Dans certaines régions de France, la craie, roche calcaire, poreuse et fissurée, est la formation sédimentaire la plus étendue. Ses fissures peuvent être développées jusqu’à donner naissance à des réseaux karstiques au sein de la masse rocheuse, ce qui se traduit en surface par des zones d’effondrement et des bétoires (gouffres) qui percent la couverture protectrice d’argile, contribuant ainsi à rendre la nappe vulnérable.
Au niveau des captages et sources, cette vulnérabilité est mise en évidence par de fortes valeurs de turbidité liées à des teneurs anormales de matières en suspension, matières organiques, ammoniaque et germes microbiens ; ces anomalies sont observées à l'occasion de fortes pluies qui ruissellent et qui s’infiltrent. Ce comportement hydraulique impose donc que les eaux captées soient épisodiquement traitées avant distribution. C’est dans ce cadre que le procédé de microfiltration a été testé à l'échelle pilote sur différents sites, en comparaison avec des procédés classiques de traitement.
Les procédés classiques de traitement
Les filières de potabilisation conventionnelles applicables à ces types d'eau sont composées des étapes de coagulation, floculation, sédimentation et filtration. La coagulation-floculation nécessite l'addition de réactifs tels que sels de fer ou d’aluminium et adjuvants. Selon les caractéristiques de l'eau brute et l'amplitude de leur variation, la filière peut être réduite aux seules étapes de coagulation-filtration. Cette « filtration directe » est alors réalisée sur filtre bicouche (anthracite-sable, charbon actif-sable).
Ce procédé est utilisable pour des eaux dont la turbidité n’excède pas 15 à 20 NTU ; au-delà de ce seuil, la durée des cycles de filtration est sensiblement réduite et les consommations d'eau deviennent trop importantes. De plus, ces types de filière présentent des inconvénients de mise en œuvre et d’adaptation (exemple : taux de réactifs) aux fluctuations de qualité. Aussi avons-nous envisagé de remplacer ces procédés par une seule étape de traitement : la microfiltration tangentielle.
Les avantages d'un tel procédé sont : sa compacité, sa rapidité de mise en œuvre, et la qualité constante du traitement.
En outre, pour la majeure partie des cas étudiés, ce procédé ne nécessite pas l’ajout de réactifs ; le traitement est physique, sauf la désinfection finale au chlore qui, malgré l'efficacité de barrière des membranes vis-à-vis des germes, demeure souvent nécessaire pour maintenir un léger résiduel bactériostatique dans le réseau de distribution. Ce créneau particulier des eaux pouvant se contenter d’un traitement purement physique est le domaine d’application privilégié de la microfiltration tangentielle.
La microfiltration tangentielle
Lors d'une filtration classique transversale, la suspension à filtrer est amenée perpendiculairement à la surface fil-
tranche au niveau de laquelle se forme alors une accumulation de matières en suspension au cours du temps. Cette accumulation tend à augmenter la résis tance de la couche filtrante et à diminuer sa porosité finale ; le flux de filtrat décroît. Afin d’éviter cette baisse de débit et la régénération ou le change ment du média filtrant, il est nécessaire de limiter, voire même d’empêcher la formation de ce gâteau.
Le principe même de la filtration tan gentielle permet de répondre à cet objectif. La microfiltration tangentielle peut être définie comme une technique consistant à amener parallèlement au média filtrant la suspension à filtrer. Cette circulation tangentielle crée au voisinage de la membrane une contrainte de cisaillement qui lui est parallèle. Cette contrainte va limiter le dépôt et l'accumulation des particules sur le matériau filtrant.
Le champ d’application de la microfil tration tangentielle s’étend dans un domaine de porosité comprise entre 0,1 et 10 µm (figure 1).
Description du pilote
Le pilote a fonctionné sur site pendant une durée de quatre mois en deux pério des. Il est équipé de membranes miné rales de type composite (asymétrique) de porosité initiale 0,2 µm, obtenues par le dépôt d'une « peau » sélective sur un support (figure 2).
Le support de la membrane est en alu mine (Al₂O₃ – céramique) et possède une texture macroporeuse (15 µm). Ces supports sont obtenus par malaxage d'une pâte fabriquée à partir de poudres de granulométrie définie ; la pâte est extrudée, séchée et subit un traitement thermique. La membrane est également obtenue à partir d'une poudre d’alumine de granulométrie uniforme, afin d’abou tir à une répartition homogène du dia mètre des pores. Le support et la mem brane sont liés de façon monolithique par frittage.
