TECHNIQUE  
Aquarama 88 – juin 2020

De l’eau d’égout vers l’eau ultra pure

L’industrie devra utiliser de plus en plus d’autres sources d’approvisionnement en eau. Il est possible de faire beaucoup dans ce domaine, comme le montre l’exemple d’Emmen où de l’eau ultra pure est produite à partir d’eaux usées. En outre, cette transformation se fait, à la demande du client, avec un minimum de produits chimiques. Pour rendre cela possible, un train d’épuration a été élaboré à l’aide d’UF (ultrafiltration), de BODAC (filtration biologique sur charbon actif à dosage d’oxygène), d’OI (osmose inverse) et d’EDI (électrodéionisation).

À Emmen, aux Pays-Bas, se trouve la Société pétrolière néerlandaise, la Nederlandse Aardolie Maatschappij ou NAM. Peter van der Maas, professeur de systèmes d’eau durables à l’Université des sciences appliquées Van Hall Larenstein et conseiller stratégique en technologie de l’eau auprès du laboratoire d’analyse de la qualité des eaux WLN : « Cette entreprise a besoin de vapeur qu’elle injecte dans le sol pour chauffer le pétrole afin qu’il devienne moins visqueux et donc plus pompable. Elle produit sa vapeur à partir d’eau ultra pure (UPW pour Ultra Pure Water). Il s’agit d’eau ne contenant pratiquement pas de sels : sa conductivité est inférieure à 0,2 microsiemens par centimètre. Mais à partir de quelle source cette eau ultra pure doit-elle être produite ? Dans cette partie des Pays-Bas, la quantité d’eau de surface et d’eau souterraine est limitée. L’effluent provenant de l’installation d’épuration des eaux usées d’Emmen s’est avéré alors être la source la plus évidente pour la produire. »

Cette station d’épuration, apprend-on, est la propriété d’une société des eaux, la Vechtstromen. Cette dernière est responsable, pour la région, de l’épuration des eaux usées communales. Elle a créé conjointement avec la WMD (société des eaux de la province de Drenthe), à l’origine une société de distribution d’eau potable, une coentreprise (joint-venture) : NieuWater. Son usine de production d’eau est située sur les terrains de la station d’épuration d’Emmen et a une capacité maximale de 8 200 m³ d’eau ultra pure par jour.

OI et EDI

Ensuite a commencé la recherche de techniques pour parvenir à fabriquer de l’eau ultra pure à partir d’un effluent de station d’épuration. Peter van der Maas : « Le dessalement de l’eau est basé sur l’osmose inverse : passage par deux membranes OI consécutives, donc en deux étapes. L’eau qui en sort contient toujours une très faible concentration d’ions monovalents, notamment de sodium et de chlorure. Ces derniers en sont extraits dans une dernière étape : l’EDI ou électrodéionisation. Elle est basée sur une combinaison de membranes et de résine. La résine y est régénérée à l’aide d’électricité au lieu de produits chimiques. Lorsque l’usine d’eau ultra pure a démarré, en 2010, c’était la plus grosse installation d’EDI au monde. »

« Lorsque l’usine d’eau ultra pure a démarré, en 2010, c’était la plus grosse installation d’EDI au monde. »

Nouvelle application

Cet effluent de station d’épuration est encore relativement riche en nutriments et a tendance à former un biofilm sur les membranes d’OI. « Ainsi, il se peut que l’on soit confronté à la formation sur les membranes d’une galette telle que l’on ne puisse même plus produire. Il est toutefois possible de réduire cet encrassement biologique à l’aide de biocides. Mais nous avons préféré ne pas nous en servir car ils polluent ensuite les eaux de surface. Nous avons recherché une variante plus respectueuse de l’environnement. Nous l’avons trouvée sous la forme d’une filtration biologique sur charbon actif à dosage d’oxygène. Elle est désignée sous l’acronyme BODAC pour Biological Oxygen Dosed Activated Carbon. Cette filtration BODAC est utilisée comme prétraitement, avant l’osmose inverse. »

La filtration biologique sur charbon actif n’est pas quelque chose de nouveau, affirme Peter van der Maas. « Je la connaissais déjà dans le cadre de la production d’eau potable. Mais cette application spéciale accompagnée d’un dosage d’oxygène, comme ici à Emmen, en vue d’un prétraitement pour éviter l’encrassement biologique des membranes d’osmose inverse, était toutefois nouvelle. Je soupçonne qu’elle est toujours unique au monde. »

