Les techniques de séparation par membrane jouent un rôle de plus en plus important dans le traitement des eaux potables. La généralisation de leur emploi est liée d'une part à une législation plus sévère sur la qualité de l'eau et d'autre part à une diminution du nombre de ressources dont la potabilisation est facilement réalisable par des traitements conventionnels. Parallèlement, les progrès technologiques ont permis d'obtenir une diminution du coût des systèmes de séparation par membranes, favorisant ainsi leur utilisation.
Une membrane constitue un filtre absolu qui assure l’élimination des composés de taille supérieure à son seuil de coupure. Les composants organiques et minéraux de la ressource qui doivent être éliminés définissent le procédé le mieux adapté pour obtenir la qualité d’eau souhaitée. Ainsi le traitement des eaux de surface, généralement chargées en matière organique, utilisées de plus en plus fréquemment comme ressource d’eau potable, impose l’élimination des matières organiques dissoutes et des micropolluants. Celle-ci nécessite l’utilisation d’une membrane dont le seuil de coupure est inférieur à 500 Daltons, c’est-à-dire une membrane de nanofiltration (NF) ou d’osmose inverse (OI).
Les techniques de séparation par membranes
Les techniques membranaires se répartissent en quatre grandes catégories selon le seuil de coupure de la membrane : microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration et osmose inverse (figure 1).
Les deux premières nécessitent de faibles pressions de transfert (inférieures à 5 bars) et sont essentiellement indiquées pour la séparation solide/liquide et l’élimination des particules. L’ultrafiltration (UF), dont le seuil de coupure est compris entre 0,1 µm et 0,005 µm, arrête des particules minérales, organiques et biologiques, telles que les algues, bactéries et virus. Cependant, couplée à une adsorption sur charbon actif en poudre (CAP), l’UF permet d’éliminer les molécules organiques dissoutes.
Par contre, la nanofiltration et l’osmose inverse arrêtent les particules de la taille des ions. Elles sont traditionnellement utilisées respectivement pour l’adoucissement et la déminéralisation partielle d’eau saumâtre ou faiblement salée et le dessalement d’eau de mer ou d’eau saumâtre. La NF et l’OI se différencient par le taux de déminéralisation qu’elles assurent : en effet pour un fonctionnement identique des deux membranes celui-ci est très supérieur pour l’OI. De plus la NF arrête principalement les ions divalents.
Leur fonctionnement dépend d’une pression appliquée sur la membrane afin de compenser le différentiel de pression osmotique entre l’eau d’alimentation et l’eau de production. La pression de travail est comprise entre 5 et 10 bars pour la NF et 15 à 80 bars pour l’OI. Mais la NF dont le seuil de coupure est de l’ordre de 300 Daltons vient d’être récemment considérée comme un moyen d’éliminer les matières organiques dissoutes.
Les membranes actuellement commercialisées sont de type spirale, ce qui limite généralement leur domaine d’utilisation à des ressources sans matières en suspension et présentant un indice de colmatage inférieur à 5 (déterminé par encrassement d’un filtre de 0,45 µm), naturellement ou après un prétraitement complet.
La nanofiltration et l’osmose inverse : techniques de dessalement et d’adoucissement
La production d’eau potable ou industrielle, à partir d’eau de mer ou saumâtre, nécessite un taux de rejet en sel supérieur à 95 %. Les méthodes de dessalement sont la distillation, l’électrodialyse ou l’osmose inverse. Soixante-dix pour cent des installations de dessalement construites ou en voie de construction utilisent l’osmose inverse comme procédé de traitement. Celui-ci intéresse notamment les pays dont les ressources en eaux douces sont limitées, tels que les pays du Moyen-Orient (Arabie Saoudite, Irak…).
Ainsi deux tiers de la capacité totale des installations d’osmose inverse réalisées par la Société Degrémont sont situées dans cette partie du monde. Ces unités correspondent à une capacité globale de production d’environ 260 000 m³/j (tableau 1).