Un élément filtrant représente une surface membranaire de 0,2 m² et com porte (figure 3) 19 canaux parallèles de 4 mm de diamètre. La géométrie multi canale des éléments permet de déve lopper une surface filtrante importante pour un encombrement spatial réduit : la surface membranaire d'un module industriel (diamètre = 299 mm ; lon gueur = 850 mm ; 19 éléments) est ainsi de 3,8 m².
Les avantages et inconvénients des membranes minérales en comparaison avec les membranes organiques sont résumés ci-après.
Avantages
- — Tenue en température, pression et pH,
- — résistance à l’érosion,
- — conservation à l’air,
- — stérilisables à la vapeur,
- — insensibles aux bactéries,
- — acceptent tous types de liquides, chargés ou non, sans prétraitement,
- — possibilité de décolmatage par pres sion inverse au sens du travail,
- — possibilité de nettoyage chimique.
Inconvénients
- — Rapport encombrement/surface dis ponible important,
- — nécessité de maintenir une vitesse de circulation élevée au niveau de la mem brane.
La figure 4 représente le schéma de fonctionnement du pilote tel qu’il a été utilisé sur le site. Le circuit hydraulique est ouvert.
L’étude réalisée avait pour objectif d’observer l’influence des différents paramètres de fonctionnement sur la production de perméat pour aboutir au dimensionnement d'une unité de pro duction de 2000 m³/j.
Caractéristiques des eaux à traiter
L’installation pilote a été mise en œuvre sur différents sites dont les eaux brutes enregistrent des fluctuations importantes de qualité ; les caractéristi ques physico-chimiques moyennes observées sur deux sites, hors périodes critiques de forte turbidité, sont repor tées sur le tableau I.
Les caractéristiques des eaux de cap tage du site n° 1 hors période de trou bles, et pour différents prélèvements (A, B, C) sont portées sur le tableau II.
Ces eaux ne nécessitent pas de traite ment spécifique, hormis une chloration bactéricide avant refoulement-distribu tion.
Ces différents paramètres, lors de périodes critiques (forte pluviométrie, fonte des neiges...), et ce pour quatre périodes différentes (1, 2, 3, 4) prennent les valeurs portées au tableau III.
Actuellement, lors de ces pointes de turbidité, aucun traitement n’est effec tué ; un apport d’eau de forage en nappe alluviale permet une dilution. Les essais pilotes ont été effectués à partir des
eaux brutes présentant ces caractéristiques physico-chimiques. L'utilisation de la microfiltration tangentielle n'est envisagée que pour le traitement des eaux turbides ; par conséquent, nous n'avons pas testé ce procédé pour les eaux dont les caractéristiques sont compatibles avec la distribution.
L'étude pilote effectuée sur site a permis d'évaluer l’efficacité de la microfiltration tangentielle, mais aussi d'étudier l'influence des paramètres de fonctionnement sur les débits d'eau traitée.
Influence des différents paramètres de fonctionnement
Les débits de perméat dépendent non seulement des caractéristiques de la suspension à traiter mais aussi des conditions de fonctionnement.
Influence de la vitesse de circulation
L'influence de la vitesse est due à la modification du gradient de vitesse au niveau de la couche limite. Une augmentation de la vitesse de circulation accroît l'effet des contraintes de cisaillement à la surface de la membrane, en limitant alors les dépôts et colmatages de surface.
Les vitesses de circulation explorées durant ces essais sont de 1-2-3-4 et 5 m/s, ce qui correspond, compte tenu des dimensions de l'élément filtrant mis en œuvre, à des débits respectivement égaux à 0,86 – 1,75 – 2,6 – 3,5 et 4,3 m³/h.
Selon les vitesses de circulation appliquées, les pertes de charge dans l'élément filtrant sont plus ou moins importantes. La figure 5 représente les pertes de charge exprimées en bar/m linéaire de module filtrant ; une vitesse importante entraîne une consommation énergétique plus élevée. Il est important de trouver un compromis flux de perméat / vitesse d'écoulement.
Les premiers essais ont été réalisés à partir d'une eau turbide synthétique dopée en limon argileux prélevé au niveau des captages. La turbidité initiale était de 100-120 NTU ; cette valeur était maintenue constante pendant toute la durée de l'essai. Lors de cette première série, il n'était procédé à aucun décolmatage flux inverse.
