La purification de l’eau potable par filtration membranaire ne cesse de gagner en importance. Cette technologie permet en effet de s’intéresser à d’autres sources plus salines, situées aussi bien dans la zone côtière que dans l’arrière-pays. C’est dans ce sens que s’exprime le professeur Bart De Gusseme du Centrum voor Microbiële Ecologie en Technologie (CMET) de la UGent et de CAPTURE. Ce dernier s’y livre à des recherches consacrées à la réutilisation des eaux usées et à la sécurité de l’eau potable. Il exerce également les fonctions de chef de projet auprès de la société de distribution d’eau FARYS.

De Gusseme souligne qu’en cas de filtration membranaire, il est capital de conjuguer à bon escient les différentes étapes du processus, en vertu du principe des barrières multiples. « La première étape de la filtration membranaire n’est autre que la micro- ou l’ultrafiltration. Opération intensive, la microfiltration se charge d’extraire toutes les particules pour qu’elles ne risquent pas d’obstruer l’équipement d’osmose inverse (‘reverse osmosis’ ou OI) installé en aval. Toutes les particules dont la taille excède celle des pores (par exemple, 100 nanomètres en microfiltration), de même qu’une partie des oxydes de fer, colloïdes et bactéries géantes y sont extraites des eaux traitées. À titre d’exemple, ces petites particules d’argile qui confèrent sa teinte ocre caractéristique à l’eau du canal sont des colloïdes. Nombre de substances dissoutes dans l’eau, telles que les sels, nitrates, herbicides, médicaments, virus et acides humiques, en sont également extraites. »

L’étape suivante consiste en une filtration par osmose inverse ou OI. « Il s’agit là de la barrière ultime », relate De Gusseme. « Les pores sont d’une taille égale ou inférieure au nanomètre. L’osmose inverse permet de se débarrasser de toutes les substances dissoutes dans l’eau telles que les nitrites, bactéries et virus, pesticides, médicaments et molécules qui donnent leur teinte à l’eau (acides humiques), ... Seuls les ions les plus petits parviennent à traverser cette membrane. Par conséquent, on obtient, à ce stade, une eau d’une grande pureté, mais largement exempte de sels minéraux. À vrai dire, la composition de cette eau n’est pas souhaitable. C’est la raison pour laquelle l’ajout ultérieur de sels minéraux s’impose. » De Gusseme considère que la technologie de filtration membranaire présente une foule d’avantages qu’elle doit surtout à la compacité des installations. « La surface de la membrane est considérable en dépit d’une empreinte au sol très limitée. Les modules à membrane d’osmose inverse mesurent en moyenne un mètre de long pour un diamètre de huit pouces ou d’une vingtaine de centimètres. Mais la superficie de la membrane qu’ils abritent est susceptible d’atteindre 40 m² ! »

Élimination des sels au moyen de membranes

Au printemps 2020, FARYS a inauguré, à Ostende, un centre de production d’eau (WPC) au sein duquel la filtration membranaire et partant l’osmose inverse jouent un rôle majeur. « L’osmose inverse permet d’extraire davantage de sels des eaux de surface. Dès lors, ce procédé se prête au traitement de sources d’eau de mer et d’eau saumâtre. Nous nous y livrons déjà dans notre nouveau centre de production d’eau établi à Ostende. Nous puisons l’eau à traiter dans le canal Bruges-Ostende à près de deux kilomètres en amont de l’écluse maritime. À cet endroit, l’eau est bien plus salée que les eaux de surface prélevées à l’intérieur des terres. À l’analyse de cette eau traitée par osmose inverse, on observe que la proportion de carbone organique et la prolifération des bactéries sont moins importantes. Le résultat n’est ni meilleur ni pire, mais l’écart est perceptible. Après son traitement par osmose inverse (OI), l’eau doit encore subir, pour plus de sécurité, un bref traitement au charbon actif. On procède également à l’adjonction de carbonate de calcium pour que l’eau présente une teneur minimale en calcium. À ce stade, on procède encore à l’ajout de dioxyde de carbone pour rendre l’eau moins dure, autrement dit, pour ne pas l’adoucir en deçà de 15 degrés français. À la sortie de la production, l’eau traitée subit encore, en fin de parcours, une désinfection aux UV pour s’assurer qu’elle est bactériologiquement acceptable. L’ajout d’une quantité limitée de chlore libre confère à cette eau un pouvoir désinfectant en vue de sa distribution à travers le réseau. »

Augmentation de la charge saline

Durant l’été 2020, l’installation d’épuration a enregistré un pic de charge saline. De Gusseme se réjouit que les installations de filtration membranaire et d’osmose inverse aient été de taille à neutraliser cette augmentation de la charge saline. « Heureusement, l’installation de filtration par OI peut s’en accommoder. Nous sommes venus à bout du sel, mais nous n’y serions pas parvenus si nous avions eu recours à d’autres techniques plus classiques telles que la filtration sur sable. En effet, cette technique ne permet de réduire que modérément, voire pas du tout, la proportion de sel dans l’eau. De plus, elle ne s’applique qu’aux sources d’eau douce. » Les causes de l’augmentation de la charge saline sont diverses. « En raison du changement climatique, les précipitations sont moins importantes en été », souligne De Gusseme. « La cause première réside dans la multiplication des hivers secs, lesquels se traduisent par un appauvrissement de l’approvisionnement en eau de la nappe phréatique. Il en résulte une pénétration de plus en plus profonde de l’eau de mer vers l’intérieur des terres à travers le sous-sol. En outre, la région n’avait connu aucune précipitation abondante depuis le mois de mai. Ce manque de précipitation s’est traduit, cet été, par une absence de dilution significative de l’eau douce. Les concentrations en sel augmentent pendant l’été et nous devrions continuer à observer des variations saisonnières induites par le changement climatique. Le pic de la charge saline fut surtout perceptible en septembre. J’ai mesuré alors des concentrations près de cinq fois supérieures à celles relevées pendant une période hivernale humide. »

