution de Vigneux-sur-Seine. Mis au point par la société SAFEGE, ce modèle porte le nom commercial de Piccolo. Le modèle est capable d’évaluer la quantité d’eau attribuable à chaque source à chaque prise d’échantillon, ainsi que le temps moyen de séjour de chaque source.
Le modèle peut simuler des conditions hydrauliques dans le réseau de distribution, à la fois dans des conditions de régime stable et dans des conditions dynamiques. Dans la présente étude, le modèle hydraulique a été étalonné avec des données recueillies toutes les six minutes dans les réservoirs de contrôle pour les campagnes mensuelles de mai à août 1998.
Campagnes de suivi
Les données présentées dans cette étude correspondent aux campagnes d’échantillonnage menées entre janvier et novembre 1996, janvier et septembre 1997, février et novembre 1998, et juin et octobre 1999. Des échantillons ont été recueillis chaque mois à chaque point d’échantillonnage du réseau de distribution, ainsi que sur l'eau quittant la station de traitement.
Paramètres analysés
Les paramètres de qualité d’eau évalués dans cette étude peuvent être répartis comme suit :
- Paramètres physico-chimiques : pH, température, turbidité, particules.
- Indicateurs de matières organiques : carbone organique total et dissous (COT et COD), carbone organique dissous biodégradable (CODB), absorption des UV à 254 nm.
- Désinfectant et sous-produits de désinfection : chlore libre et total, trihalométhanes (THM).
- Paramètres microbiologiques : dénombrement de bactéries sur plaque (HPC) dans des milieux PCA et R2A, coliformes totaux et fécaux (thermotolérants), Aeromonas hydrophila, Pseudomonas aeruginosa, Streptococcus faecalis et bactéries sulfito-réductrices.
Résultats
Caractérisation hydraulique
Le tableau 3 récapitule le temps moyen de séjour de l'eau et le pourcentage de mélange à chaque point d’échantillonnage.
Selon les calculs du modèle, seuls deux des points (SP1 et SP2) d’échantillonnage sélectionnés à l’origine reçoivent 100 % de l'eau de la station de Vigneux-sur-Seine. Trois points (SP7, SP9 et SP10) peuvent à certaines périodes recevoir un pourcentage d'eau de Vigneux supérieur à 60 %. L’autre source alimentant le réseau, c’est-à-dire les réservoirs Belle Étoile, est alimentée elle-même par l'usine de Morsang et plusieurs stations de pompage d’eau souterraine.
Carbone organique total / Absorbance UV
Station de traitement
La valeur de COT sur l'eau en sortie d’usine était en moyenne de 2,3 mg/l avant CRISTAL® et de 0,65 mg/l après CRISTAL®. Avant CRISTAL® la moyenne des valeurs d'UV était de 2,13, tandis que la moyenne des valeurs après CRISTAL® est de 0,72 (DO m⁻¹).
Évolution dans le réseau de distribution
Les concentrations en matières organiques dans le réseau ont toujours été mesurées en termes de COT. La figure 2 montre les concentrations en COT à chaque point d’échantillonnage avant et après mise en place du procédé CRISTAL®. Les moyennes correspondent respectivement aux périodes de juin 1996 à septembre 1997 (n = 16), puis de février 1998 à octobre 1999. On a observé une moyenne de 2,2 mg/l de COT pendant
Les campagnes 1996-97 aux points SP1 et SP2, alors qu’une valeur moyenne de 0,7 mg/l était notée avec mise en œuvre du procédé CRISTAL®.
Les concentrations en COT en d’autres points du réseau de distribution sont légèrement plus élevées que la concentration dans l’eau quittant la station de Vigneux en raison du mélange avec l’eau venant des réservoirs de Belle-Étoile. La concentration moyenne de cet apport supplémentaire a été de 1,3 mg/l pendant les campagnes 1998-99 (min. 1,0 et max. 1,5). En conséquence, les points d’échantillonnage affectés par des proportions plus importantes de mélange (5, 6, 7 et 8) présentent des concentrations en COT supérieures à 0,8 mg/l.
