Concentrats.
Le concentrat et les solutions de lavage usées
La nature exacte du concentrat dépend :

• des caractéristiques de l'eau brute,
• du prétraitement,
• des membranes,
• du taux de conversion.

Les concentrats sont moins turbides que l'eau brute (en ce qui concerne, du moins, l'eau karstique ou l'eau de surface) parce qu'ils ont été prétraités. Ils concentrent cependant, toutes les espèces dissoutes de l'eau brute ainsi que les produits chimiques nécessaires au prétraitement (acides et/ou agents anti-colmatage). Cette concentration dépend du taux de rétention et de conversion. Le facteur de concentration, par exemple, est de 5 pour un taux de rétention de 100% et un taux de conversion de 80%.
L'American Water Works Association Research Foundation (AWWARF) a commandité une étude complète sur les caractéristiques des concentrats et les méthodes d'élimination (Mickley et al ,1993). L'élimination du concentrat dans les stations de NF et d'OI est un problème majeur aux États-Unis, où l'on considère que les concentrats sont des déchets industriels qui doivent être testés et caractérisés comme tels. Dans un certain nombres d'études d'impact, les bioessais sur les concentrats se sont avérés négatifs, soit à cause de la présence d'H2S, soit à cause du manque d'oxygène ou parce que les micro-organismes n'étaient pas adaptés au milieu.
Les auteurs de l'étude commanditée par l'AWWARF expliquent certains de ces échecs par un "déséquilibre ionique", c'est-à-dire par la différence de composition ionique entre le concentrat et l'environnement dans lequel les organismes du bioessai se sont acclimatés.
Toujours dans l'étude AWWARF, cinq méthodes d'élimination sont identifiées. On y trouve, par ordre décroissant d'utilisation :

Les volumes des solutions de nettoyage usées sont faibles en comparaison des volumes de concentrats. Le volume de solution dépensée pour le nettoyage mensuel d'un système d'OI spiralé ne dépasse pas 0,51 m3 de perméat (cf. Tableau suivant). Si le nettoyage s'effectue en deux temps, on peut mélanger les solutions acide et alcaline pour qu'elles se neutralisent l'une l'autre, avant le rejet.

• élimination de la couleur,
• des précurseurs,
• des micro-organismes pathogènes.

Les progrès les plus importants ont été enregistrés en Norvège où, à la fin 1994, une vingtaine de petites stations, d'une capacité de 200 à 300 m3/]) avaient été construites.
En France et en Hollande, on commence a utiliser à grande échelle les membranes, dans des stations de traitement des eaux de surface.

Hollande :
Les objectifs sont les suivants : réduire le niveau de sodium ou de chlorure, éliminer les pathogènes et les composés organiques synthétiques et réduire la solubilité du plomb, lors de l'adoucissement. (Schippers. 1995; rapport national).
A la Station d'eau potable d'Amsterdam (le Rhin), on évalue l'OI comme étape finale du traitement, après un train conventionnel qui comprend: clarification, filtration sur sable, ozonation, filtration par charbon granulaire actif et filtration lente sur sable.
A la Station d'eau potable de Hollande du Nord (lac Ijssel), on étudie l'utilisation de la MF ou de l'UF comme prétraitement à l'OI. Ces deux procédés par membranes suivraient un prétraitement conventionnel. Finalement, à la Station d'eau potable de la Hollande du Sud (la Meuse), on étudie la nanofiltration suivant un prétraitement conventionnel.

France :
La nanofiltration est utilisée à grande échelle depuis la mi-1992 pour le traitement de l'eau de l'Oise
( Méry-sur-Oise) :

Le principal objectif y est d'éliminer le COD, et surtout le CODB et sa fraction biodégradable, afin d'obtenir une eau dont la demande en chlore est essentiellement nulle (élimination des goûts et odeurs, des sous-produits de désinfection), qui est stable dans le réseau de distribution.
Mais également l'élimination :

• des micro-organismes pathogènes,
• des micropolluants,
• des produits phytosanitaires,
• des sous-produits d'oxydation,
• de la dureté de l'eau.

