Production d'eau ultrapure : concilier qualité et exigences environnementales

Pharmacie, cosmétique, microélectronique, agroalimentaire, centrale électrique... L'eau ultrapure est l'élément clé des procédés de fabrication de nombreux secteurs d’activités.

Tout commence par l’étape de prétraitement (potabilisation) de l'eau.

Lorsque la ressource n’est pas de bonne qualité, l'eau subit un conditionnement chimique, suivi d'une clarification par coagulation, floculation et décantation avec filtration du surnageant sur des filtres multimédia de finesse croissante, ainsi que sur charbon actif pour retenir les particules en suspension.

sion et dissoutes. Ensuite vient l’étape du traitement à proprement parler. Déminéralisation par résines échangeuses d’ions, osmose, osmose inverse (OI), électrodéionisation (EDI), ultrafiltration (UF), nanofiltration... Ces technologies sont matures depuis des années. Elles sont parfaitement maîtrisées par de nombreux acteurs tels que Veolia Water STI, Ondeo IS, Pall, Aquasource, Polymem, Ovive, L’Eau Pure, HydroBios, Opalium, Permo BWT ou Tecnofil Industries. Puis arrive l’étape du stockage de l’eau purifiée en vue de sa distribution, où le risque microbiologique doit être prévenu, afin d’éviter toute contamination au sein des process.

À chacune de ces étapes, face à la pénurie de la ressource et au durcissement de la réglementation, les industriels ajustent aujourd’hui leur stratégie de production en optant de plus en plus pour des solutions écologiques, selon une démarche de qualité globale.

L’essor des membranes d'ultrafiltration

Le développement des techniques membranaires a permis de satisfaire à des critères technico-économiques compétitifs et de permettre d’étendre leurs applications à

pression et chaudières biomasse, alimentation des circuits de refroidissement de type TAR, injection dans les turbines, alimentation process etc.). L’ensemble de ces applications nécessitent une capacité d’adaptation des process membranaires disponible sur le marché et une étude spécifique d’ingénierie globale doit être associée à chaque cas de figure afin d’appréhender au mieux les critères de qualité requise en termes de minéralisation et de microbiologie. Qualleo Environnement dispose d’un service ingénierie dédié et d’un partenariat avec un laboratoire de recherche en technique membranaire lui permettant de tester les nouvelles membranes et technologies du marché pour mieux les adapter aux cas de figures rencontrés avec un maximum d’objectivité vis-à-vis de leur sensibilité et/ou des secteurs dédiés jusqu’alors à des techniques classiques de déminéralisation sur résines séparées.

C’est ainsi que le groupe Qualleo (ex Eauviva, Eeauly, Aqua-Environnement) a pu se positionner avec les techniques membranaires d’osmose inverse sur des applications dans le tertiaire (lavage de véhicules, lavage de vaisselle, brumisation, alimentation d’humidificateurs d’air, alimentation de rotative d’imprimerie etc.), tout en restant présent dans les secteurs plus classiques du médical (service hémodialyse, service de stérilisation, EBM, auge de lavage des mains en chirurgie, alimentation des laboratoires d’analyse médicale etc.), des laboratoires pharmaceutiques (qualité PPI, eau hautement purifiée et eau purifiée) et de l’industrie (alimentation des chaudières vapeurs moyenne et haute pression, co-génération haute performance et dans une recherche permanente de compétitivité).

Dans les secteurs d’activités où de grands volumes d’eau sont nécessaires, en particulier la micro-électronique, les semi-conducteurs et l’énergie électrique (eaux de chaudières), les progrès sont venus des membranes d’ultrafiltration (UF), qui désormais peuvent être utilisées en prétraitement pour purifier des eaux de surface. D’où la possibilité pour les industriels de limiter l’impact de leur consommation sur les ressources locales.

