Expériences avec des installations à membrane de longue durée
En 2003, la rénovation de la station d’épuration s’avérait nécessaire. D’une part, parce qu’entre-temps, plus d’habitants s’étaient raccordés au tout-à-l’égout, à savoir aujourd’hui 28.000 EH contre 18.000 EH alors. D’autre part, pour obtenir une meilleure élimination des nutriments.
À Schilde, les membranes à fibres creuses ont été installées dans quatre réservoirs de filtration.
Différents orateurs ont fait part de leurs expériences au public. (photo BMG)
L’installation d’Aquafin à Schilde est hybride. C’était surtout en 2003, sur le plan européen et même mondial. (photo KV)
BMG, le « Belgian Membrane Group » (Groupe belge de la Membrane), organisait le 18 avril une après-midi thématique autour des « Expériences avec des installations à membrane de longue durée ». Elle a débuté par une visite guidée de l’installation d’épuration d’eau d’Aquafin, à Schilde. Ensuite, quelques conférenciers ont pris la parole à Aartselaar. Leurs nombreuses années d’expérience leur ont permis de nous prodiguer de nombreux conseils pratiques.
Arnaud Nauwelaerts, responsable des ventes de systèmes de production pour le Benelux chez Suez Water Technologies & Solutions a signalé que les aspects mécaniques et d’infrastructure avaient un énorme impact sur la durée de vie des membranes, « tout comme la préfiltration et le prétraitement d’ailleurs. Ces derniers aident à diminuer les contraintes imposées aux membranes, augmentant ainsi la durée de vie, ou optimisant du moins le fonctionnement. »
En particulier, concernant l’aspect mécanique, il précisa que : « Il s’agit ici du fonctionnement des pompes, surpresseurs, vannes d’arrêt et clapets. L’entretien préventif s’avère alors un plus. Il y a lieu aussi de s’assurer que les pièces mécaniques sont et restent en bon état. Vérifiez l’état des réservoirs dans lesquels sont suspendues les membranes. S’ils sont en acier, contrôlez aussi le revêtement. Et s’il est en béton, contrôlez la qualité du béton. Vérifiez, par exemple qu’il n’y a pas de carbonatation. Lors du renouvellement de l’instrumentation, n’oubliez pas que vous pouvez passer aux toutes dernières qualités d’appareils et opter pour les meilleures techniques disponibles. Suivez également les paramètres complémentaires afin, si nécessaire, de pratiquer des modifications dans le cadre d’une réglementation renforcée. »
Et si l’on envisage de remplacer les membranes ? Nauwelaerts : « Dans ce contexte, il y a lieu de suivre un certain nombre de paramètres tels que la chute de pression à travers la membrane, le débit, les fréquences de la pression et de nettoyage. Si ces paramètres augmentent, c’est signe que les membranes arrivent en fin de vie. »
« Entretenir préventivement les pièces mécaniques, et contrôler qu’elles sont en bon état et le restent, sont un plus. »
Il a commenté ensuite un projet en Angleterre. « On utilisait là-bas un type de préfiltration qui laissait passer trop de polluants, colmatant ainsi les membranes et provoquant de l’érosion. Ceci engendrait des contraintes et affectait la durée de vie des membranes. Nous sommes intervenus à l’époque en remplaçant la membrane par une version de dernière génération, en remplaçant la préfiltration, en optimisant le système de commande ainsi que la ventilation, ce qui procurait des avantages sur le plan énergétique. »
Le cas Schilde
Aquafin est chargée de deux installations d’épuration d’eaux usées, et joue un rôle important au niveau des membranes. Kathleen Moons, ingénieur des méthodes chez Aquafin, a commencé à Schilde. En 2003, la rénovation de la station d’épuration s’avérait nécessaire. On décida alors qu’à cet endroit, un bioréacteur à membrane, ou MBR, serait une bonne solution. On y créa donc une installation d’épuration hybride. Il a été installé 24 cassettes avec des membranes à fibres creuses disposées dans quatre réservoirs de filtration, faisant ensemble une surface de 10.560 m2. Une fois par semaine avait lieu un nettoyage d’entretien à l’eau de javel (NaOCl) et d’acide citrique. Au fil des ans, il s’avéra nécessaire d’augmenter cette fréquence, une première fois à deux entretiens par semaine, et au bout d’un certain temps, à six fois par semaine. Le temps de trempage augmenta également : de 180 à 540 secondes. En outre, chaque membrane reçut chaque année un ‘nettoyage de récupération’ au cours duquel la cuve de filtration était complètement vidée, les membranes nettoyées mécaniquement puis lavées à l’eau de javel et à l’acide citrique.
