Les sapeurs-pompiers réalisent en France une intervention toutes les 8 secondes (soit 3.612,000 interventions par an). L?équipe sauvetage et déblaiement est plus particulièrement formée et entraînée à intervenir dans le monde lors des catastrophes telles que inondations, séismes, tempêtes ou accidents chimiques ou bactériologiques. Quelles que soient les interventions, il s'agit de situations de désordres généralisés. À ces occasions, le problème de l'alimentation en eau potable des effectifs d'intervention pour la consommation, pour l'hygiène, pour les soins médicaux, mais également pour la population, se pose de manière évidente. Utilisée depuis 1988 à l'échelle des communes et adaptable aux variations de l'eau brute l'ultrafiltration, procédé membranaire compact, facilement automatisable permet de produire à partir d'eau douce une qualité d'eau potable constante. Cette étude présente le développement et la mise au point d'une station miniature de production d'eau potable. Sa taille et son fonctionnement simplifié permettent son transport rapide vers les sites d'intervention et de produire environ 1.000 L.h-1 d'eau potable.
Si le volume total de l'eau est estimé sur notre planète à 1,4 milliard de km³, en revanche seulement 2,8 % représente l'eau douce. Sur cette eau douce, un volume non négligeable est positionné dans les glaces des pôles et au final moins de 1 % de l’eau douce, soit 0,028 % du volume d'eau total disponible peut être utilisé par l'homme. La ressource en eau renouvelable et disponible est passée de 17 000 m³/habitant/an en 1950 à 7 500 en 1995 et est estimée à moins de 5 100 en 2025. Si la France est un pays raisonnablement riche en eau dont les ressources renouvelables disponibles couvrent largement ses besoins, la répartition des ressources n’est pas uniforme. La pollution de l’eau et des réserves augmente au fil des années ainsi que les besoins de la population. Cet effet antagoniste est d’autant plus marqué lors de catastrophes naturelles, telles que des inondations, tremblements de terre, etc. Dans ces cas précis, le manque d’eau potable devient un problème à la fois pour la population concernée mais également pour les personnes réalisant le sauvetage et la mise en sécurité de la population. Avec l'aide d'autres pays, les sapeurs-pompiers français participent à la fois sur leur territoire mais également à l'étranger, à ces interventions. Le besoin en eau potable pour alimenter ces services de secours mais également […]
Mots clés : eau potable, ultrafiltration, sapeur-pompiers, conditions extrêmes, miniature
ment la population pose des conditions drastiques sur le procédé à utiliser:
- - transportable par avion et plus précisément dans une caisse gerbable de transport,
- - simple d'utilisation afin d'occuper pour son fonctionnement le moins de sauveteurs possible. Le fonctionnement doit être simplifié au maximum,
- - léger afin de pouvoir être transporté par 4 personnes,
- - peu consommateur d’énergie : dans ces conditions extrêmes, seuls les groupes électrogènes fonctionnent,
- - sûr : il doit assurer une qualité d'eau quelle que soit la qualité de l’eau en amont,
- - produire de l'eau en quantité suffisante.
Pour toutes ces raisons, le Service Départemental d’Interventions et de Secours des Bouches-du-Rhône (SDIS 13) a choisi le procédé d'ultrafiltration pour ce besoin spécifique. Le cas de la production d'eau potable à partir de l'eau de mer ne sera pas traité par ce pilote. Après une présentation rapide de l’activité des sapeurs-pompiers et de l'ultrafiltration, le pilote spécifique fabriqué par la Société Polymem (Toulouse, 31) sera détaillé ainsi que son fonctionnement simplifié.
Sapeurs-pompiers : interventions
Les sapeurs-pompiers répartis en trois catégories, volontaires (195 000), professionnels (35 200) ou militaires (Paris et Marseille : 10 000) réalisent en France une intervention toutes les 8 secondes (soit 3 612 000 interventions par an). Les interventions en France ou dans d’autres pays concernent la prévention, la protection et la lutte contre les incendies, les secours d’urgence, l’évaluation et la prévention des risques technologiques et naturels et les interventions sur les accidents, sinistres ou catastrophes. L’équipe sauvetage et déblaiement est plus particulièrement formée et entraînée à intervenir lors des catastrophes telles que inondations, séismes, tempêtes ou accidents chimiques ou bactériologiques.