Polymem par exemple, fabricant de membrane d’UF, a équipé dernièrement Micron, l’un des leaders mondiaux de production de semi-conducteurs sur son site de fabri-

cation à Boise, dans l’Idaho. « L’entreprise a développé un projet de rechargement de la nappe souterraine, ce qui lui permet de réduire l’impact de sa consommation sur les ressources communales », explique Isabelle Duchemin, responsable commerciale chez Polymem. « Le traitement par notre unité d’UF permet d’éliminer les micro-organismes de taille supérieure à 0,01 µm, c’est-à-dire les matières en suspension, les bactéries et les virus ». Alors que Polymem vient d’innover en sortant le module d’UF Gigamem, le plus gros et le plus compact disponible sur le marché, de son côté Pall offre une large gamme de membranes d’UF, adaptée aux exigences des usines de traitement de l’eau. Mieux encore, Pall vient dernièrement de réaliser à Paris une installation clé en main de traitement de l’eau de Seine par UF pour l’alimentation de chaudières.

L’ultrafiltration a le vent en poupe, y compris dans l’industrie pharmaceutique. Au niveau du prétraitement, des modules d’UF peuvent être utilisés pour maintenir un excellent niveau microbiologique (bactéries, virus) et éliminer les substances solides en suspension. Ainsi, Veolia Water STI propose des modules d’UF (Uflex) permettant sur les lignes de production à la fois d’optimiser le fonctionnement du système de purification (thermique ou chimique) et de limiter la consommation de membranes et de filtres. « En pré-traitement de l’OI, l’introduction de membranes d’UF a plusieurs avantages », explique Cécila Bédé, chez Aquasource. « Elle augmente la qualité de l’eau en éliminant notamment les matières en suspension, diminue le nettoyage des membranes d’osmose, améliore leur durée de vie, les performances et le flux ». Avec des références chez de grands industriels de la cosmétique, de la pharmacie et de la métallurgie en France, mais aussi en Asie en microélectronique et énergie (AU, Samsung, …), Aquasource, entreprise toulousaine de la division Technologies du groupe Dégrémont, pionnier de l’UF

pour le traitement des eaux potables, eaux industrielles ou le recyclage conçoit et fabrique des fibres et des modules ainsi que ses propres systèmes compacts d'UF, produisant plus de 100000 m³/jour. Les systèmes d'UF packagés Aquasource se révèlent, les plus pertinents, d'un point de vue technique et économique, que les unités d'UF traditionnelles. HydroBios propose de son côté ses cartouches de filtration NanoARG qui offrent un avantage significatif pour ce qui est de l'élimination de particules submicronique en comparaison des cartouches de filtration, généralement utilisées comme pré-filtres de membranes d'osmose inverse. Virtuellement, les fabricants de membranes d'osmose inverse préconisent une qualité sédimentaire minimum d'eau d'alimentation de leurs systèmes afin d’en préserver l’intégrité et d’assurer un bon retour sur investissement. Même si l'eau d’alimentation est considérée hors normes par les fabricants, NanoARG permet d’obtenir des valeurs NTU (turbidité) inférieures aux limites détectables et des valeurs SDI (Silt Density Index) extrêmement faibles (< 1.0) fournissant ainsi une protection longue durée de la centrale d’osmose inverse et augmente significativement le temps écoulé entre deux interventions de nettoyage des membranes. Les cartouches de filtration NanoARG sont actuellement utilisées par Toyota Motors aux États-Unis comme préfiltre final sur un système d’osmose inverse alimenté par une eau de forage particulièrement difficile. Les changements de membranes y étaient effectués 6 à 7 fois par an ! Après l'installation de cartouches NanoARG dans un carter multi-cartouches Hyflo, non seulement les membranes étaient intactes après 9 mois d’exercice mais la perte de charge était insignifiante.

Ces innovations peuvent être combinées à d'autres solutions technologiques innovantes sur les lignes de traitement d’eau purifiée. De fait dans le secteur de la pharmacie, de la cosmétique et des biotechnologies, le paysage de la production d'eau purifiée est en pleine mutation.

