Concentrats.
Le concentrat et les solutions
de lavage usées
La nature exacte du concentrat dépend :
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 :
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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.
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Applications (Traitement global et
Traitement spécifique).
< Raccourcis pour le chapitre Traitement
spécifique >
Traitement global.
Le développement de la nanofiltration (en Floride) est
la première application des membranes à objectifs
multiples. On l'a appelée "adoucissement par membranes" car
l'objectif principal était de réduire la dureté
de l'eau. Mais l'élimination de la couleur et des
précurseurs de sous-produits de désinfection
étaient aussi des objectifs importants. La dureté des
eaux souterraines de Floride, souvent de plus de 30°F (300 mg/l
CaCO3), peut être réduite de 80 à 95% grâce
à la nanofiltration. L'élimination de la couleur est
quasi-totale et l'abattement des précurseurs de plus de 95%
(sources Taylor et al, 1992).
L'ultrafîltration, la nanofiltration et l'osmose inverse ont
été évaluées lors des premières
études en Floride. Les résultats concernant
lecarbone organique dissous (COD), montrent que l'abattement
par UF n'est pas suffisant (seuil de coupure du poids
moléculaire >1000 Daltons).
Par ailleurs, l'OI n'offrait pas de meilleurs résultats que la
NF, alors qu'elle avait des inconvénients:
l'élimination de la dureté était trop grande et
les coûts en énergie plus élevés.
Il a été étudié dans plusieurs pays le
traitement de l'eau douce par NF :
- 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
( Sources : plaquettes
Méry-sur-Oise,
SEDIF/
VEOLIA EAU) :
Filière de traitement.
L'usine de Méry recourt donc à la filière de
traitement de nanofiltration pour 70 % de sa production, les 30 %
restants provenant de sa filière de traitement biologique
utilisant le couplage "ozone-charbon actif".
Deux filières autonomes (au total 340 000 m3/jour)
:
L'eau distribuée est le mélange des eaux produites par
ces deux filières.
Le principal objectif est
d'éliminer le COD, et surtout le CODB et sa fraction
biodégradable, afin d'obtenir une eau dont la demande en
chlore est pratiquement nulle (élimination des goûts et
odeurs, des sous-produits de désinfection), qui est stable
dans le réseau de distribution.
Mais également l'élimination :
Les résultats basés sur une année d'opération sont présentés au tableau ci-après (Sources : Côté et al, 1993).
de Méry-sur-Oise
Nota : station de 140 000 m3/],
avec un prétraitement incluant clarification + filtration sur
bicouches (sable+anthracite)
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Autre exemple d'usine incluant la nanofiltration :
Nota : les procédés Opaline (Véolia) regroupe des membranes d'ultrafiltration avec un adsorbant (charbon actif ou résine échangeuses d'ions [polymère]).
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. La directive européenne 98/83/CE du 3
novembre 1998 fixe à 10 µg/l la concentration
maximale, 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.
(adaptation faite de l'article de Chebi et Hamano, 1994)
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