Après un certain temps, les optimisations s’avérèrent judicieuses. La taille initiale des mailles du crible rotatif furent adaptées et un nettoyage haute pression prévu afin de diminuer l’infiltration des cheveux et des fibres vers la membrane. Avec le temps aussi, fut perçu l’intérêt d’une toiture : à côté de l’installation se trouvent des arbres, de sorte que des branches et des feuilles pouvaient tomber dans le MBR ; une oie est même tombée dedans un jour.
Les premiers signes d’usure des membranes apparurent en 2010 : l’augmentation de la fréquence des nettoyages a semblé constituer une partie de la solution. En outre, les fibres creuses commencèrent à lâcher. Tout cela a débouché, en 2015, sur un remplacement complet des membranes. Les membranes ont alors été remplacées par un autre type, adapté à une méthode d’aération nouvelle et plus efficace. Aquafin est alors passée à huit cassettes par cuve, au lieu de six, de sorte que la surface de membrane est montée à 14.270 m2. Un nettoyage d’entretien hebdomadaire a alors été mis en place, avec deux injections d’eau de javel et d’acide citrique ; le temps de trempage était de 300 secondes. Aujourd’hui, trois ans plus tard, ces chiffres sont montés à trois injections, et respectivement 420 secondes de temps de trempage.
Moons exposa également le cas de quelques petites stations d’épuration d’eau usée d’une capacité de 220 à 900 EH, ou équivalent-habitant. Les applications de MBR pour les eaux usées domestiques resteront probablement limitées. De plus, la filiale d’Aquafin, Aquaplus a également l’expérience de MBR installés chez quelques clients industriels.
« Après un certain temps, les optimisations se sont révélées judicieuses : adaptation de la taille des mailles, nettoyage haute pression et toiture. »
Eau de la Meuse
La première installation qu’a commentée Joery Janda, ingénieur des méthodes chez Induss, était une installation de traitement d’eau industrielle à base d’eau de la Meuse. Un défi important, étant donné que ses fortes concentrations en particules solides en suspension, fortement fluctuantes, varient avec les saisons. On peut citer, par exemple, les feuilles qui tombent. « Il s’agit d’une installation composée de sept conteneurs : le premier est un conteneur de pompage ; suivent après deux conteneurs d’ultrafiltration, puis encore un conteneur de pompage, et pour finir trois installations RO. Dès l’admission des eaux usées, nous pratiquons déjà une filtration grossière. »
L’ultrafiltration ou UF est composée de deux conteneurs identiques comportant chacun deux racks, à raison de 30 membranes par rack, avec des pores de moins de 0,1 micromètre. Chacun d’eux peut, en principe, fournir, à capacité maximale, 300 m3/h d’ultrafiltrat. Joery Janda : « Entre-temps, la durée de vie des membranes est passée à cinq ans, et il n’y a pas encore de signe qu’elles doivent être remplacées, ceci à fréquence de nettoyage minimale. Nous avons toutefois constaté que la préfiltration est très importante, surtout au moment où la charge polluante entrante est très élevée. Les tamis précédant l’UF ont pour charge d’effectuer le gros du travail. Cependant, là où nous avons dû optimiser l’une et l’autre chose, c’est au niveau des rinçages chimiques. Nous recherchons toujours un ratio optimal entre le nettoyage oxydant, le nettoyage à la lessive, et le nettoyage acide. »
Et l’osmose inverse (ou RO) ? « Il s’agit de trois petits conteneurs : deux petites installations de RO, pouvant livrer chacune 45 m3/h, et une troisième de 90 m3/h. Les membranes les plus anciennes qui y sont installées, ont déjà plus de sept ans. Nous faisons en sorte d’assurer deux nettoyages en place, ou ‘Cleaning in Place’ (CIP), par an et par installation, ce qui est dans la fourchette basse pour l’osmose inverse. Nous avons toutefois observé que de petites interventions opérées durant le CIP peuvent avoir une grande influence sur la manière dont il se déroule. Nous avons dès lors optimisé, là aussi, l’une et l’autre chose. Une seconde donnée importante, est l’ultrafiltrat. Il subit une sorte de post-traitement avant d’être envoyé vers l’osmose inverse, car l’UF en soi est capable de neutraliser les bactéries, mais il n’est pas garanti que celles-ci ne se remettent pas à proliférer. »
La préfiltration est très importante, surtout lorsque la charge polluante entrante est très élevée.