Malgré les petits écarts notés à certains points d’échantillonnage en raison du mélange des eaux, l’effet global du procédé CRISTAL® sur la qualité organique du réseau de distribution de Vigneux-sur-Seine est évident : réduction de 65 % de la concentration du COT présent, c’est-à-dire de 2,2 à 0,8 mg/l. L’impact de CRISTAL® sur l’élimination des matières organiques est également bien illustré au travers du suivi du paramètre UV. La figure 3 illustre cette évolution de l’UV.
Carbone organique dissous biodégradable
| Avant CRISTAL® | |
|---|---|
| Min-Max | Moy ± Éc |
| 0,3 – 0,8 | 0,48 ± 0,28 |
| 0,2 – 0,8 | 0,46 ± 0,34 |
| 0,3 – 0,6 | 0,37 ± 0,19 |
| Après CRISTAL® | |
| Min-Max | Moy ± Éc |
| < 0,2 | < 0,2 |
| < 0,2 | < 0,2 |
| < 0,2 | < 0,2 |
Moyenne de janvier-septembre 1997 et de février 1998-octobre 1999
Les concentrations en CODB n’ont été mesurées qu’au cours des campagnes 1998-99 sur les eaux à l’entrée et à la sortie de la station ainsi qu’en trois points du réseau de distribution (SP1, SP6 et SP9). L’impact des modifications de traitement sur les valeurs de CODB dans l’eau traitée est illustré par les valeurs indiquées dans le tableau 4. Une concentration de 0,7 mg/l a été notée sur l’eau à l’entrée de la station (moyenne de mai à novembre 1998). Avant application du procédé CAP/UF, la filière coagulation/filtration sur CAG/ozonation produisait une eau avec un CODB de 0,5 mg/l, valeur restant relativement stable dans le réseau de distribution aux deux points soumis à échantillonnage.
À la mise en service du procédé CRISTAL®, toutes les valeurs de CODB tant au niveau du refoulement que dans le réseau de distribution ont été inférieures au seuil de détection (0,2 mg/l).
Tableau 4 : Concentrations de CODB en sortie d’usine et dans trois points sur le réseau
| Avant CRISTAL® | ||
|---|---|---|
| Min-Max | Moy ± Éc | |
| Usine SP0 | 0,3 – 0,8 | 0,48 ± 0,28 |
| SP1 | 0,2 – 0,8 | 0,46 ± 0,34 |
| SP6 | 0,3 – 0,6 | 0,37 ± 0,19 |
| Après CRISTAL® | ||
| Min-Max | Moy ± Éc | |
| Usine SP0 | < 0,2 | < 0,2 |
| SP1 | < 0,2 | < 0,2 |
| SP6 | < 0,2 | < 0,2 |
Concentrations en chlore
Le chlore total et le chlore libre ont été mesurés sur place sur l’eau en sortie de la station (après le réservoir) et en dix points du réseau de distribution.
Station de traitement
Avant la mise en service du procédé CRISTAL®, la dose de chlore se situait entre 0,50 et 0,70 mg/l, ce qui donnait des résiduels de 0,18 à 0,39 mg/l de chlore libre. Selon ces valeurs, la demande moyenne en chlore était de 0,13 mg/l, et la concentration moyenne de chlore combiné de 0,14 mg/l.
Après la mise en place de CRISTAL®, des doses de chlore plus faibles (de 0,25 à 0,5 mg/l) ont produit des résiduels équivalents, comme indiqué au tableau 5. Les concentrations de chlore libre en sortie de station se situaient entre 0,13 et 0,45 mg/l. Ces valeurs représentent une demande en chlore moyenne de 0,06 mg/l, et une concentration moyenne en chlore combiné de 0,03 mg/l, notablement inférieures aux valeurs observées pendant la campagne de 1997. En d’autres termes, alors que 35 % du chlore dosé dans l’eau en 1997 ont été consommés avant introduction dans le réseau de distribution, seuls 11 % ont été consommés après la mise en place de CRISTAL®. De plus, le rapport chlore libre/chlore
Tableau 5 : Concentrations de chlore en sortie d’usine(Moyenne ± écart type)
| Dose | Total | Libre | Combiné | Demande | |
|---|---|---|---|---|---|
| Avant CRISTAL | 0,54 ± 0,08 | 0,42 ± 0,09 | 0,28 ± 0,08 | 0,14 ± 0,03 | 0,13 ± 0,06 |
| Après CRISTAL | 0,40 ± 0,08 | 0,34 ± 0,09 | 0,31 ± 0,09 | 0,03 ± 0,02 | 0,06 ± 0,02 |
Le total dans l’eau traitée est passé en moyenne de 65 % en 1996-97 à 90 % en 1998-99.