Lorsqu’une déminéralisation partielle est souhaitée, une alternative à l’osmose inverse réside dans la nanofiltration. En effet, le principe original de la NF est fondé sur une adaptation de la membrane d’osmose inverse en vue de l’élimination de la dureté sulfatée et de la dureté totale liée aux concentrations en calcium et magnésium. La nanofiltration s’impose aujourd’hui comme une alternative valable à l’osmose inverse pour l’adoucissement et le dessalement partiel car elle permet de travailler sous plus faible pression (5 à 10 bars) et avec de meilleurs taux de conversion (80 à 90 %) que l’osmose inverse (Taylor et Col. 1987-1989). Les membranes de nanofiltration utilisées actuellement sont conçues de manière à réduire globalement la salinité (50 à 70 % d’abattement) tout en éliminant une fraction importante des ions bivalents (jusqu’à 95 %), principalement sulfates et calcium-magnésium qui contribuent à la dureté de l’eau.
La plupart des recherches et applications pratiques de la nanofiltration ont eu lieu aux USA : en Floride, par exemple, des installations d’adoucissement par membrane représentant une capacité globale de plus de 275 000 m³/j sont actuellement en fonctionnement, en construction ou en projet.
Ce procédé est désormais également utilisé en Europe en vue notamment de produire des eaux de procédé. Une unité de nanofiltration a été ainsi réalisée pour la Française de Brasserie, qui utilise une eau adoucie dont le titre hydrotimétrique (TH, correspondant aux concentrations en calcium et magnésium) inférieur à 10 °F est nécessaire pour mettre en œuvre son procédé de fabrication de la bière à Mons-en-Barœul.
L'installation, d'une capacité de 200 m³/h, est équipée d'une chaîne de traitement représentée sur la figure 2. Elle est alimentée par l'eau du réseau ou une eau de forage prétraitée par une coagulation sur filtre (figure 3).
De l’acide sulfurique et de l'hexamétaphosphate de sodium sont ajoutés avant la filière « membrane » afin de limiter les problèmes de précipitation des sels. Celle-ci est constituée de deux lignes de 18 modules Toray, répartis sur deux étages (12 sur le premier, 6 sur le second) assurant un taux de conversion de 80 à 85 % sous une pression de travail de 10 bars (figure 4). L'eau passe dans une tour de dégazage avant d'être stockée, afin d’éliminer le CO₂ dissous et d’assurer une remise à l’équilibre de l’eau.
Les caractéristiques de l'eau brute et de l'eau traitée sont présentées sur le tableau II, où l'on constate qu’après traitement, l'eau présente un TH de 8 °F et une conductivité de 260 µS/cm. La nanofiltration permet d’éliminer 85 % du TH et 70 % de la conductivité et assure donc un adoucissement important et une déminéralisation partielle de l'eau. Cette installation fonctionne depuis 1990 et produit une eau dont la qualité lui permet d’être utilisée comme eau de dilution dans le procédé de fabrication de la bière.
La nanofiltration appliquée au traitement d’eaux chargées en matières organiques
La nanofiltration est employée essentiellement aux États-Unis sur des eaux souterraines contenant peu de matières en suspension, mais qui comportent des taux élevés de dureté totale, de couleur, de PFTHM (potentiel de formation des trihalométhanes) et d'autres précurseurs de sous-produits de désinfection. Elles sont caractérisées par une concentration totale en sels de l’ordre de 2 ou 3 g/l et peuvent contenir de 5 à 20 mg/l de carbone organique total (COT). Ces installations ont mis en évidence l'aptitude de la nanofiltration non seulement à abattre la dureté mais également à éliminer les matières organiques.
Tableau I
Installations Degrémont-Lyonnaise des Eaux-Dumez d’osmose inverse
| Pays | Capacité de production d’eau potable (m³/j) | Capacité de production d’eau de procédé (m³/j) |
|---|---|---|
| Algérie | 1 065 | 48 100 |
| Allemagne | 5 720 | |
| Arabie Saoudite | 195 000 | 840 |
| Argentine | 220 | |
| Caraïbes | 300 | |
| Colombie | 3 300 | |
| Espagne | 1 180 | 7 530 |
| France | 50 | 960 |
| Grande-Bretagne | 4 830 | |
| Irak | 3 360 | 56 000 |
| Iran | 2 880 | |
| Italie | 480 | |
| Libye | 1 545 | 170 |
| Maroc | 1 280 | |
| Suisse | 40 | |
| USA | 680 | 4 370 |
| Yémen | 1 050 | |
| Total | 206 700 | 134 250 |
| Total | 340 950 |
Tableau II
Installation de la Française de Brasserie.
