L?utilisation de la technologie membranaire pour la production d'eau potable devient une alternative de plus en plus envisagée par rapport aux traitements conventionnels Cet article présente un concept basé sur le couplage de l'utilisation du charbon actif et des membranes destinées à l'élimination des pesticides, à l'élimination des micro organismes et des parasites et à une réduction importante de la turbidité.
L’utilisation de la technologie membranaire pour la production d'eau potable devient une alternative de plus en plus envisagée par rapport aux traitements conventionnels. La généralisation de leur emploi, notamment en matière de potabilité, est liée au respect des normes françaises (Décret 2001-1220) ou européennes (1998) qui sont devenues plus sévères en termes d’élimination particulaire ou microbiologique. En France, les objectifs d'une turbidité inférieure à 0,5 NFU en continu ou l’élimination totale des parasites peuvent être une raison de cette application. Il est admis qu’un traitement à l'aide de membranes d'ultrafiltration est efficace pour l’élimination de la turbidité, des particules, des micro-organismes (parasites, bactéries, virus).
L’élimination des pesticides est le plus souvent effectuée à l'aide de charbon actif dont le type et la nature (charbon actif en grain, charbon actif en poudre) dépendent de la qualité de la ressource et de ses variations saisonnières. À ce titre, et en matière de sécurité sanitaire
En eau potable, OTV propose la solution OPALINE® qui associe l'usage du charbon actif pour ses mécanismes d’adsorption des pesticides et autres micropolluants, et une technique membranaire basse pression (membranes immergées ou membranes sous pression).
Principe de fonctionnement de la solution OPALINE®
La solution OPALINE® associe les avantages du charbon actif et de la filtration membranaire :
• Le charbon actif est utilisé pour l’élimination des matières organiques, des pesticides, des substances responsables des goûts & odeurs et des toxines algales selon des mécanismes bien connus en rapport avec les liaisons de Van der Waals.
La place respective dans la filière du traitement d’adsorption et de la filtration sur membranes dépend de la qualité de l'eau à traiter. Il peut être placé avant les membranes lorsque l'eau présente peu de turbidité mais plutôt des substances adsorbables. Il est disposé après les membranes lorsque l'eau présente des variations limitées de turbidité qui peuvent interférer avec les réactions d’adsorption en empêchant la diffusion dans les pores. Une présence d’algues dans l'eau brute peut également générer ce genre de problèmes.
• La membrane est constituée de milliers de fibres très fines (environ 0,8 mm de diamètre interne), rassemblées à l'intérieur d'un module. Ces fibres sont constituées d'une multitude de pores microscopiques dont la taille est de l’ordre de 0,01-0,02 μm. L’eau à traiter circule sous pression à l'intérieur des fibres et passe au travers des pores.
L'eau ainsi filtrée est récupérée à l’extérieur du module.
L'ultrafiltration permet d’éliminer toutes les particules en suspension, les bactéries et les virus, ainsi que les molécules organiques à poids moléculaire très élevé.
Toutefois, des solutions impliquant des membranes fonctionnant selon un sens de filtration externe-interne sont également envisageables.
La solution OPALINE® se présente selon deux options :
OPALINE® S : l’étape impliquant le charbon actif est séparée de l’étape de filtration membranaire.
OPALINE® C : l’étape impliquant le charbon actif est intimement couplée à la filtration membranaire selon la technologie des membranes immergées.
La solution OPALINE® S
Les domaines d’application de la solution OPALINE® S sont les suivants :
- Eau souterraine contaminée par des pesticides et micro-organismes ;
- Eau souterraine à tendance faiblement karstique, également contaminée par des pesticides et micro-organismes ;
- Eau de surface, en traitement d’affinage ;
- Eau de surface à faible turbidité et contaminée par des micropolluants et micro-organismes.
Dans la solution OPALINE® S, l’approche du traitement de l’eau se veut séquentielle, étape par étape.
À chaque étape correspond une fonction du traitement :
- Élimination des pesticides et matières organiques lors de la première étape ;
- Puis réduction de la turbidité et élimination des micro-organismes lors de la seconde étape.