La grosse question lors du projet était de savoir si ce prétraitement BODAC allait réussir. « Nous avons ensuite fait un essai pilote pendant un an pour nous assurer du fonctionnement. Sur la base de cette recherche, nous avons décidé de l’appliquer à grande échelle. C’est ainsi qu’est né le train d’épuration, juste en amont de l’osmose inverse. Et avant cette phase BODAC nous avons installé encore une étape d’ultrafiltration. La filtration BODAC en elle-même a été complétée par un dosage d’oxygène, afin que l’opération ne se fasse pas en l’absence d’oxygène, qu’elle ne soit donc pas anaérobie. Cela fonctionne ainsi. Le principe de la filtration biologique sur charbon actif est qu’il se forme un biofilm autour de granules de charbon actif. Ensuite a lieu l’absorption des nutriments contenus dans l’eau entrante, par les granules et le biofilm. En l’absence d’une introduction d’oxygène, le fonctionnement deviendrait anaérobie, et le biofilm se détacherait alors des granules de charbon actif. Le processus ne fonctionnerait alors plus. Ce danger de réaction anaérobie est bien réel à Emmen. Parce que l’eau provenant de la station d’épuration contient parfois des concentrations accrues, surtout d’ammonium. Du fait que l’ammonium organique se transforme (s’oxyde en principe) en nitrate, beaucoup d’oxygène disparaît de l’eau. »

Mesurer c’est savoir

Les capteurs de pression spéciaux installés sur les tubes de pression des membranes d’OI sont également particuliers. Ils mesurent en continu la perte de charge à travers la première membrane de la première étape, et celle à travers la dernière membrane de la seconde étape. Une telle perte de charge est une indication d’entartrage et d’encrassement biologique. Cette surveillance permanente permet de les déceler très tôt. L’usine peut ainsi réduire au minimum l’utilisation de détartrant. Des tests sont en cours pour déterminer s’il est possible de contrôler dynamiquement le dosage de détartrant en fonction de la qualité de l’eau entrant dans les membranes d’OI. En cas de succès, l’usine de production d’eau pourrait utiliser encore moins de produits chimiques.

« Nous appliquons la filtration biologique sur charbon actif à dosage d’oxygène comme prétraitement avant l’osmose inverse. »

Coût

« Ce n’est pas la manière la moins chère de fabriquer de l’eau ultra pure », admet Peter van der Maas. « La filtration biologique sur charbon actif nécessite notamment un investissement important. L’utilisation d’un biocide nécessiterait un investissement bien moins lourd. Mais nous avons choisi cette méthode avec le client à l’époque, parce que nous ne voulions utiliser que peu ou pas du tout de produits chimiques pour des raisons de durabilité. La NAM était prête à payer un peu plus pour son eau, afin que ce soit possible. Et un contrat a été signé entre le client et NieuWater couvrant une période de 25 ans. Le fait que le contrat ait une durée relativement longue contribue à ce qu’il soit financièrement possible de se lancer dans cette technologie innovante de l’eau. »

En outre, il existe certains effets de récupération. Le charbon actif, par exemple, est toujours celui de l’époque. Il n’a pas été régénéré depuis. Le pré-traitement BODAC contribue également au fait qu’il n’était pas encore nécessaire de remplacer les membranes : ni celles de l’ultrafiltration, ni celles de l’osmose inverse. Il n’y a aussi que relativement peu de frais de produits chimiques tels que des floculants et des agents nettoyants, et aucun de biocides.

Médicaments

Entre-temps il s’avère que la filtration BODAC s’accompagne d’un avantage intéressant. « Elle semble très bien éliminer les médicaments. Nous ne nous y attendions pas. »

A l’issue de la filtration BODAC, Peter van der Maas note une élimination radicale de plus de 90 % d’une large gamme de médicaments. Il n’apparaît pas encore clairement quelles en sont les raisons. La biodégradation et la sorption jouent sans doute un rôle, mais peuvent ne pas être l’explication complète. On soupçonne pour le moment que le dosage d’oxygène pour prévenir l’anaérobie dans les filtres BODAC joue un rôle important. Des recherches supplémentaires devraient en déterminer la cause, et confirmer ou non que le BODAC est utilisable comme moyen d’éliminer les médicaments de l’eau dans d’autres installations de purification, telles que les stations d’épuration.

Par Koen Vandepopuliere