Décentralisation accrue de l’épuration

Les entreprises de l’industrie de transformation bénéficieraient davantage d’une épuration décentralisée, en comparaison avec une épuration en fin de parcours. C’est ce qu’avance Emile Cornelissen, Principal Scientist au sein de l’équipe Waterbehandeling en Resource Recovery auprès du KWR et Professeur membre du groupe de recherche PaInT (Particle and Interfacial Technology) à l’Université de Gand. « Une telle décentralisation présente l’avantage d’une décomplexification de l’effluent à épurer et partant, d’une épuration plus aisée de ce flux d’eaux usées. »

La plupart des entreprises procèdent à l’épuration de leurs eaux usées après l’achèvement de toutes les étapes de leur processus de production en usine, autrement dit en fin de cycle. « En fin de cycle de fabrication, les eaux usées charrient toutes sortes de composants provenant des différents processus », relate Emile Cornelissen. « Cette bouillie complexe composée de substances mélangées est le plus souvent difficile à traiter. Pour ce faire, il faut souvent disposer d’installations de traitement des eaux plus complexes et plus sophistiquées. Cette situation occasionne parfois un traitement insuffisant ou excessif des eaux usées, lequel requiert en aval un reconditionnement des eaux traitées (ajout de produits chimiques très divers), ces opérations entraînant à leur tour un gaspillage d’énergie. » Cornelissen appelle les entreprises à s’attaquer autrement à leurs effluents et à se lancer dans un travail de réflexion sur la maîtrise des flux d’eaux usées. « Essayez autant que possible d’épurer ces flux à la source de leur pollution et prévenez la confluence de différents effluents afin d’éviter la formation d’un flux d’eaux usées plus complexe. » Par conséquent, il est indispensable de procéder à l’épuration de tout effluent au plus près des différentes étapes que présente le schéma du processus industriel. Idéalement, les parties concernées devraient, à l’avenir, tenir compte de l’épuration des eaux usées dès la conception de nouveaux processus en se gardant d’opter pour une solution de traitement en aval. À cet égard, l’intensification du processus est une notion clé.

Obturation des membranes

La décentralisation intelligente de l’épuration passe par la mise en oeuvre de techniques de séparation sélectives telles que la filtration membranaire. « La plupart des processus de séparation reposent sur l’usage de membranes », souligne Cornelissen. « Ces membranes présentent l’avantage d’être d’une robustesse et d’une variabilité appréciables. Elles permettent de résoudre en un seul temps bon nombre des problèmes de qualité affectant l’eau ; la majorité des autres processus en sont incapables. Elles autorisent l’élimination aisée des bactéries, virus, sels et composants organiques dissous en une seule étape. Toutefois, ces membranes présentent l’inconvénient de s’encrasser. Certaines substances éliminées par la membrane considérée s’accumulent devant celle-ci en formant une couche de polluants. En cas d’épuration en fin de cycle, les membranes s’encrassent et s’obstruent d’ordinaire plus rapidement. Les effluents complexes véhiculent souvent des substances à l’origine de sérieux problèmes d’encrassement des membranes. Une membrane est une pellicule mince susceptible de perdre en efficacité par suite d’un encrassement et d’un engorgement excessifs. À titre d’exemple, la présence conjointe de calcium et de matières organiques ionisées dans les eaux usées est susceptible d’occasionner la formation d’une croûte épaisse et imperméable sur la membrane considérée. En conséquence, un nettoyage chimique ou hydraulique régulier de la membrane s’impose en créant du même coup un flux résiduel. Un doctorant de l’UGent se penche sur les revêtements de membrane susceptibles d’en réduire l’encrassement et/ou d’en améliorer la nettoyabilité. Nous nous efforçons de limiter, autant que possible, l’épuration préliminaire des installations de filtration membranaire afin de réduire au maximum la consommation d’énergie et les coûts d’installation. Enfin, un processus de filtration membranaire s’accompagne toujours de la formation d’un flux résiduel ou flux de concentrat. Dans le cadre de nombre de projets, nous tentons de limiter autant que faire se peut ce flux résiduel, voire d’en extraire des substances utiles que nous pourrions réutiliser dans le processus concerné. »