Deux paramètres indépendants ont contribué à la réduction de la consommation de désinfectant. D’une part, une plus grande fraction de CODB a été éliminée grâce à la mise en place du procédé CRISTAL®, et d’autre part les concentrations en ammoniaque dans l’eau à l’entrée de la station sont passées de 0,2 mg/l à moins de 0,1 mg/l au cours des campagnes 1998-99, ce qui représente une diminution considérable de la demande en chlore (tableau 5).
Évolution dans le réseau de distribution
La figure 4 compare les concentrations moyennes de chlore libre résiduel avant et après CRISTAL®.
Les écarts types associés aux différents points de mesure sont dus aux variations des doses en sortie d’usine. Les résiduels de chlore après CRISTAL® sont statistiquement supérieurs à ceux avant la mise en œuvre de CRISTAL® pour tous les sites. Seul le point SP7 ne présente pas une amélioration significative du résiduel de chlore en lien avec les conditions de stagnation résultant d’une interruption de service.
Une façon d’illustrer l’impact de CRISTAL® est de comparer la fraction de chlore sur le lieu d’échantillonnage à la concentration en chlore dans l’eau à la sortie de la station (à l’entrée du réseau), en termes de chlore libre et de chlore total avant et après application du procédé CRISTAL®. Avant CRISTAL®, entre 17 % et 72 % du chlore libre présent en sortie de station étaient consommés au point SP1, avec une moyenne de 44 %. Après la mise en service de CRISTAL®, une moyenne d’environ 8 % était consommée à ce point. De plus, la consommation de chlore libre au point SP2 est passée de 60 % à 22 % par rapport à la concentration à la sortie de la station.
Sous-produits de désinfection
La concentration en trihalométhanes (THM) totaux ainsi qu’en composés spécifiques de trihalométhanes a été mesurée sur l’eau en sortie de station ainsi que sur les dix points d’échantillonnage.
La figure 5 montre les concentrations en THM totaux moyennes ainsi que les écarts types, qui sont affectées par les variations saisonnières. Avant l’utilisation de CRISTAL®, la formation de THM dans l’eau en sortie de station variait de 20 µg/l à 90 µg/l pendant l’été en raison de la préchloration destinée à l’élimination des algues.
Les concentrations de THM relevées sur tous les points du réseau de distribution après la mise en œuvre du procédé CRISTAL® ont fortement diminué pour atteindre des moyennes de 6 à 10 µg/l et un maximum de 14 µg/l. Ceci prouve que l’apport de THM dans le réseau de Vigneux-sur-Seine se faisait principalement à partir de la station de Vigneux, et que les autres sources avaient peu d’influence. Ceci confirme les résultats trouvés sur les concentrations en COT. Ainsi, l’application du procédé CRISTAL® à la station de traitement de Vigneux-sur-Seine a un impact direct sur les concentrations en THM totaux dans son réseau de distribution.
Paramètres biologiques
Germes sur R2A
Aucune conclusion significative ne peut être établie en comparant les niveaux de dénombrement de germes R2A. Ceci est en partie dû au faible niveau de dénombrements obtenus avant et après la mise en place de CRISTAL®. Ainsi, les dénombrements en sortie de station étaient inférieurs à 20 UFC/ml. Les valeurs dans le réseau de distribution dépendent beaucoup du lieu d’échantillonnage, les dénombrements les plus élevés se situant
SP6 et SP9. Les valeurs correspondantes à la campagne de 1999 ont été inférieures à 20 UFC/ml pour tous les sites.
Germes sur standard Agar
Aucune conclusion significative ne peut être tirée des dénombrements de germes à 22 et 37 °C. Les valeurs observées avant et après sur le réseau étaient très faibles. Les dénombrements en sortie d’usine et sur les sites SP1 et SP2 étaient inférieurs à 10 CFU/ml.