Les résultats basés sur une année d'opération sont présentés au tableau ci-après
(Sources : Côté et al, 1993).

Nota : avec la création d'une liaison Oise<>Marne, l'usine de Méry-sur-Oise pourra également participer au dispositif d'interconnexions entre usines mis en place par le SEDIF pour garantir la sécurité de l'alimentation en eau potable sur l'ensemble de son territoire.

>>> site sur cette unité de traitement : Mery

Autre exemple d'usine incluant la nanofiltration :

Schéma hydraulique de la station de JARNY (1995)
 

Nota - Filtration membranaire OTV (Véolia) : - différentes options : MF, UF, NF et OI, Opaline™, combinant les technologies membranaires et l'adsorption sur charbon actif pour éliminer pesticides, carbone organique total (COT), perturbateurs endocriniens, microorganismes, turbidité, goût et odeurs.



Traitement spécifique
Sulfates.
Trois rapports nationaux décrivent des applications concernant l'élimination de concentrations élevées de sulfate (jusqu'à 1000 mg/l), dans les eaux souterraines pour la production d'eau potable. Van Craenenbroeck et Meeus (1995) ont fait des études pilotes sur l'OI et l'ED en Belgique. Il fallait adoucir l'eau d'alimentation pour prévenir l'entartrage, car les sulfates étaient associés aux ions de calcium. L'OI et l'ED enlevaient parfaitement les sulfates, mais elles éliminaient aussi trop d'ions monovalents. Les auteurs en ont conclu que la nanofiltration pouvait s'avérer plus performante. Des applications semblables en France où plusieurs stations de NF existent (ex : Jarny, Meurthe-et-Moselle).

Ammoniaque. Une petite usine d'OI a été construite en Suède pour éliminer l'ammoniaque des eaux souterraines (Ericsson, 1995, rapport national).

Arsenic. L'Agence américaine de la protection de l'environnement (EPA) a fixée un niveau maximum de contamination en arsenic, on devrait passer de 50 ug/l à un chiffre beaucoup plus bas, d'où l'intérêt suscité par les procédés à membranes. Kartinen et Martin ont présenté, en 1994, une étude comparée des procédés par précipitation, adsorption et membranes.
La NF, tout comme l'OI, permettent tout aussi bien d'éliminer l'arsenic sous ses formes bivalente que pentavalente. L'ED est plus efficace pour enlever l'arsenic pentavalent, à condition de pouvoir effectuer une pré-oxydation. Les membranes permettent de mieux éliminer l'arsenic, tout en utilisant moins de produits chimiques. L'inconvénient majeur, par contre, est que l'on produit un déchet dans lequel l'arsenic est encore en solution et que l'on élimine en même temps les sels nécessaires.
Fluor. Pontie et al (1994) ont évalué, dans une étude pilote, la NF et l'OI pour enlever le fluor des eaux souterraines. Ils rapportent qu'au Sénégal, le niveau de fluor des eaux souterraines peut atteindre 7 mg/l, alors que le niveau maximal en eau potable, à 25°C, est de 0,7 mg/l. Ils démontrent qu'en complexant le fluor avec de l'aluminium, on l'élimine plus efficacement.
Nitrates. L'OI et l'ED sont utilisées à grande échelle pour enlever les nitrates. Une des premières analyses sur l'utilisation des procédés à membranes pour l'élimination des nitrates, (Rautenbach et al, 1986), démontre la simplicité de l'OI et sa capacité à enlever simultanément les particules et les composés organiques. Cependant, l'ED permet d'augmenter les taux de conversion et de minimiser les pré et post-traitements.
Filteau et Rielly (1993) décrivent une station d'OI de 2000m3/] aux États-Unis, où le taux de rétention des nitrates est de 90% et où l'on reminéralise le perméat par mitigeage. Brunswick et al (1993) ont testé quatre membranes différentes dont le taux de rétention s'échelonnait entre 80 et 97%. Les membranes d'OI n'offrent pas toutes des performances égales.