Solutions éco efficaces en “pharma”

Cette évolution s’inscrit, en réalité, dans un contexte de profond changement culturel. En effet, « les nouvelles générations de produits récemment développées, notamment en oncologie et en cardiologie, sont de plus en plus des thérapeutiques à forte valeur ajoutée, élaborés selon des procédés de biotechnologie, et non plus de chimie comme auparavant », indique Samah Ringa, responsable marché pharmacie et biotechnologie chez Permo BWT. Ce qui a favorisé l’émergence de méthodes de production différentes, basées sur l'emploi de microorganismes. Mises au point initialement par une poignée de petites sociétés "biotech", soucieuses d'avancées scientifiques plus que de rentabilité, ces nouvelles chaînes de production ont finalement été adoptées prudemment ces 10 dernières années par les principaux groupes pharmaceutiques français et mondiaux, pour la fabrication de certaines de leurs molécules. Or ce basculement vers les "biotech" n’a pas été sans conséquence, bousculant les mentalités des pharmaciens dans le sens d’une plus grande sensibilité au développement durable. Effet "boule de neige", les attentes ont également progressé du côté des sous-traitants et façonniers de l'industrie de la santé et de la beauté. « Jusqu'alors, nous répons-

dions en priorité aux besoins réglementaires, qualitatifs et quantitatifs, spécifiques à chaque projet d'installation », souligne Samah Ringa. « Aujourd’hui, nous trouvons une oreille attentive aux problèmes environnementaux. Si bien que nous pouvons aller au-delà et proposer des solutions écologiques dans un souci d’économie d’énergie, d’épargne de la ressource, de réduction des rejets, et de limitation de l’utilisation des produits chimiques ».

Les solutions ne manquent pas. Les offreurs de technologies et d'installations que sont Veolia Water STI, Permo BWT, Pall, Siemens Water Technologies, Ozonia (Degrémont) et Degrémont Technologies… ont à leur catalogue une large gamme de solutions optimisées au sens environnemental du terme et répondant à chaque application. Et pour cause, il n’existe pas un seul procédé de traitement, mais plusieurs. Chaque projet de ligne de production d’eau pure et ultrapure se conçoit au cas par cas. Le défi consiste à trouver la meilleure solution en tenant compte des spécificités du site : nature de la ressource, critères de pureté souhaitée, définie par l’usage final (eau pour produit injectable ou non), type d’exploitation, degré d’automatisation, qualification du personnel, etc. Or, pour répondre aux nouvelles préoccu-

De son côté, Ondeo Industrial Solutions (Ondeo IS) met à la disposition des industriels « Omobile® », une solution simple et fiable garantissant la qualité et la quantité d'eau demandées, sans aucun investissement, partout dans le monde et pour tout type d'industrie. « Omobile® » comprend des unités de prétraitement, d’osmose inverse, de résines échangeuses d'ions, d’électrodéionisation pour produire de l'eau ultrapure à partir de toute ressource d'eau brute. Composée d'unités de traitement de l'eau industrielle sur remorque ou en conteneur, la flotte « Omobile® » couvre un large éventail de besoins, allant de l'urgence à la location sur le long terme en passant par l’intervention temporaire et programmée. « Omobile® » répond aux exigences de continuité de production, à l'amélioration de process et aux besoins d'économies sans investissement. Chaque unité mobile de traitement d'eau peut être utilisée seule ou combinée pour répondre aux attentes des industriels.

Le recyclage, la solution pour diminuer la consommation d’eau

Parallèlement au développement de technologies plus propres et permettant d’augmenter les rendements des installations de production d'eau ultrapure, un très gros effort est réalisé pour recycler cette eau ultrapure après son utilisation.

Le but est double : désengorger les stations de traitement d'eaux usées et réduire la consommation d'eau brute d'un site industriel.

