En fonction de l’origine de l'eau, des prétraitements peuvent être réalisés, tels que les opérations de décantation-filtration d’eau de rivière par exemple. C'est en aval de ces prétraitements que la qualité de l'eau est ensuite affinée.
Le point sur les traitements
par échange d’ions
C’est bien entendu dans l’industrie des boissons que le rôle de matière première de l'eau est primordial.
C'est ainsi que le contrôle et la correction par le traitement des valeurs de TAC et de TH dans l’industrie des boissons gazeuses sont réalisés depuis très longtemps : traditionnellement, les traitements mis en jeu sont la décarbonatation à la chaux et l’adoucissement sur résine échangeuse d’ions.
Plus récemment, une nouvelle résine échangeuse d’ions du type carboxylique a été autorisée par le Ministère de la Solidarité, de la Santé et de la Protection Sociale pour la production d’eau décarbonatée de qualité alimentaire. La décarbonatation sur résine échangeuse d’ions permet de se libérer des contraintes d’exploitation liées à la mise en œuvre de chaux, avec les avantages suivants : automatisation plus fiable, propreté de l’environnement de la station de traitement d'eau, installation moins encombrante, suppression du traitement des boues.
Depuis quelques années, l’industrie des boissons est d’autre part confrontée, comme certaines collectivités locales, à la pollution de leurs eaux de forage par les nitrates. Pour y remédier, des procédés d’élimination des nitrates par traitement sur résines échangeuses d’ions anioniques régénérées au chlorure de sodium ont été agréés pour la production d’eau de qualité alimentaire.
Ces procédés entraînent une réduction de la teneur en nitrates de l'eau à une valeur très inférieure à 50 mg/l, ce qui permet de ne traiter qu’une partie du débit par échange d’ions. Comme dans tous les procédés de cette nature, la conduite du traitement est automatisable de façon très fiable.
Afin de minimiser les quantités de sels de régénération mis en œuvre, d’obtenir des valeurs de fuite de salinité très faibles et d’optimiser les volumes d'eau utilisés du service de régénération, on peut employer dans les opérations d'adoucissement et de dénitratation des procédés dits « à contre-courant » : ainsi dans le procédé UFD*, l'eau en cycle de production percole de haut en bas sur le lit de résine, alors que la saumure de régénération est injectée de bas en haut (figure 1).
Le tableau II fait ressortir les avantages de cette disposition, en s'appuyant sur l’exemple d’une dénitratation :
- – la couche de résine la moins saturée se trouve sur-régénérée, ce qui permet d’obtenir une excellente qualité d’eau,
- – le rendement de régénération, dont les modalités sont exposées dans le tableau III, se rapproche beaucoup plus de la stœchiométrie que dans les procédés à co-courant.
Les déinages de résine se font dans une colonne externe qui permet également d’effectuer simplement les appoints de résine, ainsi que d’éventuels traitements de décontamination (figure 1).
Le tableau IV fait le point de la législation française en ce qui concerne l’utilisation des résines échangeuses d’ions. La circulaire du 7 mai 1990, de son côté, présente une synthèse des différentes résines agréées pour la production d'eau de qualité alimentaire.
Si les caractéristiques de l'eau de fabrication nécessitent une déminéralisation plus totale, l’utilisation des résines [...]
*UFD : Up Flow Degrémont – Procédé d’échange d'ions à contre-courant breveté.