La figure 6 représente l'influence bénéfique de la vitesse d'écoulement. Les vitesses dépassent rarement 4 à 5 m/s dans les procédés existants (industries agro-alimentaires). Cette limitation résulte de plusieurs facteurs :
— le rapport débit de filtrat/débit de circulation, qui décroît rapidement avec l'augmentation de la vitesse (taux de conversion) ; — la consommation énergétique pour la recirculation ; — les pertes de charge, qui deviennent importantes.
Les résultats sont rassemblés dans le tableau IV.
Une seconde série d'essais a été effectuée avec décolmatage flux inverse (figure 7). Les flux de perméat augmentent plus ou moins sensiblement avec la vitesse de circulation. Les valeurs de vitesse de filtration sont plus élevées que précédemment ; la suspension utilisée est de nature différente, quoique la valeur de turbidité se situe entre 100 et 120 NTU.
Influence de la pression
Le débit de filtrat augmente avec la pression jusqu’à une valeur limite à partir de laquelle le débit se stabilise ou diminue. Cette diminution est la conséquence d'un probable colmatage en profondeur de la membrane. Dans le cas présent, nous avons étudié l'influence de la pression de travail pour une vitesse d'écoulement de 5 m/s.
L'influence de la pression de travail a été étudiée pour une vitesse de circulation de 5 m/s. La figure 8 représente les différents profils de flux obtenus pour différentes pressions sans décolmatage.
Après trois heures de fonctionnement, les débits quasi constants de perméat obtenus à 1,45, 2,4 et 4 bars sont respectivement de l'ordre de 0,4, 0,6 et 0,85 m³/m²/h, sans décolmatages flux inverse. Lors de l'essai à 4 bars la turbidité initiale du perméat est de 0,65 NTU, puis diminue rapidement pour atteindre 0,25 NTU. Ce phénomène fugace est imputable à l'effet de la pression, comme le montre un essai réalisé à 5 m/s et 2,6 bars où la turbidité initiale du perméat est de 0,2 NTU. Les fortes pressions semblent favoriser la migration des particules de très faible granulométrie au travers de la membrane et ce, jusqu'à obtenir la formation d'une couche de polarisation stable.
Les pressions importantes, pour certains types de suspension, peuvent favoriser le colmatage en profondeur de la membrane, beaucoup plus préjudiciable.
Tableau I : caractéristiques physico-chimiques observées sur les deux sites
| Caractéristiques physico-chimiques moyennes | Site n° 1 | Site n° 2 |
|---|---|---|
| Turbidité (NTU) : 0,6 – 0,75 | 0,6 – 2 | |
| Matières organiques (mg O₂/l) : 0,05 – 0,07 | — | |
| Fer (mg/l) : 0,04 – 0,06 | 0,01 – 0,07 | |
| Mn (mg/l) : < 0,02 | < 0,02 | |
| Al (mg/l) : < 0,02 | 0,025 – 0,05 |
Tableau II : caractéristiques des eaux de captage du site n° 1
| Caractéristiques physico-chimiques (hors périodes de troubles) | A | B | C |
|---|---|---|---|
| Turbidité (NTU) : 0,75 | 0,65 | 0,7 | |
| Couleur (mg/l Pt-Co) : < 5 | < 5 | < 5 | |
| Conductivité (µS/cm) : 327 | 338 | 305 | |
| Oxydabilité en milieu acide (mg O₂/l) : 0,3 | 0,4 | 0,45 | |
| TH (°F) : 17,6 | 17,1 | 19,8 | |
| TAC (°F) : 16,2 | 15,1 | 15,2 | |
| Fe (mg/l) : 0,06 | 0,04 | 0,05 | |
| Mn (mg/l) : < 0,01 | < 0,01 | < 0,02 | |
| Al (mg/l) : < 0,02 | 0,02 | — |
Tableau III : valeurs des paramètres lors des périodes critiques
| Caractéristiques (en périodes critiques) | Périodes | |||
|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | |
| Turbidité (NTU) : 55 | 100 | 100 | 95 | |
| MES (mg/l) : 25 | 200 | 300 | 260 | |
| COT (mg/l) : 0,38 | 5,9 | 5,2 | 3,8 | |
| Fe (mg/l) : 0,03 | 0,4 | 0,4 | 0,28 | |
| Al (mg/l) : 0,03 | 0,04 | 0,04 | 0,03 | |
| Germes (20 °C nb/ml) : 560 | > 1 000 | > 1 000 | 200 | |
Tableau IV : résultats comparatifs
| Caractéristiques | Eau brute | Perméat |
|---|---|---|
| Turbidité (NTU) | 100 – 120 | 0,1 – 0,25 |
| MES (mg/l) | 8,5 – 7,3 | 0,5 |
| COT (mg O₂/l) | 7,0 | 1,5 |
| Fe (µg/l) | 2 700 | 15 |
| Mn (µg/l) | 3 000 | 40 |
| Germes (20 °C et 37 °C) | > 1 000 | Absence |
ciable que le colmatage de surface qui peut alors être limité par des colmatages à flux inverse.