Lors de son utilisation dans une étape de fabrication d'un produit pharmaceutique, cosmétique ou de type semi-conducteur, l'eau ultrapure se retrouve souvent souillée d’impuretés plus ou moins complexes à éliminer et pouvant mettre un frein à ce recyclage. Ceci est particulièrement vrai dans l'industrie de la micro-électronique où la fabrication de micro-processeurs nécessite une multitude d’étapes différentes mêlant à l’EUP diverses solutions organiques (IPA), oxydantes (H₂O₂) et acides minéraux (HF, H₂SO₄).

Le retraitement de ces eaux contaminées fait souvent appel aux mêmes technologies déjà employées dans les stations primaires de production d’EUP (échange d’ions, osmose inverse, microfiltration, UV, etc.) auxquelles se rajoutent des procédés plus spécifiques aux impuretés non présentes dans une eau brute classique (IPA, H₂O₂, fluorures, cuivre, particules de silicium...).

Tous ces traitements étant assez spécifiques à une impureté donnée, il convient pour les optimiser de trier et séparer ces eaux usées au point d'utilisation au moyen de vannes automatiques multiples reliées à divers drains permettant d’acheminer chaque type d'eau de rinçage vers son étape de traitement dédiée. C’est ce que l'on appelle la ségrégation.

Elle joue un rôle primordial dans l'optimisation du recyclage de ces eaux usées et nécessite une coordination très poussée entre les utilisateurs (fabricants de micro-processeurs), les fabricants de « tools » et les traiteurs d’eau.

Ovivo Switzerland AG a réalisé de nombreux audits auprès de ses clients pour comprendre les différentes étapes de fabrication de ces micro-processeurs et définir le réseau de drains et de vannes associées nécessaires à l'optimisation de cette ségrégation.

Si une eau usée atteint une pureté similaire ou supérieure à celle de l'eau brute, elle peut être recyclée en tête de la station primaire de production d’EUP. C’est le cas notamment de certaines étapes de back-grinding et/ou CMP où les eaux usées contiennent exclusivement des particules solides de silicium, qui peuvent être éliminées par une simple étape de microfiltration sur membrane en polyethersulfone ou PVDF. Dans le cas contraire, l'eau usée post-traitée peut être utilisée pour des scrubbers ou autres humidificateurs. En dernier lieu, elle peut être destinée à l’irrigation. Dans tous les cas, le recyclage permet de diminuer de manière drastique la consommation en eau brute (très souvent de l'eau potable) d’un site industriel et de ménager ainsi les ressources naturelles d’eau potable.

Autre nouveauté : la limitation des rejets, par ajout d'un osmoseur. « Depuis 4 ans, nous utilisons ce système permettant de retraiter les rejets d'un premier osmoseur par un nouvel osmoseur en aval. Ce qui permet de réduire d’un facteur 2 les rejets sur une installation d'eau purifiée », indique Frédérique Le Bouquin. Les rejets d’un osmoseur se situant autour de 25 %, on peut atteindre 12 % selon la qualité de l'eau de consommation. Certes les modules de membranes de nanofiltration représentent une part des solutions, mais les évolutions écologiques des clients n'ont pas été accompagnées d’avancées technologiques majeures ; en revanche la tendance est très forte : la montée en puissance des procédés physiques par rapport aux procédés chimiques, qui eux, ont perdu du terrain.

Moins de chimie

En matière de dégazage du dioxyde de carbone par exemple, alors que, jusqu'à présent, on utilisait de la soude pour éliminer le CO₂ sur les lignes de traitement de production d'eau purifiée, l'usage de membranes capables d’éliminer le CO₂ dissous se généralise. « En pharmacie, l’introduction de ces membranes que nous avons initiée en 2002 est aujourd'hui passée dans les mœurs. Quasiment toutes les installations en sont équipées maintenant », précise Frédérique Le Bouquin, responsable Pharma Région Nord chez Veolia Water STI.