Recherche

À Singapour, notre professeur organise une campagne d’essais visant à mieux comprendre la pollution et à l’éliminer dès le stade de l’épuration préliminaire. « À Singapour, nous nous sommes penchés sur les conditions d’encrassement des membranes de filtration de l’eau de mer. Nous avons décomposé l’eau de mer en divers fragments ; autrement dit, nous avons procédé à son fractionnement. Ensuite, nous avons tenté de comprendre quel était le fragment d’eau de mer le plus polluant. En connaître la nature permet d’intervenir, dès l’épuration préliminaire, sur les composants spécifiques qui posent problème. Nous nous sommes livrés à une analyse très poussée de ce problème pour tenter d’en prévenir la manifestation. J’ai ramené cette idée en Flandre et aux Pays-Bas ; désormais, cette idée fait respectivement partie intégrante du projet FWO SBO (1) BioStable mené à Gand et du projet BTO (2) intitulé ‘Organische- en deeltjesfracties gerelateerd aan biologische stabiliteit’ et mené au KWR. Dans ce contexte, nous sommes en train de procéder au fractionnement d’eaux de surface pour diverses sociétés de distribution d’eau potable établies en Flandre et aux Pays-Bas. Nous nous efforçons d’identifier la ou les fractions des eaux de surface qui favorisent la prolifération des bactéries. Renoncer à les additionner de chlore, c’est s’exposer à l’apparition de complications. Aux Pays-Bas, la chloration n’est plus de mise ; par conséquent, nous avons recours à des procédés d’épuration évolués pour obtenir une eau biologiquement stable et en préserver la stabilité. En cas de chloration, le chlore est susceptible de former divers sous-produits à partir de composés organiques présents dans l’eau d’alimentation. Quels sont parmi les composés présents dans l’eau d’alimentation ceux qui produisent la plupart des sous-produits. Leur identification permet de les éliminer avant l’épuration en tant que telle. Nous y travaillons. Ces travaux constituent un pont entre les recherches menées à Singapour, aux Pays-Bas et en Flandre – et ce, aussi bien pour la distribution d’eau potable que pour nombre d’applications dans l’industrie. »

Flux résiduels

Comme nous en avons déjà fait état, une filtration par membrane tient plus d’un processus de « séparation » que d’un processus de « purification ». En effet, un flux résiduel subsiste toujours au terme de cette opération ; à savoir, la version concentrée du flux d’alimentation. « À vrai dire, l’objectif visé consiste à se débarrasser complètement de ce flux résiduel. Idéalement, nous allons réutiliser, à cette fin, le flux résiduel ou en extraire des composés utiles. C’est la raison pour laquelle il est important de procéder à une épuration décentralisée : en présence d’un processus dont la mise en oeuvre entraîne la libération d’un catalyseur, l’introduction d’une étape de séparation dans ce processus permet d’en extraire spécifiquement ce catalyseur avec un maximum d’efficacité, puis de le réintroduire immédiatement dans le processus considéré. Cette approche est économiquement et techniquement plus intéressante que l’élimination impérative de ce catalyseur en fin de cycle ou que sa récupération par extraction à partir d’un flux complexe d’eaux usées. » Cornelissen assume également la direction d’un pan entier du projet européen RUSTICA qui porte sur l’utilisation judicieuse des déchets de la bio-industrie. Lors de la fermentation des déchets de fruits et légumes, le carbone lié se transforme en acides carboxyliques ainsi qu’en nutriments utiles tels que l’azote, le phosphore et le potassium. Nous voulons séparer les acides carboxyliques des nutriments utiles afin de pouvoir les réutiliser. Nous allons y parvenir en mettant en oeuvre un procédé membranaire entraîné par une différence de potentiel électrique. Ce procédé n’est autre que l’électrodialyse. »

