les procédés membranaires

Nous avons déjà évoqué la place qu’occupent les membranes d'ultrafiltration dans le traitement des eaux karstiques (voir la section la clarification).

Cependant, pour faire face à des exigences de qualité croissantes, le traiteur d'eau s'est naturellement tourné vers l'emploi de ces membranes dans des filières plus complexes.

nanofiltration

Comme déjà indiqué (voir la section séparation par membranes), les membranes d’osmose inverse dont leur variante la nanofiltration sont les seules capables d'éliminer tous les polluants potentiellement présents dans une eau de surface : elles peuvent donc être considérées comme "l'arme absolue" du traiteur d'eau en termes de production d'eau potable, mais, en fait, elles souffrent encore à l'heure actuelle d'un certain nombre de limitations :

Historiquement, on trouve ces traitements sur des eaux peu minéralisées mais très riches en couleur exemple : Eupen (photo 11) et La gileppe 110 000 m3/f en Belgique.

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Photo 11. Barrage de Eupen en Belgique

le procédé cristal

Dans ce procédé (figure 12), on combine deux techniques évoquées précédemment, à savoir :

  • la fixation de la pollution dissoute sur un adsorbant insoluble (CAP, résines),
  • la filtration sur membrane d'ultrafiltration.

La boucle de l’ultrafiltration peut servir de réacteur d’adsorption et la membrane permet la rétention des matières en suspension présentes dans l'eau brute, de l'adsorbant ayant fixé les polluants dissous, et de tous les germes indésirables : kystes, bactéries, virus, ce qui autorise la distribution de l'eau ainsi traitée avec un minimum de désinfectant résiduel.

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Figure 12. Cristal : schéma de fonctionnement

Parmi, les installations de ce type on peut retenir les exemples de :

  • Koper (Slovénie) : 34 500 m3/j
  • L'Apié (Cannes) : 28 000 m3/j
  • Lausanne : Cette station qui traite l'eau du lac Léman a été construite en 1996 pour traiter 43 200 m3/jour, puis, au vu des résultats obtenus, une deuxième phase a été mise en place en 2002 permettant une production globale de 70 000 m3/j (le fonctionnement avec du CAP n’est prévu et utilisé qu’en cas de pollution accidentelle).
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Photo 12. Installation de Lausanne (Suisse) – Débit : 70 000 m3 · j–1

le procédé cristal étendu

Lorsque l'on envisage le traitement d'une eau de surface assez fortement polluée, nous avons vu que les traitements d'adsorption, notamment, étaient l'objet de phénomènes de compétition (voir la section l'affinage: élimination des matières organiques) qui nécessitaient la mise en place de réacteurs spécifiques.

Il en est de même lors de l'utilisation de Cristal ; le CAP qui est introduit à l'amont de l'ultrafiltration doit être réservé à la fixation des dernières traces de micropolluants, tandis que l’essentiel des MES ou de la MO en solution est éliminé au préalable. On voit ainsi se dessiner un certain nombre de filières qui vont de la simple mise en place d'un décanteur à l'amont des membranes lorsque l'eau brute peut présenter des pointes de matières en suspension (exemple : Rivière Capot, Martinique, figure 13), jusqu'à des stations plus complexes telles que Lorient, Avranches, Vigneux ou Angers, où la multiplicité des sources d'eau brute et la variabilité de leur pollution dissoute conduisent à proposer des traitements conventionnels de clarification suivis d'une dernière étape d'ultrafiltration. On parle alors du procédé "Cristal étendu"(figure 14) qui englobe généralement :

  • un décanteur à lit de boue
  • un filtre à sable
  • un réacteur de contact du CAP
  • l'étape de filtration UF
  • le retour de l’eau de rétro-lavage de l’UF vers le décanteur.

Les caractéristiques de chaque étape ainsi que les réactifs mis en œuvre et les conditions de fonctionnement (pH, temps de contact) sont définis à partir de l'objectif de traitement qui leur est assigné, à savoir :

  • élimination des MES de l'eau brute ↔ décanteur
  • élimination des acides humiques ↔ coagulation à pH acide et contact de boue
  • élimination de la pollution dissoute résiduelle ↔ adsorbant spécifique
  • séparation de l'adsorbant, clarification finale et désinfection ↔ membrane UF.
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Figure 13. Installation de Rivière Capot (Martinique) – Débit : 42 000 m3 · j–1
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Figure 14. Cristal étendu : schéma de fonctionnement

Un autre avantage du procédé Cristal étendu réside dans le fait que les eaux de rétrolavage des membranes, qui contiennent le CAP, sont recyclées en tête du décanteur principal. En effet, le charbon actif, incomplètement chargé lors de sa mise en contact avec une eau déjà épurée à l'amont de l'ultrafiltration, va pouvoir exprimer totalement sa capacité en étant mis en contact avec la matière organique dissoute dans un réacteur à forte concentration (appareil à lit de boues) et avec un temps de contact approprié. Dans ce décanteur le charbon est piégé et se concentre dans les boues, ce qui limite considérablement les pertes en eau du système : on passe des 8 à 10 % généralement nécessaires pour le rétrolavage des membranes, à moins de 2 % (extractions du décanteur).

Dans ce cas un appareil de type Pulsator ou Pulsatube assure un temps suffisant sans pour autant entraîner un temps de résidence de l'adsorbant qui lui soit nuisible : on sait en effet que le charbon actif, au voisinage de la saturation, peut relarguer des micropolluants préalablement fixés lors d’une pointe de MO adsorbables (effet chromatographique).

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Figure 15. Installation d’Avranches (France) – Débit : 10 000 m3 · j–1

Compte tenu du fait que de nombreuses stations de production d'eau potable comportent déjà une étape de clarification (ex. : Lorient, Vigneux), le procédé Cristal étendu s'applique bien lorsqu'il s'agit de compléter une filière existante.

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Figure 16. Installation d’Angers (France)
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Photo 13. Installation d’Angers
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Photo 14. Installation de Vigneux sur Seine – Débit : 55 000 m3 · j–1 – Affinage par ozonation (2 tubes en U) et procédé Cristal étendu

autres cas d’application des membranes en EP :

Il existe d’autres possibilités d’intégration des membranes dans des filières conventionnelles (ex. : procédé Cristal après flottation à air dissous) ou de combinaison de procédés membranaires (ex. : MF ou UF suivie de NF ou OI ). Au total, les membranes ont constitué un tournant technologique dans le traitement des eaux continentales, arrivant à point nommé pour répondre aux nouvelles contraintessanitaires et à des normes de qualité plus strictes.