La solution OPALINE® S se présente alors comme suit, avec deux possibilités d’emploi du charbon actif :
- Comme lit filtrant constitué de charbon actif en grains ;
- En suspension, auquel cas on emploie du charbon actif en poudre au sein d’un décanteur adapté.
Ces deux modes d’utilisation du charbon actif offrent des possibilités différentes en fonction du type d’eau et des pollutions à traiter.
Solution OPALINE® S avec filtration sur CAG
La solution OPALINE® S impliquant une filtration granulaire favorise les phénomènes physiques et hydrodynamiques qui se déroulent lors du contact eau/charbon, accélérant les réactions de transfert des micropolluants à l’intérieur des pores. De plus, le charbon est très bien utilisé car le traitement s’achève toujours par passage sur du charbon vierge en raison du front d’adsorption qui s’étend progressivement le long du filtre. Le temps de contact sur le filtre CAG est déterminé en fonction du type et de la concentration des micropolluants à éliminer.
Le charbon actif en grains est choisi en fonction de critères physiques (granulométrie, surface spécifique, dureté, origine minérale ou végétale, type d’activation, distribution poreuse) et chimiques (capacité d’adsorption par rapport aux substances organiques à éliminer, coefficients issus des équations de Freundlich et Langmuir). À ce titre, les charbons actifs PICA se révèlent souvent être des matériaux de choix parce qu’ils répondent à un large spectre d’adsorbabilité des micropolluants présents dans les eaux à potabiliser (1, 2, 3).
Un des avantages de cette solution réside dans le fait qu’en cas de réhabilitation ou d’aménagement d’une usine existante, cette solution est envisageable en incluant une nouvelle étape de filtration sur CAG derrière une filtration sur sable ; il est également possible d’utiliser les ouvrages de la filtration sur sable existant en remplaçant le sable par du CAG. Le CAG aura alors deux rôles : filtration et adsorption. Cette solution a l’avantage d’induire un investissement réduit. C’est une démarche classique et souvent adoptée par les traiteurs d’eaux (4, 5, 6).
Divers articles de la littérature (7 à 15) présentent les mécanismes du colmatage des membranes, principalement dû à la nature des matières organiques présentes dans l’eau brute. Une filtration sur charbon actif permet de réduire le pouvoir colmatant de l’eau et conduit à un fonctionnement plus aisé des membranes qui interviennent alors comme un processus d’affinage.
Les membranes d’ultrafiltration, par exemple, ont une fonction de barrière ultime vis-à-vis des matières en suspension, des bactéries, des parasites et des virus, présentant alors une sécurité absolue au niveau sanitaire.
Solution OPALINE® S avec utilisation du charbon actif en poudre
Cette solution implique l’utilisation d’un décanteur dans lequel le CAP injecté contribue à l’élimination des micropolluants et des matières organiques. La membrane d’ultrafiltration disposée en aval contribue à l’affinage de la turbidité résiduelle ainsi qu’à l’élimination des micro-organismes. Elle se substitue à la filtration sur sable.
À ce titre, OTV dispose dans son éventail technologique d’un décanteur Multiflo 300 à lit de boues avec recirculation. La technique de recirculation du matériau découle de l’expérience de la recirculation du sable au sein de l’Actiflo®. Elle a été reconduite en remplaçant le sable par le charbon actif en poudre.
plusieurs avantages : en raison des fortes concentrations du CAP dans le lit de boues (10 - 30 g/l) et donc de la disponibilité immédiate d’une importante capacité d’adsorption, la consommation de charbon actif peut être réduite tout en maintenant l'efficacité de traitement. De plus, ce stock de CAP permet d’accepter des variations de la contamination par les micropolluants, offrant aux exploitants une meilleure appréhension des pics de variations saisonnières.
La qualité de l'eau traitée reste constante au cours du temps dans la mesure où la gestion du stock de CAP est convenablement réalisée. La flexibilité d’exploitation induite assure une sécurité vis-à-vis de la qualité finale de l'eau traitée.