Flux de condensat

L’eau joue un rôle déterminant dans l’industrie de transformation. Nul n’ignore que la consommation d’eau des entreprises du secteur de la chimie ou de l’agroalimentaire est considérable. « Bien que l’eau soit une denrée importante, sa production n’est que rarement considérée comme une activité majeure dans ces industries », relate Cornelissen. « Cette discordance risque d’entraîner une certaine incompatibilité. La distribution d’une eau de qualité insuffisante risque d’occasionner une corrosion susceptible de provoquer une défaillance des installations de transformation. Il est important de bénéficier, dans l’industrie, d’une gestion satisfaisante des ressources en eau. L’étude de la qualité des eaux revêt à cet égard une importance cruciale. » Selon Cornelissen, les règles empiriques ne coïncident pas toujours avec la réalité. C’est le cas pour les flux de condensat qui se forment durant le cycle eau-vapeur. « Les flux de condensat formés en cours de processus contiennent souvent des composés organiques. Cette teneur en composés organiques s’exprime sous la forme d’un taux de carbone organique total (COT). Pour assurer l’alimentation des chaudières à eau et à vapeur, on se sert habituellement d’une eau très propre qui doit satisfaire à certaines exigences de qualité. Le COT respecte habituellement la norme spécifique qui suit : 100 microgrammes par litre ou 100 parties par milliard. Cette règle empirique s’applique depuis toujours à l’eau d’alimentation de toute chaudière pour le cycle eau-vapeur. Si l’on entend réutiliser le condensat comme eau d’alimentation de d’une chaudière, il faut en éliminer le COT. Cette extraction augmente le coût de l’épuration. Toutefois, la règle empirique applicable au COT ne repose pas sur des bases scientifiques solides. Un doctorant de notre groupe s’est penché sur la composition de ce COT. Et qu’a-t-il constaté ? Si la quantité de COT est importante, sa composition l’est aussi. Certaines sources d’eau présentent peut-être un COT inférieur, mais elles véhiculent aussi des composés spécifiques susceptibles d’occasionner une acidification du cycle eau-vapeur, laquelle entraîne à son tour une corrosion interne. Il ne s’agit pas de réduire la teneur globale en COT, mais d’éliminer certains composés spécifiques du COT. Dans diverses entreprises de l’industrie de transformation, nous avons procédé, ces dernières années, à différents essais sur site en mettant en oeuvre des solutions pilotes et en les additionnant de flux de condensat. Nous avons testé des membranes (osmose inverse, microfiltration, électrodialyse), des processus oxydatifs ainsi qu’une filtration au charbon actif. Par la suite, nous nous sommes livrés à une analyse comparative dont les résultats ont convaincu ces clients de se doter de nouvelles installations. »

Antécédents

Emile Cornelissen exerce, depuis 2003, les fonctions de Principal Scientist au sein de l’équipe Waterbehandeling en Resource Recovery auprès du KWR water research institute. Ce dernier assume la responsabilité des recherches menées dans les domaines suivants : encrassement et nettoyage des membranes, élimination des polluants émergents par filtration membranaire et développement de procédés innovants. Les recherches approfondies menées par l’institut KWR portent sur différents aspects de la qualité, du traitement et de la distribution des eaux. D’autres services du KWR se consacrent davantage à la qualité de l’eau potable, aux polluants émergents (pesticides, composés pharmaceutiques) et à la stabilité microbiologique de l’eau. L’institut se focalise sur les questions pratiques auxquelles sont confrontés des utilisateurs finaux tels que les sociétés de distribution d’eau potable, les entreprises industrielles et les agences de l’eau. En 2017, Cornelissen a été nommé professeur invité à l’Université de Gand (Belgique) dans le souci de renforcer la collaboration flamandonéerlandaise dans le domaine de la recherche sur l’eau potable. Ses travaux portent sur diverses perspectives innovantes, l’amélioration des procédés de séparation, la réduction de la consommation d’énergie et de produits chimiques et la récupération de matières premières. Les recherches scientifiques menées par le Professeur Cornelissen portent sur les procédés physiques de séparation dans le cadre du traitement de l’eau potable et de l’épuration des eaux usées en mettant particulièrement l’accent sur les procédés membranaires. Sa nomination renforce la collaboration entre le KWR et l’UGent et, dans un contexte élargi, la collaboration flamandonéerlandaise dans le domaine de la recherche sur l’eau potable, entamée plus tôt dans l’année par la société De Watergroep, l’UGent et le KWR. « La recherche universitaire nous permet d’approfondir nos connaissances en la matière. Nous disposons d’un peu plus de temps pour répondre à des questions fondamentales, mais sans renoncer à jeter des ponts vers les utilisateurs finaux. Je m’efforce d’orienter les étudiants gantois vers le KWR et de faire venir mes collègues néerlandais à Gand. De Watergroep est un utilisateur final commun. J’affectionne tout particulièrement l’élaboration de solutions aux problèmes pratiques. En travaillant de préférence à plus long terme dans le souci de proposer des solutions plus approfondies. »