Ensuite, le collègue de Janda, Leen Goethals commenta une série d’installations le long du Canal maritime Gand-Terneuzen.
Pseudomonas aeruginosa
Kris Lambert est le directeur général de Veolia Water Technologies Belgium. Cette société s’occupe, entre autres, de la production d’eau industrielle de qualité « eau potable ». Elle comporte le plus souvent trois barrières : deux physiques et une chimique (désinfection). Par exemple, UF+RO+désinfection, ou MBR+RO+désinfection. Entre autres, pour les clients disposant de peu de place, nous installons un MBR avec ultrafiltration.
Il expliqua ensuite l’une et l’autre chose au sujet de l’OPEX, ou « coût opérationnel ». On peut citer ici les coûts liés à l’eau de Javel, l’acide sulfurique, l’hydroxyde de sodium, l’acide citrique, le produit antitartre, l’énergie, le remplacement des membranes, le remplacement du préfiltre, les pièces de rechange et une dernière catégorie : l’entretien.
Ces coûts sont restés relativement de même nature, ces quinze dernières années, à l’exception de trois coûts qui ont sensiblement augmenté. Heureusement, il s’agit de composantes assez faibles de l’OPEX total : acide citrique, chlore et enfin, les préfiltres RO. Le remplacement des membranes constitue habituellement autour de 20 à 25% du coût opérationnel total.
Plus spécifiquement, en matière de sécurité alimentaire, les bactéries constituent la plus grande difficulté. Lambert : « Officiellement, une UF élimine les bactéries jusqu’à log 6, alors que la RO le fait jusqu’à log 5. Cela voudrait dire qu’après une RO, on ne trouve plus de bactéries vivantes. La réalité est naturellement tout autre. La RO s’arrête à intervalles réguliers. Et il se produit alors une nouvelle croissance, et surtout du fait que nous travaillons souvent avec des effluents à plus de 25°C ou davantage. Que faire alors ? Toujours une pré-étude HACCP, dans le cadre de la sécurité alimentaire. Un contrôle minimal, une fois par semaine. L’application d’un dosage de chlore, ce qui est pratiquement la norme, à l’aide de deux chloromètres indépendants, pour être certains de la mesure. En principe, nous chlorons également les cuves. Le plus gros problème ce sont les Pseudomonas aeruginosa, notamment entre l’UF et la RO. Quelques heures d’arrêt suffisent pour en être infesté. Notre objectif le plus important est de pouvoir les garder sous contrôle. Pour ce faire, nous nous basons le plus souvent sur le fait de disposer de suffisamment de chlore libre. D’autres actions, telles que, par exemple, une installation de RO en inox, pasteurisée tous les soirs à 80°C, s’avèrent très chères. Bien que certains peuvent se le permettre, comme par exemple les brasseries et les entreprises pharmaceutiques. »
Ces coûts sont restés relativement les mêmes, ces quinze dernières années, à l’exception de trois coûts qui ont sensiblement augmenté : l’acide citrique, le chlore, et enfin, les préfiltres RO.
Par Koen Vandepopuliere