Caractéristiques de l’eau entrée osmose et de l’eau de process
| Facteurs | Eau brute | Production |
|---|---|---|
| Conductivité (µS/cm) | 870 | 262 |
| TH (°F) | 52 | 8 |
| Cl⁻ (mg/l) | 64 | 50 (30) |
Tableau III
Élimination de la matière organique par nanofiltration
D’après J. G. Jacangelo (JM Montgomery)
| Paramètres | Essais sur l’eau du delta San-Joaquim | % d’élimination | Essais sur l’eau de la rivière Mokelumne | % d’élimination | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Eau brute | NF 70 | Zenon | Eau brute | Zenon | ||
| COD (mg/l) | 2,2-11 | 90 | 60 | 1,1-1,6 | 80 | |
| UV (DO/m) | 0,9-2,64 | 99 | 80 | 0,4 | 90 | |
| PFTHM** (µg/l) | 200-460 | 99 | 40 | 40-60 | 85 |
* Essais sous un taux de conversion de 70 %.
** THM formés après chloration en simulation du réseau : 0,5 mg/l de chlore libre après 72 h.
Tableau IV
Pourcentage de rétention des pesticides à 10 % de taux de conversion
D’après C. Hefman, Koppelo, Kruithof, Van der Koek et Schippers, Kiwa NV
| Membrane / pesticides | Fluid System 42 1P2 | Dow/Filmtec NF70 | Hydra-nautics PVD1 | Toray S4610 |
|---|---|---|---|---|
| Simazine | 66 | 81 | 95 | 80 |
| Atrazine | 80 | 92 | 98 | 90 |
| Diuron | 45 | 55 | 90 | 56 |
| Bentazon | 96 | 95 | 98 | 99 |
| Dinoseb | 81 | 95 | 99 | 93 |
Tableau V
Traitement d’eau de surface : abattement de salinité par la nanofiltration
(taux de conversion de 80 %)
Essais-pilotes d’eau de surface chargée en matières organiques et très minéralisée
| Caractéristiques | Eau brute | Perméat | % d’élimination |
|---|---|---|---|
| Sodium (mg/l) | 150 | 82 | 45 |
| Calcium (mg/l) | 120 | 20 | 85 |
| Chlorure (mg/l) | 180 | 80 | 48 |
| Sulfate (mg/l) | 180 | 5 | 97 |
| TAC (°F) | 30 | 0,4 | 98 |
| TH (°F) | 40 | 52 | 85 |
Réactif nécessaire pour ramener à l’équilibre par NaOH : 9,11 mg/l (pH d’équilibre > 9)
Réactifs nécessaires pour déminéralisation : 26 mg/l CO₂ – 30 mg/l Ca(OH)₂ (pH final = 8,34)
Simulation : eau de Seine en aval de Paris
| Caractéristiques | Eau | % d’élimination |
|---|---|---|
| TAC (°F) | 0,6 | |
| TH (°F) | 4 |
Réactif nécessaire pour ramener à l’équilibre par NaOH : 3,88 mg/l (pH d’équilibre > 9)
Réactifs nécessaires pour déminéralisation : 37 mg/l CO₂ – 34 mg/l Ca(OH)₂ (pH final = 8,3)
Tableau VI
Comparaison des coûts d’investissement des chaînes de traitement conventionnel et des chaînes incluant des membranes
| Capacité de l’installation | Chaîne de traitement | Coût d’investissement (F/m³) | Coût d’exploitation (F/m³)* |
|---|---|---|---|
| 2 300 m³/h (10 millions m³/an) | Préozonation / décantation / filtration sable / pérozonation (O₃/H₂O₂) | 1 400 | 0,40 |
| Préozonation / décantation / filtration / pérozonation (O₃/H₂O₂) + traitement sur CAG | 1 800 | 0,75 | |
| Préozonation / décantation / filtration / nanofiltration | 2 250 | 1,10 | |
| 50 m³/h (250 000 m³/an) | Décantation / filtration / CAG | 3 600 | 0,40 |
| Décantation / filtration, combinaison de traitement CAP/UF | 3 500 | 0,60 | |
| Décantation / filtration / nanofiltration | 3 800 | 1,20 |
* Le coût d’exploitation n’inclut pas les coûts de main-d’œuvre et d’amortissement de l’investissement.
