La réutilisation des eaux usées est une réalité concrète dans de nombreuses régions du monde. En matière de recharge de nappes ou de fabrication d'eau potable, les technologies membranaires associées selon des schémas microfiltration/ Ultrafiltration - osmose inverse ou traitement avancé ? ultrafiltration permettent de délivrer une eau de qualité physico-chimique et microbiologique conforme aux normes O.M.S, ou aux normes locales qui s'inspirent fortement des normes U.S ou des normes Européennes. Ces filières de traitement sont souvent confortées en amont par des essais pilote qui aident au choix de la membrane la plus adéquate ainsi que des réactifs les mieux adaptés. Divers exemples montrent que les membranes trouvent largement leur place qu'elles soient utilisées en clarification ou en affinage.
Dans de nombreuses régions du monde, la réutilisation des eaux usées devient de plus en plus une des composantes essentielles du cycle de l’eau en devenant une partie intégrante des ressources en eau.
Reconnue dès 1992 par diverses institutions internationales comme un des schémas à mettre en œuvre dans le programme d'une politique de développement durable, la réutilisation des eaux usées connaît depuis une vive expansion parce qu'elle assure une
Tableau I : Efficacité de la combinaison des différentes étapes vis-à-vis de la composition physico-chimique et microbiologique de l’effluent secondaire
| Composition de l’effluent secondaire |
|---|
| Turbidité |
| Matières en suspension |
| Matières organiques |
| Matières minérales |
| Couleur |
| Bactéries |
| Virus |
| Parasites |
| Œufs Helminthes |
ressource alternative durable en eau.
Si l'agriculture reste le domaine de son utilisation privilégiée, d’autres applications telles que l’arrosage des espaces verts, la recharge de nappes, l'industrie et les diverses utilisations municipales prennent de plus en plus d’importance.
Si les traitements physico-chimiques conventionnels restent toujours d’actualité lorsqu’il s’agit de traiter l’eau pour des besoins agricoles, de protection de zones de loisirs ou encore pour répondre à certaines qualités d’eaux industrielles, ils ne sont plus suffisants lorsqu’on désire recharger une nappe aquifère, alimenter une chaîne de fabrication d’eau ultra-pure ou encore fabriquer de l’eau potable.
Par contre, en raison de leur maîtrise de plus en plus précise, les technologies membranaires suscitent ces dernières années un vif intérêt lorsqu’on désire notamment réutiliser les eaux usées en vue de fabriquer directement de l'eau destinée à la consommation humaine.
Véolia Water s'est attachée depuis de nombreuses années à apporter son aide dans la mise en œuvre d’une politique de développement durable, et à mobiliser ses chercheurs et techniciens afin qu’ils développent des technologies de pointe et apportent leur savoir-faire au service de l'eau et de sa réutilisation.
L'objectif de cet article est de présenter quelques exemples d’application des technologies membranaires basées sur l'expérience de Véolia Water et les divers aspects positifs qui en sont retirés aussi bien au niveau des municipalités qu’au niveau des industriels.
Quels objectifs pour les filières membranaires ?
Selon la destination finale de l'eau réutilisée, les qualités physico-chimiques exigées seront différentes. Aux USA par exemple, la réglementation exige qu’après un traitement secondaire de l'eau usée, un traitement tertiaire et un traitement avancé soient proposés afin de satisfaire aux conditions sévères de la qualité finale de l’eau.
À ce titre, la filtration membranaire s’est révélée être une technologie de choix pour l’élimination d’un certain nombre de substances minérales et organiques dissoutes, et également pour tous les aspects microbiologiques.
Cette filtration membranaire peut inclure une filière « Tout membrane » ou une filière ne comportant des membranes qu’en barrière ultime. Le choix de la filière est toujours effectué au cas par cas en fonction de divers paramètres comme notamment la qualité de l’eau brute, la qualité de l’eau finale, l'utilisation d’étapes ou d’ouvrages déjà existants, etc.
La filière « Tout membrane » est basée sur une combinaison d'une étape de microfiltration ou d'ultrafiltration suivie d'une seconde étape d’osmose inverse, qui permet à chacune de ces étapes une élimination des éléments chimiques et microbiologiques comme l’indique le tableau I.