Tableau I
Exemple de spécifications de qualité d’eau
| Composition de l’eau |
Exemple d’une qualité d’eau standardisée pour la fabrication de soda |
Exemple d’une qualité d’eau standardisée en brasserie |
| NO₃ |
< 20 mg/l |
— |
| Cl |
< 30 mg/l |
— |
| SO₄²⁻ |
< 100 mg/l |
— |
| TAC |
≤ 10 °F |
— |
| pH |
5 – 6 |
— |
Tableau II
Comparaison des performances des procédés : co- et contre-courant en dénitration
| Éléments |
Cocourant |
UFD |
| Rendement de régénération |
400 % |
200 % |
| Fuite moyenne en nitrate |
15 à 20 mg/l |
5 mg/l |
Tableau III
Les différentes étapes de régénération de PUFD en dénitration
| Étapes |
Types d’eau |
Quantités |
| Compactage |
Eau brute |
0,5 Vol/Vol R |
| Injection |
Eau traitée saumure + NaCl |
Env. 3 Vol/Vol R |
| Déplacement |
Eau traitée |
— |
| Rinçage |
Eau brute |
3 Vol/Vol R |
[Photo : Fig. 1 – Schéma de principe du procédé contre-courant UFD]
Tableau IV
L’échange d’ions en traitement d’eau pour la production d’eau de qualité alimentaireÉtat de la législation française
| Type de résine |
Application |
Législation |
Installations Degrémont récentes |
| Cationique forte |
Adoucissement (régénération NaCl) |
Circulaire du 27 mai 1987 SP 5546 n° 10041 |
Technique UFD Kronenbourg à Obernai 150 m³/h |
| Carboxylique |
Décarbonatation (régénération HCl) |
Circulaire du 7 mai 1990 |
Schweppes à Châteauneuf-de-Gadagne 60 m³/h ; Coca-Cola à Bergues 180 m³/h |
| Anionique |
Dénitration (régénération NaCl) |
Circulaire DGS/PGE/ID n° 1143 du 24/7/85, n° 1136 du 23/7/85, n° 1885 du 5/12/85 |
Technique UFD Kronenbourg à Obernai 350 m³/h & Rennes 80 m³/h |
L’échange d’ions peut alors être en contradiction avec la législation française : en effet, les circulaires du 23 juillet 1985 et du 27 mai 1987 précisent notamment que « pour éviter les risques de formation de nitrosamines, il ne sera pas installé de traitement par résine échangeuse d’anions à l’aval immédiat d’un traitement par résine échangeuse de cations en cycle acide ».
D’autre part, une procédure spécifique de demande d’autorisation auprès du Ministère doit être mise en œuvre avec l’aide du fabricant pour toute résine n’ayant pas encore obtenu d’agrément.
Une alternative à l’échange d’ions peut alors être trouvée par la mise en place de membranes d’osmose inverse.
Le point sur les traitements par membranes
Les traitements par membrane d’osmose inverse permettent d’obtenir une eau de bonne qualité bactériologique et organoleptique, tout en éliminant une grande partie des sels ; l’eau traverse la membrane alors que les sels et les macromolécules organiques sont concentrés dans les rejets.
En fonction de la proportion des sels à éliminer, on peut associer les membranes, soit en série rejet (les rejets du 1ᵉʳ étage alimentant l’étage suivant), soit en série production (figures 2 et 3).
[Photo : Fig. 2 – Osmose inverse – Série rejet. Pré-traitement : Coagulation sur filtres. Schéma du procédé.]
[Figure : Osmose inverse - Série production. Prétraitement-Ultrafiltration. Schéma du procédé.]
La quantité de réactifs mise en œuvre ; en particulier les rejets du traitement d’eau ne sont alors constitués que par les sels présents à l'origine dans l'eau et concentrés, sans ajout important de salinité dû aux réactifs, comme c’est le cas après régénération des résines échangeuses d’ions.
Nous tenons à insister sur le fait que la réussite d’un traitement sur osmose inverse dépend du prétraitement préalable et plus particulièrement de la valeur du fouling index.
En ce qui concerne le prétraitement, des traitements de coagulation-floculation ont été installés de façon classique sur filtre à sable (figure 2), suivis de décarbonatation ou d’adoucissement.
Plus récemment, nous avons réalisé une installation de traitement sur membranes d'osmose inverse dont le prétraitement est constitué par des membranes d’ultrafiltration travaillant sur de l'eau de ville (figure 3).
Le prétraitement par ultrafiltration permet d’éviter l’utilisation d'un coagulant-floculant, ce qui diminue encore la mise en œuvre de réactifs chimiques ; d’autre part, l’ultrafiltration assure une qualité d’eau constante quelles que soient les variations de turbidité de l'eau alimentant le prétraitement (figure 4).
[Figure : Comparaison des performances du procédé coagulation sur filtres et membranes d’ultrafiltration.]
Un prétraitement par membrane d’ultrafiltration permet donc une exploitation en toute sécurité du traitement par osmose inverse.
On voit que si les résines échangeuses d'ions permettent, dans certaines applications (adoucissement, dénitratation, décarbonatation), d’obtenir une eau de qualité alimentaire, la mise en œuvre de membranes (ultrafiltration, osmose inverse) peut amener une solution plus globale au traitement de l'eau (bactériologie, goût, salinité) pour la fabrication de produits alimentaires, tout en restant en conformité avec la législation française.
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