Prato et Parent (1993) ont passé en revue les installations existantes où l'on utilise le "reversai ED" pour enlever les nitrates. Ils décrivent quatre stations où l'élimination des nitrates varie de 67 à 93%. Il est aisé, en ED, de concevoir un système pour obtenir un pourcentage d'élimination spécifique. Dans tous les cas, l'élimination de tous les solides dissous (TDS) est du même ordre que l'élimination des nitrates. Chebi et Hamano (1994) ont présenté les résultats à échelle pilote d'une nouvelle membrane d'ED dont la sélectivité à l'égard des nitrates est excellente. Le tableau suivant montre qu'il est possible d'éliminer 80% des nitrates avec un taux de conversion de 95%. Le résultat est significatif sur deux plans. Tout d'abord, cette membrane permet d'éliminer les nitrates d'une eau à faible teneur en matières solides, sans avoir à la reminéraliser (pour la production d'eau potable); ensuite, l'élimination du calcium et du sulfate est faible, ce qui minimise les risques d'entartrage, à taux de conversion élevé.

Tendances.
Les procédés à membranes se sont développés durant les 40 dernières années pour le dessalement de l'eau. A la fin 1993, il y avait, à travers le monde, plus de 7200 stations à membranes (capacité > 100 m3/jour), avec une capacité de traitement combinée de 7,2 Mm3/jour. Leur principal objectif est de produire de l'eau potable, ce qui concerne environ 18 millions de personnes.
Les membranes d'osmose inverse, de nanofiltration et d'électrodialyse, de configurations et compositions chimiques différentes, sont vendues par plusieurs fabricants. Lors d'une étude concernant 38 fabricants, il a été recensé plus de 200 membranes sur le marché. La plupart des membranes sont vendues sous forme de modules plans et spirales. Cependant, plusieurs produits à fibres creuses et tabulaires sont aussi disponibles.
Le domaine des membranes d'osmose inverse a atteint un stade de maturité, en ce qui concerne de nouveaux développements majeurs. La perméabilité, le taux de rejection des sels, la résistance au chlore et au colmatage peuvent être sujets à amélioration.
La composition chimique des membranes (acétocellulose, polyamide aromatique) est du domaine publique et peut être utilisée par tous les fabricants. La concurrence devrait augmenter dans ce domaine, et tous les usagers devraient en profiter. On attend cependant plus d'innovation dans le domaine des membranes de nanofiltration.
En électrodialyse, l'intérêt est de pouvoir éliminer une espèce mineure spécifique, le nitrate par exemple, sans avoir à faire traverser la membrane par tout le débit. Cependant, parce qu'elle se limite à l'élimination d'espèces ioniques à des concentrations relativement basses, l'ED s'est développée moins rapidement que l'OI.

De plus en plus, on utilise l'osmose inverse et la nanofiltration pour leurs capacités d'élimination plus larges, dans les applications où le dessalement est secondaire. Enlever les microbes, les matières organiques dissoutes, les pesticides et la dureté en une seule opération, et sans produits chimiques, est le rêve de bien des professionnels du traitement de l'eau.
Le potentiel de croissance le plus important est dans le traitement des eaux de mauvaise qualité, les eaux de surface dans des zones très peuplées, par exemple. Les projets les plus importants se trouvent en France et en Hollande. La nanofiltration semble particulièrement intéressante parce qu'elle permet d'éliminer en quasi-totalité les composés organiques synthétiques et naturels de l'eau douce, sans la déminéraliser complètement.
A noter > le procédé TERION™ S (Veolia Water Technologies) qui combine l'osmose inverse et l’électrodéionisation en continu pour produire de l'eau déminéralisée de haute qualité qui répond aux normes mondiales de laboratoire et industrielles les plus exigeantes. / lien

>>> Brochure (Veolia Water Technologies) sur la technique membranaire en déssalement (2078 ko).