La filière incluant une barrière membranaire en étape finale comprend souvent un traitement avancé impliquant une clarification, une ozonation et une filtration sur charbon actif. Trois exemples d'application sont présentés :
• Exemple d’Orange County (USA) qui est la plus ancienne application, et qui a servi de référence à de nombreuses autres villes aux États-Unis. L’eau produite est utilisée pour recharger les nappes. Cette filière utilise une membrane de microfiltration comme première étape de traitement.
• Exemple de Kranji (Singapour), qui est l’une des plus récentes et dont l’eau produite sert aussi bien comme eau de consommation que comme eau industrielle pour la micro-électronique. Cette filière utilise une association microfiltration Memcor et osmose inverse.
• Exemple de Windhoeck (Namibie) démarrée en 2002, qui dispose au sein de la filière d'une barrière ultime d'ultrafiltration, placée derrière une technique de traitement avancée. L’eau produite est utilisée comme
eau de consommation après avoir été mélangée avec une eau provenant d'autres ressources.
Cette filière utilise une membrane d'ultrafiltration comme étape finale de traitement. Dans le cas de l'ultrafiltration et l'osmose inverse, le choix se fera en fonction de l'expérience déjà acquise par Véolia Water sur d'autres sites, du savoir-faire de VW et des résultats des essais pilotes.
Applications
Cas de l'usine d'Orange County (USA-Californie)
Dans le cadre de la mise en œuvre d'une politique d'approvisionnement durable en eau potable à partir de ressources alternatives, l'État de Californie et plus particulièrement le Orange County Water and Sanitation Districts ont développé un projet de recharge de nappe (100 000 m³/j dans le bassin hydrogéologique) qui permettrait en 2020 de satisfaire 75 % de la demande en eau potable d'environ 2 millions d'habitants. Cette recharge d'aquifère adjacent à la côte de l'Océan Pacifique aurait également pour but de prévenir toute intrusion d'eau salée au sein des bassins. Water Factory 21 était la première initiative californienne de réalimentation d'une nappe phréatique autorisée à recourir à de l'eau usée traitée afin de prévenir l'intrusion d'eau de mer.
Une première installation (56 800 m³/j nominal) avait été démarrée au début des années 1970 en traitant l'effluent de sortie de la station d'épuration, avec une filière de traitement basée sur une clarification (pH 11,4 avec addition de chaux), stripping suivi d'une recarbonatation et d'une filtration sur charbon actif. Une étape d'osmose inverse finalisait le traitement.
Si cette filière donnait globalement satisfaction, elle nécessitait une consommation importante en réactifs (exemple 150 kg/j) et une gestion lourde en raison des nombreux systèmes de régulation installés.
Un prototype (820 m³/j) a été installé en 1992 par USFilter incluant alors une étape de microfiltration afin d'éliminer les matières en suspension et la turbidité suivie d'une étape d'osmose inverse destinée à éliminer notamment la salinité et les matières organiques (azotées et carbonées). L'eau osmosée est alors mitigée avec une autre ressource d'eau, désinfectée successivement par UV et chloramination avant réinjection dans la nappe.
La technologie membranaire a révélé plusieurs avantages :
Partie microfiltration Memcor :
* Compacité de l'installation (6 fois moins d'espace par rapport à l'ancienne filière) ;
* Pas de réactifs chimiques autres que la préchloration ;
* Automatisation facile et moins de maintenance que la filière classique ;
* Meilleure qualité d'eau produite ;
* Réduction substantielle de la production et du traitement des boues.
Partie osmose inverse :
* Membranes à film composite polyamide meilleures que les membranes en acétate de cellulose.
Ces membranes ont fonctionné plus de 10 000 heures à un flux de 17,6 l/m²/h avec un taux de réjection de 98 % sous une pression de 9-12 bar. Alors que les membranes d'acétate de cellulose ont atteint une pression de 20-25 bar après seulement 700 heures de fonctionnement à un flux de 17,6. Le taux de réjection était de 96 %. Les coûts opératoires ont été globalement réduits de 60 %.
C'est donc cette filière qui a été définitivement choisie comme technologie de traitement. Le marché a été attribué à USFilter, filiale de Véolia Water et la mise en route de l'usine est prévue pour cette année 2003.