Le fabricant Celgard monopolise le marché avec sa gamme Liqui-Cel de membranes qui peuvent être utilisées non seulement pour l'élimination du CO₂ (1 ppm), mais aussi de l’O₂ (1 ppb) ou d'autres gaz (H₂S, H₂...) dans différents secteurs d'activités : la pharmacie, la micro-électronique, les semi-conducteurs, l’énergie ou l'industrie agro-alimentaire.

Certains gouvernements, en Asie notamment, ont imposé des mesures très restrictives dans ce sens. À Taïwan, les industriels ont pour obligation de recycler au moins 60 % de l'eau ultrapure consommée dans leurs « Fabs ». Ainsi, là où 1 m³/h d’EUP entraînait la consommation d'environ 1,4 à 1,5 m³ d'eau brute il y a une quinzaine d’années, elle ne nécessite plus qu’environ 0,5 à 0,6 m³ de nos jours.

À Singapour, les eaux usées de type municipal sont, après traitement biologique classique, post-traitées par ultrafiltration, ultraviolet et osmose inverse (double étage), puis alimentent les sites industriels au moyen d'un réseau de distribution dissocié de celui de l'eau potable, à un prix très attractif rendant l’utilisation d'eau potable très favorable d'un point de vue économique.

L’optimisation du recyclage de ces eaux usées est un énorme enjeu pour la gestion saine et raisonnée de nos ressources d'eau potable, et nul doute que la CE et la France emboîteront le pas de Taïwan et Singapour dans un avenir très proche.

Dominique GensbittelResponsable du département Procédés Ovivo Switzerland AG

alternative. « Mais souvent nos clients disposent déjà d'un parc de modules d’osmoseur. Ils préfèrent agrandir leur parc plutôt que de se fournir en modules de membranes de nanofiltration ».

Autre progrès, autre solution. Pour répondre à la problématique du risque microbiologique (bactéries, virus, biofilms), importante menace en pharmacie, en agroalimentaire et en microélectronique (salissures), des dispositifs thermiques sont désormais proposés sur la partie production. « Jusqu’alors les processus thermiques étaient utilisés sur les boucles de distribution. Sur les parties production d’eau purifiée, l'on avait recours à un système de désinfection chimique par acide peracétique », rappelle Frédérique le Bouquin. « De fait les matériels ne supportaient pas les conditions de désinfection thermique imposées (plateau thermique à 85 °C pendant une heure toutes les semaines ou tous les mois) ».

Certains intervenants de l’eau ont voulu aller plus loin comme Veolia Water STI qui a développé le système Orion™. Conçu en partenariat avec les industriels, ce dispositif exploité en France depuis plus de 5 ans, offre les avantages de la désinfection thermique recommandée par les autorités sanitaires sur les ensembles osmose inverse (OI) et EDI tout en permettant de s’affranchir de la chimie. Dans notre pays, plusieurs dizaines d’équipements ont déjà été installés sur certains sites pharmaceutiques. Dans le monde, en Chine et au Canada, Orion™, qui propose jusqu’à 80 options de traitements standardisés, connaît aussi un franc succès pour sa flexibilité.

De l’ozone et des UV sur les circuits de distribution

En industrie pharmaceutique, sur les boucles de distribution arrive ainsi de l'eau de très bonne qualité (conductivité inférieure généralement à 1 µS/cm), où aucun germe ne doit être présent afin d’éviter toute contamination du réseau. On peut utiliser des procédés discontinus comme la stérilisation à la vapeur ou la désinfection par acide peracétique. Mais ces procédés ont leurs limites. De fait, pour que le réseau ne soit pas pollué par certains germes, il est indispensable de renouveler régulièrement les traitements par choc thermique ou chimique. D’où la nécessité d’arrêter la fabrication pendant la stérilisation. Les traitements continus constituent l'alternative.

Plusieurs solutions sont possibles, notamment les UV. Bio-UV a par exemple présenté à Pollutec la gamme Pharma qui répond spécifiquement aux besoins des industries en eaux ultrapures telles que pharmacie, cosmétique, eau embouteillée, médical, ...