Quelle que soit l'intervention, il s’agit de situations de désordres généralisés. À ces occasions, le problème de l'alimentation en eau potable des effectifs d'intervention pour la consommation, pour l’hygiène et les soins médicaux se pose de manière évidente. Cela traduit le besoin d’un procédé simple, robuste et fiable pour la production d’eau potable; bien évidemment l'eau produite sera également mise à la disposition des populations sinistrées.
L'ultrafiltration pour la production d’eau potable
Située entre la nanofiltration et la microfiltration, l'ultrafiltration est un procédé membranaire qui concerne des composés dont la taille est comprise entre 200 et 2 nm. Sous l’effet d'un gradient de pression de part et d'autre de la membrane, il y a filtration. Jusqu’au XIXᵉ siècle la qualité d’une eau n’était évaluée que par son aspect et son goût. En 1855, John Snow établit le lien entre le choléra et l'eau contaminée qui sera désinfectée par ajout d'eau de javel. Au début du XXᵉ siècle, la production d’eau potable à grande échelle s'établit : les eaux sont généralement filtrées puis désinfectées, en utilisant principalement du chlore stoppant la propagation du choléra, de la typhoïde ou de la dysenterie. Cette désinfection chimique a été considérée comme satisfaisante jusqu’en 1994 où survint l'épidémie de cryptosporidiose de Milwaukee (USA) : 400 000 personnes infectées dont 104 cas mortels [Widmer et al. 1996]. La cryptosporidiose et la giardiose sont deux maladies provenant de l'infection par les protozoaires Cryptosporidium (2 à
Tableau 1 : Principales membranes basse pression pour le traitement de l’eau
| Fabricant | Type | Configuration | Matériau | Pores & rétention | Gamme de pression (bar) | Ø fibres (mm) | Rétrolavage | Tolérance au chlore |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| POLYMEM | UF | Externe/Interne | Polysulfone hydrophilisée | 0,01 µm | [0,25] | 0,72 | Perméat + agitation air côté eau brute | Excellente |
| MEMCOR (CMF, CMFS) | MF | Externe/Interne – Frontal | PP | 0,2 µm | [1,7 ; 2,4] | 0,5 | Air | Non |
| AQUASOURCE | UF | Interne/Externe – Frontal/Tangentiel | AC | 0,01 µm | [0,8 ; 1,5] | 0,93 | Perméat | Limitée |
| KOCH | UF | Interne/Externe – Tangentiel | PS 100 kDa | 0,04 µm | [2 ; 2,7] | 1,1 | Perméat | Bonne |
| ZENON | UF | Externe/Interne – Frontal | PES | 0,035 µm | [0,5 ; 0,4] | 1 | Air | Bonne |
| PALL Microza MF-UF | MF | Externe/Interne – Frontal | PVDF | 0,4 µm | [2,5 ; 3] | 0,7 | Perméat | Bonne |
| IONICS X-Flow | UF | Interne/Externe – Tangentiel | PAN 13 ou 80 kDa | 0,015 µm | [3 ; 3] | 0,8 | Air | Bonne |
| HYDRANAUTICS Hydrapac | UF | Interne/Externe – Tangentiel | PES/PVP 150 kDa | 0,015 µm | 1,5 | Perméat | Bonne |
Matériaux : Polypropylène (PP), Acétate de cellulose (AC), Polysulfone (PS), Polyethersulfone (PES), Polyfluorure de vinylidène (PVDF), Polyacrylonitrile (PAN), Polyvinylpyrrolidone (PVP)
6 µm) et Giardia (8 à 14 µm). Il n'existe à ce jour aucun remède pour ces maladies, dangereuses pour un sujet immunodépressif. Suite à la crise de Milwaukee deux alertes successives ont été enregistrées à Sydney (1998, 3 millions de personnes privées d'eau potable) et deux épidémies récentes ont été rapportées en France à Sète (1998) et Dracy-le-Fort (2001) [Dipalma et al. 2003]. Les deux espèces microscopiques concernées sont des kystes ou oocystes de protozoaires, ce qui signifie qu'ils sont entourés de parois épaisses qui les rendent particulièrement résistants à la chloration. Les procédés conventionnels du traitement de l'eau ne peuvent pas garantir une eau saine. La méthode la plus sûre pour empêcher la contamination biologique est d'opposer une barrière physique aux bactéries et aux virus. L'ultrafiltration est un procédé efficace pour répondre à ce problème. Aquasource et Memcor, les deux principaux constructeurs de systèmes d'eau potable, annoncent un abattement de 6 log pour Cryptosporidium et Giardia contre 3 log annoncés pour les techniques classiques. L'ultrafiltration retient les particules, les macromolécules organiques, les bactéries, les virus et permet de préserver les sels minéraux essentiels.
