Fiche Résumé 13-AEP-04

Certains problèmes rencontrés lors de la potabilisation des eaux sont liés à la présence de matière organique (MO) : formation de sous-produits indésirables, reviviscence bactérienne… Aussi, il est indispensable que cette matière organique soit éliminée à un niveau le plus élevé possible. L'étape de clarification (coagulation-floculation-décantation-filtration) effectue l'essentiel du travail d'élimination. Mais c'est une étape délicate à gérer, surtout sur les petites installations moins bien équipées en instrumentation et en personnel qualifié, car des ajustements de pH et de dosage de réactifs sont nécessaires lorsque la qualité de l'eau brute varie, ce qui est le cas des eaux superficielles. La pérennisation des ressources en eau de surface passe donc par une sécurisation de l'étape de clarification.

La nanofiltration (NF), permettant en une seule étape d'obtenir une clarification poussée avec un minimum de pertes en eau, de réactifs et de génération de boues n'a jamais été mise en œuvre jusqu'à maintenant. En effet, les membranes spiralées ne sont pas adaptées en premier étage de filtration (colmatage non gérable) et les membranes fibres creuses sont fabriquées par collage sur des membranes d'ultrafiltration (UF) avec une colle non agréée et en quantité non industrielle. L'apparition de nouvelles membranes NF fibres creuses de chez Pentair (anciennement NORIT) rend maintenant cette approche complètement accessible en potabilisation puisque ces membranes sont issues de la même technologie que les membranes UF en polyéthersulfone déjà agréées et les chaînes de fabrication sont les mêmes. Par ailleurs, l’utilisation de telles membranes permet de ne pas modifier significativement la minéralisation de l’eau filtrée. Les membranes Pentair de première génération (récemment agréées en octobre 2011) sont au nombre de trois et diffèrent entre elles par leur seuil de coupure : HFs pour la Silice, HFc pour le COT et HFe pour les perturbateurs endocriniens. Des essais réalisés avec la membrane HFc ont montrés que les détergents de type organique utilisés comme réactifs de lavage chimique nuisent à son intégrité. Pentair a donc mis au point une membrane de seconde génération plus résistante pour l’élimination du COT : HFW1000.

L'objectif de l'étude est de déterminer la faisabilité du remplacement de la clarification classique d'une eau de surface par une nanofiltration fibres creuses avec juste une préfiltration mécanique de protection à l'amont, de façon à apporter des solutions aux unités de petits débits en milieu rural (< 100 m3/h) qui produisent de l'eau potable à partir d'eau superficielle.

La première partie de l'étude (2011-2012) a été consacrée à la conception, réalisation et mise en route du pilote de nanofiltration. Le pilote est géré au moyen du logiciel ViCA (Visual Control Assistant) développé par Pentair et est alimenté par une eau superficielle à forte pollution organique (eau de retenue). Il est constitué d’un préfiltre de 300 µm, d’une cuve de stockage de l’eau préfiltrée où les MES sont maintenues en suspension par agitation et où il est éventuellement possible d’injecter un coagulant ou un agent de régulation de pH si nécessaire et d’une membrane de nanofiltration. L’alimentation de la nanofiltration est tangentielle. Une partie du flux passe à travers la membrane de nanofiltration, du haut vers le bas et de l’intérieur vers l’extérieur de chaque fibre (perméat) et l’autre partie du flux est en partie purgée et en partie réacheminée vers le circuit d’alimentation. L’intérêt de la recirculation est d’augmenter la vitesse de passage à l’intérieur de la fibre afin de limiter le colmatage et la polarisation. L’intérêt de la purge en continu est de stabiliser la concentration dans la boucle de recirculation et de stabiliser ainsi les performances d’abattement.

Les lavages simples mis en oeuvre sont ceux préconisés par Pentair soit, pour la membrane HFc, la technique alliant l’air et le “forward flush” (FF), étape durant laquelle l’eau brute préfiltrée est injectée à grande vitesse dans le circuit principal afin de décoller le gâteau de filtration. Cette technique présente l’avantage de ne pas réutiliser le perméat contrairement aux lavages classiquement utilisés pour les membranes (acide, soude, rétrolavage). Pour la membrane FFW1000, trois procédures de lavage simple sont appliquées : le forward flush avec et sans air et le forward flush avec air et backwash (rétrolavage). Les lavages chimiques, mis en oeuvre dans le module du haut vers le bas, sont soit des lavages à l’acide chlorhydrique, soit des lavages à la soude soit une combinaison de lavage à la soude puis à l’acide. Ces lavages utilisent l’eau du perméat.

La deuxième partie de l'étude a permis de commencer les essais sur pilote pour tester les membranes HFc et HFW1000 vis-à-vis de l'élimination des MES et de la matière organique, ainsi que pour optimiser les conditions de fonctionnement et pour prendre en compte le traitement des concentrats. Pour que la nanofiltration soit aussi efficace qu’un procédé de clarification conventionnel aux sels ferriques, elle doit éliminer au moins 73 % du COT et ce en rejetant le moins d’eau concentrée possible. Les résultats montrent que la première génération de membrane Pentair (HFc) a une performance équivalente à la clarification aux sels de fer et que la seconde génération de membrane (HFX1000) a une performance supérieure. Dans les deux cas, ces membranes présentent donc une alternative efficace pour l’élimination de la MO d’autant plus que la rétention de sels est limitée. Les membranes de première génération peuvent d’ores et déjà être intégrées à de nouvelles filières de potabilisation puisqu’elles sont agréées ; leur mise en oeuvre sur deux étages de filtration peut être envisagée pour les eaux très chargée en MO. Par contre, les deux générations de membranes sont inefficaces pour l’élimination des pesticides et notamment de l’AMPA, molécule surtout éliminée lors de la clarification au chlorure ferrique. Ces membranes ne pourront donc pas être utilisées seules sur les sites touchés par les micropolluants. Dans ce cas, la membrane HFe, conçue pour éliminer les perturbateurs endocriniens, sera testée dans la suite de l’étude pour définir si sa combinaison avec HFc ou HFW1000 permet de produire une eau conforme à la réglementation. Par ailleurs, le prétraitement devra être optimisé car le seuil de coupure de 300 µm ne réduit pas suffisamment la turbidité pour assurer le fonctionnement en continu du procédé.