Des applications comme le traitement en désinfection des boucles d'eau purifiée, la destruction d’ozone résiduel, la réduction des traces de C.O.T. dans les eaux ultrapures sont ainsi couvertes. Ce procédé par UV-C, simple à mettre en œuvre, ne modifie pas les caractéristiques physico-chimiques de l’eau, ne crée pas de sous-produits néfastes pour la santé humaine. Il n'y a pas de risque de sous-dosage ou de surdosage. Il n'y a pas de contraintes de suivi et de manutention de produits chimiques et des combinaisons sont possibles avec d'autres procédés de traitement (filtration, adoucissement, ...). Cette gamme permet de traiter des débits allant de 5 à 65 m³/h avec une dose de 40 mJ/cm².

Bordas UVGermi, RER, Abiotec, Siemens Wallace et Tiernan ou ITT France proposent également des filières comprenant le plus souvent une filtration par osmose inverse puis une ozonation puis une exposition UV supprimant l'ozone en excès.

Des membranes de filtration sont également envisageables, mais cette technologie ne permet pas de prévenir le développement de bactéries. Privilégié depuis des années dans l'industrie de la pharmacie et de la cosmétique (en microélectronique également), l’ozone peut être utilisé en traitement de choc mais aussi en désinfection continue. « L'avantage de ce bactéricide et virucide puissant est qu’il peut détruire également les biofilms », explique Bernard Bechoff, chez Dégremont Ozonia.

Le procédé électrolytique MEMBREL® est une technologie unique permettant de produire de l’ozone, non plus à l'aide d’un gaz tel que l’air ou l’oxygène, mais directement à partir de l'eau.

Mélange Eau/Oxygène/Ozone quitte alors la cellule pour être réintroduit dans la boucle d'eau pure ou ultrapure.

L’installation d'une unité MEMBREL MkIII® est un moyen efficace de purifier une boucle d’eau ultrapure. L'ozone étant directement produit à partir de l'eau à purifier, il n’existe aucun risque de contamination. L'emploi de produits chimiques ou d'étapes additionnelles de traitement n’est donc plus nécessaire. Par un dosage d’ozone de 0,1 à 0,2 mg/l, le développement bactérien et les biofilms sont éliminés.

Les ultraviolets étant actifs sur les bactéries à 254 nm, on utilise des réacteurs UV, spécialement conçus pour cette application. « Si la présence d'ozone est proscrite au niveau du procédé de fabrication, une unité de destruction d'ozone par irradiation UV est installée avant l'entrée de l'eau dans le process. Nos Membrel® sont associés avec une gamme complète d’unités de destruction d'ozone résiduel dissous dans l’eau par ultraviolet (gamme Aquaray® LPTS). Avec 140 mJ/cm², dose assez couramment employée par les pharmaciens, on élimine 97 % de l'ozone résiduel », indique Bernard Bechoff.

L'investissement initial pour la mise en place d’un système de désinfection par ozone peut être plus coûteux que celui d’un système thermique, mais à l’exploitation il est plus avantageux, ne nécessitant pas de maintenance particulière (nouvelles électrodes à mettre en place tous les 12 à 24 mois, versus changement de joints fréquent en cas de choc thermique). L’ozonation n’entraîne de surcroît qu'une faible consommation électrique.

Des atouts appréciés en pharmacie où « près de 70 % des circuits de distribution sont désormais équipés d'un système à l’ozone », souligne Bernard Bechoff. « Le marché est mature ».

De nouvelles perspectives se profileraient-elles ? « Dans l’agroalimentaire, certainement », indique Bernard Bechoff, « pour désinfecter l'eau de lavage des fruits et légumes, et éviter ainsi l’usage du chlore, coûteux et générateur d'odeurs indésirables ». Lavage de salades, de fruits, élimination des pesticides, l’ozone a sa place...