Depuis 1988, date de la première installation mondiale de production d'eau potable par ultrafiltration à Amoncourt en France (Société Aquasource), 15 ans ont passé et le retour d'expériences devient important. Le nombre de fabricants de membranes (Tableau 1) [Moll, 2005], l'intérêt des municipalités, la baisse des coûts des membranes (Figure 1), les besoins et les capacités des stations de plus en plus grands ont fait de l'ultrafiltration un procédé viable économiquement. Si l'on prend le cas de la société Aquasource, la production d'eau potable est passée de 540 000 m³/j en 2002 à 800 000 m³/j en 2004 pour atteindre en 2006 1 300 000 m³/j, soit une progression d'environ 25 % par an. De grandes villes sont maintenant équipées avec ce procédé : Rouen (24 000 m³/j), Vigneux-sur-Seine (55 000 m³/j) en France, mais également à l'étranger, Minneapolis (USA) (300 000 m³/j – Ionics), Lausanne (69 000 m³/j) en Suisse, Koper (34 000 m³/j) en Slovénie ou Moscou (275 000 m³/j (2007)) pour les plus importantes. En acétate de cellulose ou plus récemment en polysulfone, le matériau membranaire assure un traitement optimum sur une large gamme d'eau à traiter. Adaptable aux variations de l'eau brute et assurant une qualité d'eau constante (Tableau 2, [Moll, 2005]), l'ultrafiltration, procédé compact, est autonome et automatique grâce aux rétrolavages et peut être dimensionné à différentes échelles.
Pour toutes ces raisons et pour répondre aux besoins spécifiques des sapeurs-pompiers, l'ultrafiltration est choisie pour la réalisation d'une station miniature de production d'eau potable transportable par avion.
Description du pilote portatif
Le pilote (Figure 3) est équipé de 4 modules d'ultrafiltration UF100L (Polymem, Toulouse, France) pour une surface filtrante totale de 18 m². Les fibres creuses en polysulfone ont un seuil de coupure de 0,01 µm.
micron. Il s’agit d’une filtration frontale externe-interne. La pression transmembranaire de production est comprise entre 0,3 et 1 bar alors que la pression de rétrolavage est de 2 bar. La puissance nécessaire au fonctionnement du pilote de 0,6 kW (230 à 240 volts 50 Hertz) peut être fournie par un groupe électrogène. Le châssis en aluminium et le faible encombrement du pilote L × l × H (m) : 1,1 × 0,9 × 1,1, lui assurent un poids minimum de 150 kg et donc transportable par 4 personnes. La “caisse avion” est constituée de 2 parties équipées de poignées pour le transport. Le contrôle du pilote est effectué au moyen d’un automate. Les fréquences, durées et nombre de cycles sont ajustés par l’intermédiaire du clavier de l’automate.