Programme EUREKA auquel a participé la Lyonnaise des Eaux-Dumez. Elle se situe, de par son seuil de coupure de 500-600 Daltons, dans la gamme de la nanofiltration sans en avoir toutes les caractéristiques, notamment en ce qui concerne l’élimination des ions et des substances organiques d’un poids moléculaire inférieur à 400 Daltons. Cette membrane a été alimentée directement par la ressource. Du fait de sa configuration en fibre creuse, cette membrane présente l’avantage, par rapport aux membranes de NF conventionnelles, de fonctionner sans pré-traitement à l’exception d’une pré-filtration à un seuil de coupure de 200 µm.
Élimination de la matière organique
La membrane Zenon permet d’éliminer 60 à 80 % du carbone organique dissous (COD), 80 à 90 % de la densité optique à 254 nm (UV) et une grande part du potentiel de formation des trihalométhanes (PFTHM) ; de plus, elle résout totalement les problèmes de couleur mais elle n’élimine pas les pesticides (tableau III).
Elle ne retient que peu de sels (5 % des sulfates, 10 % du calcium) et ne peut donc pas être utilisée en adoucissement. Mais, en traitement d’eau de surface, elle ne nécessite pas de reminéralisation après traitement. Cette membrane est très fonctionnelle en ce qui concerne le traitement des eaux de surface colorées.
La membrane spirale Filmtec NF70 élimine, quelle que soit la ressource, 95 à 99 % du COD et de la densité optique à 254 nm (figure 5, tableau III) ; de plus, elle retient 95 à 99 % du potentiel de formation des THM (figure 6). Elle produit donc une eau dont le COD et les PFTHM sont respectivement inférieurs à 0,5 mg/l et 30 µg/l.
La couleur est également diminuée de 45 à moins de 2,5 mg/l Pt/Co (figure 7). Par contre, cette membrane ne retient que 80 % des pesticides des types atrazine et simazine.
De façon plus générale, une étude menée en Hollande a mis en évidence une efficacité variable de différentes membranes de nanofiltration vis-à-vis de l’élimination des pesticides (tableau IV). Si la membrane Hydranautics PVD1 élimine plus de 90 % de l’ensemble des pesticides (triazines, diuron…), les trois autres membranes ne retiennent que 50 % du diuron et entre 65 et 80 % de la simazine.
Adoucissement
Les membranes de nanofiltration associent l’adoucissement de l’eau à l’élimination des matières organiques. Ainsi le tableau V, qui récapitule les concentrations en ions de l’eau de surface traitée et du perméat associées lors des essais réalisés en France, montre que la nanofiltration élimine plus de 90 % des sulfates, réduit le TAC de plus de 95 % et la dureté totale de 85 %. L’eau ainsi traitée est très adoucie : elle ne contient plus que 20 mg/l de calcium ; étant donné son faible TAC (0,4 °F), elle est agressive et nécessite une remise à l’équilibre.
Une simulation réalisée sur l’eau de Seine en aval de Paris, dont la salinité est représentative des eaux de rivière, indique que le TAC et le TH de l’eau traitée sont respectivement de 0,6 et 4 °F. Par conséquent cette eau est très agressive et ne répond pas aux normes de qualité, qui imposent un TH supérieur à 14 °F ; une reminéralisation et une remise à l’équilibre sont donc nécessaires par le biais de réactifs.
Dans le cas de ces eaux de surface, une mise à l’équilibre par ajout de soude ne suffit généralement pas, car dans ce cas, le pH demeure supérieur à 9, ce qui pose des problèmes de distribution, et une reminéralisation est donc nécessaire. Dans le cas où l’eau de surface est relativement chargée en sel, une reminéralisation à hauteur de 26 mg/l CO₂ et 30 mg/l Ca(OH)₂ suffit pour atteindre un pH inférieur à 8,4 ; par contre, pour l’eau de Seine traitée, une reminéralisation à hauteur de 37 mg/l CO₂ et 34 mg/l Ca(OH)₂ est nécessaire.