En contrôlant la fréquence et le volume d'extraction des purges, il est possible d’augmenter la concentration du CAP dans le décanteur en vue d’obtenir un effet tampon vis-à-vis des micropolluants. Le mode de renouvellement du CAP permet ainsi d’adapter le taux de traitement à la qualité de l'eau à traiter.
Le charbon actif en poudre est choisi en fonction de critères physiques (granulométrie, surface spécifique, origine minérale ou végétale, texture poreuse, type d'activation), et chimiques (capacité d’adsorption par rapport aux substances organiques à éliminer, coefficients issus des équations de Freundlich et Langmuir) (16,17,18).
La configuration du Multiflo 300 est identique à celle des Multiflo classiques à savoir une zone de coagulation, une zone de floculation et enfin une zone de décantation lamellaire. Le Multiflo 300 dispose au sein du décanteur, d'un lit de CAP concentré et d'un système de recirculation du CAP.
Le conditionnement du CAP à une bonne décantation est obtenu grâce à l'injection de chlorure ferrique (zone de coagulation) et de polymère (zone de floculation et d’adsorption).
Les doses de CAP neuf se situent généralement entre 5 et 10 g/m³ mais peuvent être réduites en cas de diminution du flux polluant entrant.
Les phénomènes de compétition d'adsorption des molécules sont identiques avec du charbon actif en poudre ou du charbon actif en grain. La seule différence peut venir pour certaines eaux spécifiques, du relargage des molécules faiblement adsorbées. En effet, dans un filtre à CAG, les molécules fai-
…semblent adsorbées peuvent progressivement être relarguées et se retrouver dans l’eau filtrée.
Avec le CAP présent dans un décanteur Multiflo 300 à lit de charbon, ce phénomène n’a pas été observé parce que l’âge du CAP est beaucoup plus court que celui du CAG et que la saturation y est moins prononcée, évitant ainsi les problèmes de relargage.
Dans la mesure où cette solution est configurée selon deux étapes distinctes (adsorption puis filtration membranaire), les membranes utilisées avec la solution filtration sur CAG ou avec la solution réacteur à CAP sont identiques. Ce seront des membranes d’ultrafiltration ou, pour des cas spécifiques, des membranes de microfiltration.
La Solution OPALINE® C
Les domaines d’applications de la solution OPALINE® C sont les suivants :
- Eau souterraine contaminée par des pesticides et micro-organismes ;
- Eau de surface, en traitement d’affinage ;
- Eau de surface à faible turbidité et contaminée par des micropolluants et micro-organismes.
La solution OPALINE® C combine dans le même réacteur le traitement au Charbon Actif en Poudre à la filtration membranaire immergée.
Les membranes sont directement immergées dans un réacteur recevant l’eau à traiter et dans lequel est introduit le charbon actif pulvérulent (CAP). Les membranes jouent le rôle de séparateur entre le contenu du réacteur et le perméat.
La mise en œuvre de la solution OPALINE® C consiste donc en une cuve de contact (temps de séjour de 10 minutes) contenant du CAP alimentant directement des membranes immergées.
Les membranes sont des fibres creuses et elles permettent de conserver la totalité du CAP injecté dans l’eau brute. Le sens de filtration est externe-interne, leur permettant ainsi de retenir par la même occasion toutes les particules, formant avec le CAP un gâteau sur les fibres.
Ainsi le colmatage en profondeur est limité par l’adsorption des matières colmatantes sur le CAP. L’accumulation du CAP autour des fibres accroît sa concentration au sein du réacteur et donc la capacité totale d’adsorption du système. Ceci permet de traiter des eaux à fortes concentrations en pesticides.
Le temps de contact du CAP au sein de la cuve immergée est variable en fonction des cinétiques d’adsorption des micropolluants. Il reste toutefois d’environ 30-40 minutes. Lors du décolmatage des membranes, le CAP est recirculé dans la cuve de contact.
La technologie par membranes immergées présente la particularité d’avoir les membranes de filtration directement immergées dans une cuve et d’extraire l’eau traitée par aspiration, sous de faibles pressions (inférieures à 0,9 bar).