Aeromonas hydrophila
Les résultats notés pour Aeromonas hydrophila sont très semblables aux résultats d’analyse de germes. Les dénombrements d’Aeromonas ont été très bas pour tous les points du réseau de distribution au cours de la campagne 1997, à l’exception du mois d’août 1997, au cours duquel les chiffres ont pu atteindre 2000 UFC/100 ml. Les résiduels de chlore libre ce mois-là sont tombés jusqu’à 0,06 mg/l. Les lieux d’échantillonnage, connaissant des temps de séjour prolongés, présentaient les comptages les plus élevés (c’est-à-dire SP6, SP9 et SP10). Après mise en service du procédé CRISTAL®, les dénombrements d’Aeromonas hydrophila sont tombés à zéro pour tous les points et pour toutes les campagnes.
Coliformes
Aucun dénombrement positif en coliformes totaux et fécaux n’a été mis en évidence pendant la durée de l'étude. De même, une absence totale de Streptococcus faecalis et de bactéries sulfito-réductrices a été maintenue après la mise en place de CRISTAL®.
Coûts
L’intégration de la filière CRISTAL® sur l'usine de Vigneux a représenté un investissement de 7,3 millions d’€, avec 1,4 million pour le génie civil, 3,4 pour la partie UF et 2,6 pour les équipements périphériques. Le coût de fonctionnement de l'usine (hors main-d’œuvre et amortissement de l'investissement) est aujourd’hui de 0,09 € par m³, avec les deux tiers du coût liés au procédé CRISTAL®.
Conclusion
En janvier 1998, une filière unique a été mise en place à la station de traitement d'eau de Vigneux-sur-Seine en vue d’améliorer la qualité organique et microbiologique de l'eau distribuée. La filière d'affinage comportait une ozonation, une adsorption sur charbon actif en poudre et une ultrafiltration sur membranes complétant la filière existante de clarification conventionnelle.
Une campagne d’échantillonnage très complète a été menée sur le réseau de distribution alimenté par la station de traitement d'eau de Vigneux-sur-Seine pendant deux ans avant (1996-97) et deux ans après (1998-99) la mise en place de CRISTAL®. Des campagnes d’échantillonnage ont été menées chaque mois en dix points du réseau ainsi que sur l’eau en sortie de station. Les résultats de cette étude montrent que l'application du procédé CRISTAL® a eu un impact important sur les concentrations en matières organiques dans le réseau de distribution. Ainsi, l'application de 10-13 mg/l de CAP sur les membranes d’ultrafiltration et son recyclage sur les décanteurs après lavage de membranes ont permis de réduire la concentration en COT de 2,2 à 0,8 mg/l (en moyenne), et de maintenir cette valeur dans le réseau de distribution aux points totalement alimentés en eau de Vigneux. Après la diminution des concentrations en COT, les valeurs de CODB sont tombées de 0,7 mg/l à moins de 0,2 mg/l en tous les points du réseau de distribution.
L’élimination d'une fraction importante des matières organiques sur l'eau à l’entrée de la station a eu deux conséquences notables. D'une part, la réduction de la concentration en COT a permis de réduire la consommation de chlore à la sortie de la station, et donc dans le réseau, ce qui s'est traduit par des résiduels de chlore plus élevés dans le réseau de distribution avec les mêmes doses de chlore.
D'autre part, la réduction des concentrations en COT dans l'eau en sortie de station a également permis de réduire notablement la production de sous-produits de désinfection. Ainsi, pour des doses équivalentes de chlore, les concentrations de THM ont fortement diminué après l'application de CRISTAL®.
(< 10 mg/l en moyenne). De plus, ces faibles concentrations ont été maintenues dans le réseau de distribution, ce qui signifie qu'il n'y a pas eu formation de THM supplémentaires.
Étant donnée l’action bactéricide des concentrations relativement élevées en chlore résiduel (0,1 à 0,3 mg/l) le long du réseau de distribution au cours des campagnes 1998-99, l'impact de la réduction des concentrations en matières organiques sur la reviviscence bactérienne n’a pu être bien quantifié. Toutefois, on peut noter que depuis la fin de l'étude en 1998 et jusqu'à aujourd'hui la parfaite qualité de l'eau distribuée par l'usine de Vigneux s'est maintenue stable, conforme en permanence aux normes du nouveau décret français et aux attentes des consommateurs.
Cette étude a été réalisée grâce aux supports financiers de l'Agence de l'Eau Seine Normandie (Paris, France) et de l'American Water Works Association Research Foundation (Denver, Colorado, USA).
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