Principe de fonctionnement
Production d’eau potable
Le principe de fonctionnement est le suivant : l’eau brute remplit la cuve B1 (Figure 2) par l’intermédiaire d’une pompe immergée externe (Figure 4) et de l’électrovanne SV1 pilotée par deux contacts : niveaux haut et bas dans la cuve. L’eau brute est ensuite reprise par la pompe P1 et préfiltrée à 200 microns (préfiltre F1) afin de retenir les particules de grandes tailles. L’eau est ensuite filtrée par les 4 modules membranaires (4M) en mode externe-interne. Le débit de production est mesuré par le rotamètre (F11) et contrôlé par l’organe déprimogène limiteur de débit (OD). La pression transmembranaire est comprise entre 0,3 et 1 bar. L’eau traitée est ensuite chlorée et post-filtrée à 1 micron (F2) avant d’être stockée dans une bâche alimentaire tampon de 500 L (Figure 5). Le débit de production maximal de ce pilote est de 1 000 L h⁻¹.
Rétrolavages
À intervalles réguliers (fixés par une temporisation de l’automate), les modules sont rétrolavés sur une durée moyenne de 30 s. Dans ce cas, dans les moments qui précèdent le rétrolavage, l’eau produite remplit la cuve B2 jusqu’à un seuil de pression de 2 bars (valeur réglable). Une addition de chlore (5 ppm) est également faite à l’aide d’une cuve de stockage d’eau de javel (B3) et d’une pompe doseuse (P2). L’eau de rétrolavage sous pression est alors envoyée vers les modules et, après passage à travers, celle-ci est évacuée à l’égout.
Lavage chimique
Périodiquement, un lavage chimique est effectué de manière semi-automatique : celui-ci doit être initié lorsque la pression transmembranaire est supérieure à 1 bar.
Les solutions généralement utilisées sont des solutions à 200 ppm de chlore et à 4 g L⁻¹ de soude et/ou 5 g L⁻¹ d’acide citrique. Le type de solution utilisé est dépendant de la qualité de l’eau brute et du type de colmatage organique et/ou minéral engendré. La solution de nettoyage est filtrée en boucle entre la cuve B1 et les modules. Les produits de nettoyage sont introduits progressivement dans la cuve B1. Une fois le nettoyage terminé, le système est rincé et une mesure de conductivité et/ou de pH permet de vérifier l’absence de traces de produits de lavage avant le démarrage de la production. Un test d’intégrité des membranes peut être effectué par pressurisation à l’air comprimé des membranes en mesurant la chute de pression sur un temps donné : pression constante si la barrière de filtration est intacte.
Stockage
Le stockage de longue durée (entre deux sorties) mais également de courte durée (déplacement) doit être prévu. Pour un stockage limité à 3 semaines, un rétrolavage puis un nettoyage chimique seront réalisés. La solution de conditionnement composée de 50 litres d’eau ultrafiltrée chlorée à 50 ppm sera introduite dans la cuve principale et circulée durant 30 minutes. Les modules seront ensuite isolés et la cuve vidée.
Pour le stockage de longue durée, la solution de conditionnement est constituée de 30 litres d’eau ultrafiltrée, 20 litres de glycérine et de 10 g L⁻¹ de bisulfite de sodium. Dans le cas d’un stockage prolongé, il faut procéder aux opérations de nettoyage chimique et de conditionnement avec de l’eau de réseau.
Adaptabilité à un fonctionnement simplifié
Ce pilote sera utilisé dans des conditions extrêmes et manipulé par du personnel de
secours dont les priorités seront d'aider les personnes. Pour toutes ces raisons, le fonctionnement du pilote a été simplifié à l'extrême afin de produire suffisamment d'eau sans risquer un colmatage irréversible des membranes. Le pilote pourra fonctionner à l'intérieur de la « caisse avion gerbable ». En effet, des ouvertures ont été réalisées afin d'avoir accès non seulement à l'automate de commande mais également de visualiser l'appareillage de surveillance comme le débitmètre. Afin de ne pas colmater de manière irréversible les membranes, un tableau très simplifié d'utilisation a été développé par la société Polymem. Si le fonctionnement n'est pas optimisé, il permet de travailler dans des conditions souples d'utilisation, de préserver les membranes tout en assurant un débit de production d'eau suffisant.