On note ainsi (dans le tableau II) que le SDI après traitement à la chaux se situait entre 4,5 et 6 et induisait des nettoyages chimiques de l'OI toutes les 750 heures. Le remplacement de ce traitement par une microfiltration a augmenté les temps de fonctionnement de l'OI et conduit à des nettoyages chimiques toutes les 3000 heures.
Divers tests ont également été effectués avec des membranes d'ultrafiltration (Aquasource LID 35, KOCH PM-100, PALL Microza LGV-3010) en amont de la membrane d'osmose inverse et n'ont pas montré qu'une membrane d'ultrafiltration pouvait remplacer la microfiltration, ni au niveau des conditions de fonctionnement (fréquence des nettoyages pour UF et RO, flux, gain énergétique, etc.), ni au niveau de la qualité d'eau produite (SDI en particulier). La membrane CMF Memcor a finalement été retenue pour les raisons suivantes :
* Le sens de filtration externe-interne évite un colmatage des membranes même si l'effluent à traiter présente une concentration élevée en matières en suspension. À ce titre, une pré-filtration à 500 µm est suffisante.
* Le système de décolmatage des membranes est suffisamment efficace pour éviter le développement de biofilm ou réduire la diffusion dans les pores.
* La porosité de 0,2 µm est suffisamment ouverte pour permettre de passer des flux élevés à basse pression, tout en garantissant un SDI inférieur à 3 et une réjection de bactéries entre 5 et 6 Log.
* Les microfibres de polypropylène ne favorisent pas de biofouling irréversible même en présence d'un COT élevé.
Cette expérience a été une référence exemplaire aux USA puisque de nombreux autres projets ont été mis en œuvre. Nous citons notamment la ville de Scottdale (42 000 m³/j), West Basin (2 usines, 11 000 m³/j et 14 000 m³/j).
Une liste plus globale de références est donnée à la fin de cet article.
Usine de Kranji (Singapour)
L'usine de Kranji fait suite aux résultats
Acquis sur un prototype de 10 000 m³/j construit et testé par Véolia Water sur le site de Bedok (Singapour).
Ce prototype était destiné à prouver la faisabilité d'une technologie membranaire en vue de produire une eau potable à partir d'un effluent secondaire. Une filière incluant une microfiltration Memcor suivie d’une étape d'osmose inverse et d'une désinfection UV a été proposée.
Cette étude NEWater a été appuyée par un sérieux programme analytique basé sur les standards US, sur les normes nationales de Singapour ainsi que les recommandations de l’O.M.S.
Un panel d’experts internationaux, désigné dès 1999 par les autorités de Singapour, a suivi les résultats du prototype et a validé en juin 2002 la filière proposée.
Suite à ces résultats, Véolia Water a remporté le contrat de construction de l’usine de Kranji (52 000 m³/j) dont l’effluent secondaire présente la composition physico-chimique suivante :
Tableau III : Composition de l’effluent secondaire (usine de Kranji)
| Paramètre | Concentration |
|---|---|
| DBO₅, mg/l | 10 |
| MES, mg/l | 10 |
| COT, mg/l | 12 |
La filière de traitement comprend :
- un dégrillage (0,3 mm) suivi d'une microfiltration Memcor à 0,2 µm afin d’éliminer la pollution particulaire (chimique et microbiologique) ;
- une étape d’osmose inverse ;
- une désinfection par UV.
Une chloramination est effectuée en amont de la MF et de l’OI afin de minimiser les risques de biofouling.
Les membranes d’OI sont en matériau composite polyamide aromatique, en trois étages, assurant un taux de conversion de 80-85 %.
Les lampes UV moyenne pression assurent une dose de 60 mJ/cm².
Les taux de conversion de la microfiltration se situent entre 84 % et 90 % avec une moyenne de 87 %. Les performances actuelles respectent le cahier des charges tant au niveau des taux de réjection qu’au niveau de la qualité d’eau produite (voir tableau IV).