Influence de la concentration
Une augmentation de la concentration initiale ou en cours de fonctionnement provoque généralement une diminution du flux de perméat. Toutefois, dans le cas particulier des turbidités d'origine karstique, les argiles peuvent jouer le rôle de promoteurs de turbulence à la surface de la membrane et, de ce fait, diminuer le colmatage.
Un premier essai de concentration a été réalisé à 5 m/s avec un ΔP de 2,6 bars. Dans un premier temps, la concentration dans la boucle de circula- tion a été maintenue constante et le flux de perméat a été mesuré en fonction du temps. L'essai a été reproduit en laissant évoluer la concentration jusqu'à une valeur finale de turbidité égale à 750 - NTU. L'ensemble des résultats est consigné sur la figure 9. Il apparaît que, dans le second cas, le flux de perméat décroît dans le temps, alors qu'il reste stable dans le premier. La chute de débit de perméat apparaît lorsque le facteur de concentration devient supérieur à 2.
Influence des colmatages à flux inverse
Le lavage à contre-courant périodique permet de régénérer en partie la mem- brane et donc d'obtenir des flux de filtrat globalement plus élevés qu'en régime continu. Les temps de lavage sont de l'ordre de quelques secondes et leur fré- quence de plusieurs minutes. Simulta- nément au décolmatage à flux inverse, il est procédé à la déconcentration de la boucle de circulation.
La figure 10 représente le déclenche- ment d'un décolmatage flux inverse après une séquence de filtration conti- nue de 175 min ; elle est significative d'une filtration avec décolmatage flux inverse. La quantité de perméat utilisée pour le décolmatage représente, dans ces conditions, environ 1 % à 2 % de la production.
Lorsque la dérive des flux de perméat devient irréversible, on procède à un nettoyage chimique de la membrane par la succession d'une séquence acide, base et oxydant (hypochlorite de sodium). La membrane ainsi régénérée retrouve ses performances initiales.
Application industrielle
Les essais-pilotes entrepris avaient pour but d’étudier et de dimensionner une installation de microfiltration tangentielle pour une production journalière de 2 000 m³/j. Cette installation développerait une surface membranaire de 120 m² pour un débit nominal de 100 m³/h et maximal de 150 m³/h. Cette filière de traitement est mise en parallèle sur les conduites d’amenée des eaux de captage vers le poste de refoulement. Sa mise en fonctionnement est déclenchée automatiquement par une mesure en continu de la turbidité des eaux ; cette installation est appelée à fonctionner 20 à 40 jours par an, assurant ainsi entre 6 et 12 % de la production annuelle. La consommation énergétique prévue est de 0,55-0,7 kWh par mètre cube d'eau produite en microfiltration. La production est assurée par deux unités de microfiltration fonctionnant en parallèle ; chaque unité est autonome, ce qui permet une bonne souplesse de fonctionnement. L'encombrement spatial de ces unités est très faible, la surface unitaire au sol étant approximativement de 8 m² pour une hauteur de 3,5 mètres.
Conclusion
Les résultats obtenus jusqu’alors permettent d’envisager l'utilisation du procédé de microfiltration tangentielle pour le traitement des eaux d'origine karstique qui présentent des augmentations séquentielles de leur turbidité. Toutefois, son application ne peut pas être systématiquement généralisée à toutes les eaux souterraines présentant ces particularités. Actuellement, la microfiltration tangentielle demeure un procédé énergétiquement coûteux comparé aux procédés classiques de traitement. Le facteur limitant est le débit de perméat par unité de surface membranaire, et une étude pilote préliminaire reste nécessaire pour juger de l’opportunité de mettre en œuvre un tel procédé sur un site donné.
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