Tableau 3 : Procédure simplifiée d'utilisation du pilote
Type d'eau T ≥ 15 °C
| - Réseau |
|---|
| Réducteur n° 16 (960 L h⁻¹) |
| Fréquence de rétrolavage : 60 min |
| Nombre de cycles : 1 |
| Durée rétrolavage : 25 s |
| Durée chloration en rétrolavage : 15 s |
| Réglage pompe doseuse P2 : 35 % |
| Durée : 3 s |
| Fréquence chloration en production (0,5 ppm) : 2 min |
| - Souterraine |
| Réducteur n° 10 (720 L h⁻¹) |
| Fréquence de rétrolavage : 45 min |
| Nombre de cycles : 2 |
| Durée rétrolavage : 25 s |
| Durée chloration en rétrolavage : 15 s |
| Réglage pompe doseuse P2 : 50 % |
| Durée : 2 s |
| Fréquence chloration en production (0,5 ppm) : 2,5 min |
| - Surface |
| Réducteur n° 8 (480 L h⁻¹) |
| Fréquence de rétrolavage : 30 min |
| Nombre de cycles : 3 |
| Durée rétrolavage : 25 s |
| Durée chloration en rétrolavage : 15 s |
| Réglage pompe doseuse P2 : 70 % |
| Durée : 1 s |
| Fréquence chloration en production (0,5 ppm) : 2,5 min |
Type d'eau T ≤ 15 °C
| - Réseau |
|---|
| Réducteur n° 10 (720 L h⁻¹) |
| Fréquence de rétrolavage : 60 min |
| Nombre de cycles : 1 |
| Durée rétrolavage : 35 s |
| Durée chloration en rétrolavage : 20 s |
| Réglage pompe doseuse P2 : 35 % |
| Durée : 3 s |
| Fréquence chloration en production (0,5 ppm) : 3 min |
| - Souterraine |
| Réducteur n° 8 (480 L h⁻¹) |
| Fréquence de rétrolavage : 45 min |
| Nombre de cycles : 2 |
| Durée rétrolavage : 35 s |
| Durée chloration en rétrolavage : 20 s |
| Réglage pompe doseuse P2 : 50 % |
| Durée : 2 s |
| Fréquence chloration en production (0,5 ppm) : 4 min |
| - Surface |
| Réducteur n° 5,5 (300 L h⁻¹) |
| Fréquence de rétrolavage : 30 min |
| Nombre de cycles : 3 |
| Durée rétrolavage : 15 s |
| Durée chloration en rétrolavage : 15 s |
| Réglage pompe doseuse P2 : 70 % |
| Durée : 1 s |
| Fréquence chloration en production (0,5 ppm) : 4 min |
Un organe déprimogène (OD) d'un diamètre de 3,5 cm est mis en place en sortie de pompe afin de limiter artificiellement le débit d'eau qui va être acheminé aux modules membranaires. Bien évidemment, plus l'eau est suspectée d'être colmatante, plus les pertes de charge engendrées par cet organe déprimogène seront fortes.
Pour les mêmes raisons de protection des membranes, on ajustera la fréquence, le nombre et la durée de rétrolavage. Pour éviter les développements bactériens, la contamination de l'eau produite et assurer l'effet rémanent, les doses de chlore lors des étapes de production et de rétrolavage seront fixées par l'automate.
La mise en place, le branchement et les réglages du pilote en fonction de la qualité de l'eau nécessitent au maximum 30 minutes.
Conclusion
Si la production d'eau potable par ultrafiltration existe depuis plusieurs années, le développement et la mise au point d'une station miniature transportable par avion et par un groupe de quatre personnes est réalisée dans cette étude. Il s'agit de pouvoir répondre aux besoins des services de secours et d'interventions en conditions extrêmes. Après le déclenchement de l'alerte, le pilote est opérationnel en moins de deux heures permettant un embarquement rapide avec les équipes de secours. Il va ainsi produire à partir d'eau douce environ 1 000 L h⁻¹ d'eau potable pour alimenter à la fois les services d'intervention mais également la population sinistrée.
Son utilisation simplifiée et son automatisme permettent un fonctionnement autonome sans intervention du personnel de secours. ■