Tableau IV : Performances contractuelles et performances obtenues au cours des deux étapes membranaires
| Paramètre | Spécification (cahier de charges) | Valeur actuelle |
|---|---|---|
| COT (% élimination) | > 97 | > 99 |
| Turbidité (MF), NTU | < 0,1 | < 0,1 |
| NH₄⁺, % (élimination) | > 90 | > 94 |
| Solides dissous (% élimination) | > 97 | > 97 |
Usine de Windhoeck (Namibie)
Le problème de la pénurie d'eau en Namibie
étant particulièrement crucial, les autorités ont engagé depuis plus de 25 ans une politique de réutilisation des eaux usées afin de compenser le déficit permanent en eau potable. La première filière de traitement alimentée à partir d'une station d’épuration municipale, était constituée d'une pré-chloration, clarification, recarbonatation, double filtration sur charbon actif, désinfection. Vers la fin des années 90, les autorités ont décidé de faire construire une usine neuve qui permettrait
- d’accroître le débit de production qui passerait de 10 000 m³/j à 21 000 m³/j,
- d’améliorer la qualité finale de l'eau produite par l’intégration de techniques innovantes et performantes,
- et enfin d’en donner l'exploitation à une compagnie étrangère.
Les autorités namibiennes ont maintenu un programme d’éducation et d'informations de la population, qu’ils avaient, il est vrai, entrepris depuis quelques années déjà.
Un consortium constitué de Véolia Water, BerlinerWasser et Wabag exploite cette usine depuis 2002.
Tableau V : Qualité d’eau en sortie de l’usine de Kranji
| Paramètre | Valeur | Valeur cahier de charges |
|---|---|---|
| Température, °C | 26,4-30,9 | |
| Fer, mg/l | < 0,05 | < 0,05 |
| Ammoniac (N), mg/l | < 0,5 | < 0,5 |
| Nitrate (N), mg/l | 0,02-5 | < 10 |
| Manganèse, mg/l | < 0,05 | < 0,05 |
| Carbone organique total, mg/l | < 4 | < 0,1 |
| Solides dissous, mg/l | 11-118 | |
| Aluminium, mg/l | < 0,12 | |
| Turbidité, NTU | < 0,1 | < 0,2 |
| pH final | 8-8,5 | 8-8,5 |
| Silice, mg/l | < 0,5 | < 0,5 |
| Chlorures, mg/l | 25-47 | |
| Sulfates, mg/l | 0,15-0,5 | |
| Conductivité, µS/cm | 28-256 | |
| Calcium, mg/l | < 0,5 | |
| Magnésium, mg/l | < 0,45 | |
| Bore, mg/l | < 4 | < 0,1 |
| Alcalinité, mg/l | 5-16 | 5 |
| Fluor, mg/l | < 0,5 | 2 |
| Monochloramine, mg/l | 0,92 | 0,5-1,0 |
| Colonies bactériennes 35 °C (48 h) u/100 ml | < 5 | < 5 |
La filière de traitement, alimentée à partir d’un barrage (50 %) et de l’effluent de sortie d’une station d’épuration (50 %), est constituée de :
- Une pré-ozonation (3-3,5 mg/l) ;
- Une coagulation-floculation-flottation avec injection de FeCl₃ (50-90 mg/l) et polymère, et possibilité d’injection du CAP ;
- Une filtration sur sable (avec injection de soude et KMnO₄) ;
- Une inter-ozonation (6-7 mg/l), avec injection de H₂O₂ (2-3 mg/l) ;
- Une double filtration sur charbon actif ;
- Une filtration sur membranes d’ultrafiltration Xflow ;
- Une désinfection finale (chlore libre 1,2-2,2 mg/l) ;
- Un ajustement du pH.
L’eau produite est mélangée avec de l'eau traitée issue d'autres ressources selon un ratio 50/50 à 30/70. Les analyses d’eau traitée par l'usine de Windhoek sont effectuées de façon rigoureuse par le laboratoire de la ville. Des analyses de routine sont effectuées sur le site.