Bilan
La nanofiltration est un procédé d’affinage qui assure une très bonne élimination de la matière organique globale, mais qui doit cependant généralement être associée à un autre traitement (adsorption/oxydation) pour assurer une totale élimination des pesticides. Elle associe cette purification à un adoucissement, qui est intéressant lorsque les eaux à traiter sont entartrantes ; dans ce cas, l’élimination de la matière organique et l’adoucissement sont réalisés en une seule étape.
Par contre, pour la plupart des eaux de rivière, la nanofiltration produit une eau agressive qui nécessite une reminéralisation, et impose donc l’utilisation de réactifs chimiques en fin de traitement, ce qui peut avoir notamment pour conséquence la remise en suspension de particules liées aux impuretés de la chaux.
Une alternative à ce traitement d’affinage sur eau de surface réside dans l’association de deux procédés, l’adsorption et la filtration sur membranes. Avec une combinaison de traitements couplant l’adsorption sur charbon actif en poudre et l’ultrafiltration, il est possible d’éliminer une part importante de la matière organique (75 % COD, 80 % de l’UV, 80 % PFTHM) (Anselme, Baudin, 1990, 1991). Ce procédé présente deux avantages par rapport à la nanofiltration : il peut assurer une élimination totale des pesticides (figure 8) et ne retient pas de sels.
Coûts
L'évolution des coûts d’investissement d'unités de nanofiltration (comprenant le génie civil) en fonction de la capacité de l'installation est représentée sur la figure 9 : ceux-ci évoluent de 4 000 F/m³/j, sur des installations de capacité inférieure à 50 m³/h, à 2 000 F/m³/j pour une capacité de plus de 100 000 m³/j.
Dans le cas où la nanofiltration constitue un procédé d’affinage dans une chaîne de traitement d'eau de surface, les coûts d'investissement et d’exploitation d'une telle installation peuvent être comparés à ceux d'une chaîne conventionnelle comprenant préoxydation, clarification, postozonation, filtration sur CAG et à ceux d'une chaîne constituée d'une clarification suivie d'une combinaison UF (LED) — CAP (tableau VI). On constate que les chaînes avec membranes sont plus coûteuses que le traitement classique, mais que cette différence s’amenuise pour des installations de petite capacité (50 m³/h). Néanmoins quel que soit le cas de figure, petite ou grosse capacité, un affinage par nanofiltration est, en comparaison d'un affinage par combinaison CAP/UF, plus cher, son surcoût pouvant atteindre 25 % en termes d'investissement et 50 % en termes de fonctionnement.
Conclusion
Le créneau d’application des membranes (dont celles de nanofiltration), dans une chaîne de traitement d’eau potable peut se définir en fonction de deux critères : la qualité de la ressource et l'objectif de qualité de l'eau traitée.
Ainsi, selon le type de ressource auquel on fait appel :
• l'eau de mer ou les eaux saumâtres, • les eaux souterraines faiblement chargées en matières organiques, • les eaux de surface, telles que les rivières, chargées en matières organiques, mais plus ou moins minéralisées,
tel ou tel type de membrane s’imposera comme le meilleur garant de qualité.
L'ultrafiltration est donc parfaitement adaptée à la clarification des eaux souterraines, en vue d’éliminer principalement les particules (matières en suspension ou micro-organismes). Couplée à du CAP elle permet de traiter aussi bien les eaux souterraines contaminées par un micropolluant que des eaux de surface.
Par contre, la nanofiltration, qui permet de traiter les eaux de surface très minéralisées dont l'adoucissement est recherché, assure en une seule étape l'élimination de la matière organique et de la dureté. De plus, si l'osmose inverse est nécessaire à la potabilisation d’eau de mer ou d'eau très saumâtre, la nanofiltration suffit pour l'adoucissement et la déminéralisation partielle d’eaux saumâtres.