La filtration est externe-interne, c’est-à-dire de l’extérieur vers l’intérieur de la membrane. Ce sens de filtration est primordial car il permet une accumulation du CAP au sein du réacteur et autour des membranes, assurant ainsi une efficacité maximale de traitement.
L’affinage des eaux de surface par couplage de membranes immergées et de CAP permet d’éliminer efficacement les matières organiques naturelles et les pesticides tout en produisant une faible quantité de boues.
En contrôlant la fréquence et le volume d’extraction des purges, il est possible d’augmenter la concentration du CAP dans la cuve de contact en vue d’obtenir un effet tampon vis-à-vis des micropolluants ou encore de conserver une concentration en biomasse suffisante pour traiter le CODB ou l’ammoniaque (19 à 20).
Le mode de renouvellement du CAP permet ainsi d’adapter le taux de traitement à la qualité de l’eau à traiter.
Outre sa capacité d’adsorption vis-à-vis des micropolluants, le CAP est un support avantageux pour le développement de la biomasse et traiter ainsi biologiquement le carbone organique dissous biodégradable et l’ammoniaque (brevet OTV 1992).
Sur chaque train de module, une canalisation permet l’extraction par pompage du perméat, alors qu’une seconde canalisation permet l’arrivée de l’air qui est chargé de décoller le gâteau accumulé autour des fibres.
Le maintien des performances hydrauliques est assuré par :
- Des conditions de fonctionnement à faibles pressions ;
- Des courtes et régulières séquences de décolmatage qui consistent à réinjecter de l’eau à l’intérieur des fibres dans le sens inverse de la filtration ;
- Des nettoyages chimiques espacés dans le temps ;
- L’injection d’air sous forme de grosses bulles directement sous les modules (créant ainsi un flux ascendant le long des fibres, et donc un décollement du gâteau colmatant).
Par rapport aux procédés sous pression, la technologie par membranes immergées présente les avantages suivants :
- Une consommation en énergie électrique plus faible ;
- Une pression transmembranaire identique sur l’ensemble de la surface ;
- Une maintenance mécanique plus aisée du fait de l’absence d’équipements haute pression ;
- Une facilité et une sécurité accrues d’exploitation ;
- Un coût de construction plus faible ;
- Une emprise au sol plus compacte.
Tableau 1 : Garanties obtenues avec OPALINE®
| Paramètres | Garanties |
|---|---|
| Turbidité | 0,2 NTU |
| Pesticides | ≤ 0,1 µg/L |
| Virus | 4 Log |
| Giardia | 5 Log |
| Cryptosporidium | 6 Log |
| Bactéries | 6 Log |
| Légionnelles | 6 Log |
Garanties
Le tableau 1 donne les garanties obtenues avec la solution OPALINE®.
Références
Tableau 2 : Références OTV-VWS utilisant la solution OPALINE®
| Site | Débit (m³/j) | Mise en route |
|---|---|---|
| Ocana (France) | 300 | 1995 |
| Clay Lane (UK) | 160 000 | 1998 |
| North Mymms (UK) | 36 000 | 1998 |
| Windhoek (Namibie) | 21 000 | 1998 |
| Nancy (France) | 90 000 | En construction |
| L’Haÿ-les-Roses (France) | 11 000 | 1996 |
| Unité d’Annet s/Marne | 35 000 | 2002 |
Conclusions
La démarche de OTV - Veolia Water Systems est de proposer à ses clients des solutions
d’ensemble les plus flexibles possibles en recherchant autant que faire se peut à rendre l’étape de filtration membranaire la plus banale possible eu égard aux réactifs de nettoyage et aux interactions avec les étapes de coagulation et d’ajout d’adsorbant.
Vis-à-vis du choix des membranes, que ce soit des membranes de microfiltration ou d’ultrafiltration, OTV-VWS proposera la membrane la mieux adaptée et la plus performante au contexte du projet qu’elle étudie.
Ainsi, chaque situation est examinée au cas par cas à partir des données d’eau à traiter et des objectifs à atteindre. Il n’y a pas de solution universelle, mais autant de cas particuliers que de projets auxquels OTV-Veolia Water Systems est apte à répondre.
Références bibliographiques
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