Singapour

Depuis la fin 2017, Cornelissen passe plusieurs jours par semaine avec le groupe de recherche Particle and Interfacial Technology (PaInt) que dirige le Professeur Arne Verliefde à la faculté des sciences de la bio-ingénierie. Ce groupe se consacre à l’épuration physicochimique des eaux, par conséquent à l’ensemble des procédés non biologiques. Les recherches menées portent essentiellement sur la technologie membranaire. « Nous nous livrons à ces travaux avec le concours de plusieurs compagnies des eaux flamandes, mais aussi avec celui de divers utilisateurs finaux industriels. Il nous arrive parfois de travailler directement et individuellement pour des utilisateurs finaux. Nous participons aussi à divers projets subventionnés d’envergure nationale ou européenne. Ce faisant, nous voulons sensibiliser les acteurs concernés au traitement physicochimique des eaux dans le but d’améliorer la qualité de l’eau d’un bout à l’autre de son cycle, qu’il s’agisse d’eaux potables, usées ou de processus. Nous nous efforçons de réduire les coûts environnementaux et d’exploitation. Ce groupe de recherche auprès de l’Université de Gand fait partie de la plate-forme CAPTURE, une plate-forme à l’échelle de la Flandre (UGent, VITO, UAntwerpen et VUB en sont partenaires) qui se consacre à la recherche fondamentale et à la valorisation poussée des ressources dans les domaines suivants : eau, CO₂ et matières synthétiques. Nous allons donner corps à notre vision de l’eau industrielle à l’horizon 2050. Nous allons aussi nous focaliser sur les procédés membranaires. Contrairement, par exemple, à l’Université de Twente où j’ai fait une partie de mes études, nous nous abstenons de produire des membranes. Nous avons l’ambition d’utiliser les membranes neuves et existantes d’une manière efficace sur le plan économique et thermodynamique afin de répondre aux besoins des utilisateurs finaux. Nous voulons utiliser les produits actuels et les intégrer au mieux dans l’infrastructure existante. » Depuis 2014, Cornelissen jouit également du statut de scientifique invité au Singapore Membrane Technology Centre (SMTC) associé à la NTU de Singapour, et plus précisément au centre de recherche sur les membranes ; à savoir, le Singapore Membrane Technology Centre (SMTC), un institut de premier plan dans le domaine des membranes et de l’eau. Notre professeur s’y rend deux fois par an et s’y livre à l’accompagnement d’étudiants. Il s’est déjà vu décerner divers prix à l’innovation dans le domaine de l’épuration des eaux et de la filtration membranaire. Par ailleurs, Cornelissen est régulièrement invité à prendre la parole dans le cadre de congrès internationaux.

1 programme stratégique de recherche fondamentale (SBO) du Fonds Wetenschappelijk Onderzoek – Vlaanderen (FWO) [Fonds de recherche scientifique pour la Flandre]

2 programme sectoriel de recherche (BTO) du KWR élaboré pour et par les compagnies des eaux néerlandaises