Tableau VI : Qualité d’eau en entrée et sortie de l’usine de réutilisation des eaux usées de Windhoek (Namibie)
| Paramètre | Entrée usine station d’épuration / barrage | Sortie usine | Garanties contractuelles |
|---|---|---|---|
| Turbidité, NTU | 52 | < 0,1 | 0,1 |
| pH | 9-9,2 | 7,5-8 | 7,5-8 |
| Conductivité, µS/cm | 64-65 | 75-85 | 150 |
| Couleur | 8 | ||
| COT, mg/l | 8-12 | 0,4-0,6 | 5 |
| Fe, mg/l | 0,9-2,4 | 0,01-0,03 | 0,1 |
| Mn, mg/l | 0,04-0,08 | 0,005 | 0,05 |
| Alcalinité, mg/l CaCO₃ | 112-125 | 80-95 | |
| Dureté, mg/l CaCO₃ | 120-150 | 120-135 | |
| UV 254 nm | 0,22-0,30 | 0,001-0,008 | 0,06 |
| Phénols, mg/l | 0,4-0,5 | 0-0,02 | 0,1 |
| Formaldéhyde, mg/l | 0,1-0,3 | 0 | 0,1 |
| Chlorophylle, µg/l | < 1 | 1 | |
| NH₄, mg/l | 1-2,3 | 0,05 | 0,1 |
| NO₃, mg/l | 0,27 | 0,005 | |
| Chlorures, mg/l | 80-98 | 130-150 | 250 |
| Sulfates, mg/l | 42-50 | 42-50 | 200 |
| Aluminium, mg/l | 0,15 | ||
| Microbiologie | |||
| Numération germes aérobies à 22 °C u/ml | 6,5 10³-5,7 10⁵ | 0-1 | 100 |
| Cryptosporidium | 0-6 log | 0-6 log | |
| Giardia | 0-6 log | 0-6 log | |
| Coliformes totaux u/100 ml | 2,45 10⁵ | 0 | 0 |
| Coliformes fécaux u/100 ml | 2,2 10⁴ | 0 | 0 |
| Streptocoques fécaux u/100 ml | 270 | 0 | 0 |
| Pseudomonas aeruginosa u/250 ml | 2 200 | 0 | 0 |
| Clostridium spor. | 1,1 10⁴ | 0 | 0 |
Les résultats sont présentés sur le tableau IV. Ces résultats montrent que la filière de traitement est conforme à celle requise par les autorités. Dès juin 2002, ils en avaient autorisé la distribution.
Anjou Recherche participe activement au suivi de l'exploitation en collaboration avec le laboratoire de recherche de la ville.
Conclusion
Les divers exemples décrits dans cet article ainsi que la liste de références présentée ci-dessus montrent que la réutilisation des eaux usées est une réalité bien concrète dans de nombreuses régions du monde. Et que Véolia Water contribue largement à faire bénéficier de son savoir-faire et de sa tech
Tableau VII : Quelques références de filières comprenant une double étape microfiltration-osmose inverse
| Ville | Débit (m³/j) | Origine eau brute | Année |
|---|---|---|---|
| Honolulu (Hawaï) | 49 300 | Effluent secondaire | 2000 |
| Illawarra (Australie) | 23 500 | Effluent secondaire | En construction |
| Bedok (Singapour) | 10 000 | Effluent secondaire | 1999 |
| Kranji (Singapour) | 52 000 | Effluent secondaire | 2002 |
| West Basin (USA) | 11 000 | Effluent secondaire | 1998 |
| West Basin (USA) | 14 000 | Effluent secondaire | 1998 |
| Scottsdale (USA) | 57 000 | Effluent secondaire | 1999 |
| Canaries | 7 000 | Effluent secondaire | 1998 |
En matière de recharge de nappes ou de fabrication d’eau potable, les technologies membranaires associées selon des schémas microfiltration/ultrafiltration-osmose inverse ou traitement avancé-ultrafiltration, prennent un net ascendant car elles permettent de délivrer une eau de qualité physico-chimique et microbiologique en conformité avec les normes O.M.S., ou normes locales qui s’inspirent très fortement des normes U.S ou des normes Européennes.
Ces filières de traitement sont très souvent confortées en amont par des essais pilote qui aident au choix de la membrane la plus adéquate ainsi que des réactifs les mieux adaptés. Ces divers exemples montrent qu’à travers les contraintes exigées sur la qualité finale de l’eau, les membranes trouvent largement leur place qu’elles soient utilisées en clarification ou en affinage.