Installations à la hauteur

L’installation d’épuration d’Ostende peut encore accueillir d’autres équipements. Le doublement de la capacité de l’installation de production d’eau potable permettra d’assurer aussi l’approvisionnement en eau d’autres communes qu’Ostende et Middelkerke. Ce site accueillera une station de pompage et un réservoir de grande capacité. « Ces équipements nous permettront de procéder également au transport d’eau potable vers l’intérieur des terres », relate De Gusseme. « D’autres projets d’aménagement hydrique du littoral sont à l’étude. À la hauteur du complexe d’écluses de Nieuwpoort connu sous le nom ‘De Ganzenpoot’, divers essais d’évaluation de la faisabilité d’une installation de désalinisation apte à transformer l’eau saumâtre en eau potable sont en cours. Les sociétés de distribution d’eau IWVA, De Watergroep et FARYS participent à ce projet. Un projet comparable reposant sur la filtration membranaire est également à l’étude à Knokke-Heist (AGSO Knokke-Heist). L’objectif est de créer une zone de production le long du littoral. » De Gusseme souligne que d’autres projets basés sur la filtration membranaire se concrétiseront aussi dans l’arrière-pays. « Divers projets tels que les initiatives lancées par Avaio et Water-link prendront corps le long des quais de l’Escaut à Anvers. Dans l’éventualité où le débit du Canal Albert deviendrait insuffisant en raison de la sécheresse, ces nouvelles ressources pourraient être mises à contribution. »

Injection dans les dunes

M. De Gusseme n’est pas partisan d’une production d’eau potable reposant, par définition, sur l’utilisation exclusive d’eau de mer. « En pareil cas, il faudrait veiller à une protection accrue des équipements contre la corrosion et par conséquent, les dépenses d’investissement ne manqueraient pas d’augmenter. De plus, les canalisations doivent toutes présenter une résistance avérée à des pressions de service plus élevées. Comme de telles installations de désalinisation fonctionnent à des pressions assez élevées, leur consommation d’énergie l’est également. La pression de service des installations de filtration d’eau saumâtre par osmose inverse s’élève à 15 bars. Plus l’eau à traiter est froide et visqueuse, plus la pression à exercer est importante. Mais en présence d’une eau de mer dont la salinité est élevée, cette pression d’entrée est susceptible d’atteindre 40 bars. Ce niveau de pression se traduit également par une augmentation des coûts opérationnels. Par conséquent, il ne faut se tourner vers l’eau de mer que si aucune autre option n’est envisageable, comme c’est le cas au Moyen-Orient. En Flandre, De Gusseme aspire à une réutilisation accrue des eaux usées dans l’industrie, par la mise en oeuvre d’installations de filtration membranaire. Ce dernier souligne que la filtration membranaire se prête aussi la production d’eau potable à partir de l’effluent d’installations d’épuration des eaux d’égout. « Je plaide en faveur d’une réutilisation des eaux usées avant de se tourner vers l’eau de mer. L’Intercommunale Waterleidingsmaatschappij van Veurne-Ambacht (IWVA) [société intercommunale d’alimentation en eau de l’entité de Veurne-Ambacht] a fait oeuvre de pionnière internationale dans le domaine de la réutilisation des eaux usées. Après leur traitement au sein des installations d’épuration des eaux d’égout mises sur pied par Aquafin, la société IWVA procède à une purification indirecte d’une partie de ces eaux usées pour la transformer en eau potable, par microfiltration, par osmose inverse et par désinfection aux UV. Pour reminéraliser cette eau, cette entreprise se garde d’utiliser des grains de calcaire. En revanche, elle l’injecte dans les dunes. Ce processus naturel permet d’enrichir l’eau en sels minéraux. La nappe phréatique des dunes bénéficie de surcroît d’un apport en eau douce purifiée. Ensuite, l’entreprise considérée affecte, à la production d’eau potable, la bulle d’eau douce créée par ses soins dans les dunes. Cette technique permet en outre de contenir la pression exercée par l’eau de mer souterraine. »

Eaux souterraines

À l’heure actuelle, près de la moitié de l’eau potable consommée en Flandre provient des eaux souterraines. L’autre moitié est produite à partir des eaux de surface. La qualité de la source détermine la technique requise pour traiter celle-ci. « À titre d’exemple, les eaux souterraines puisées à une profondeur certaine sont susceptibles d’être trop riches en fer et en manganèse. Dès lors, il convient de procéder à leur filtration sur sable. On observe la formation de flocons de fer plus volumineux que le filtre à sable va capturer. » Si l’agriculture a également un impact sur les sources peu profondes, c’est en raison de l’usage de pesticides et d’herbicides. « À ce stade, un traitement au charbon actif suffit à absorber ces composants. Par suite du fumage des terres, les eaux souterraines peuvent également présenter une teneur significative en nitrates et autres composés azotés. En pareil cas, on utilise un filtre à sable lent peuplé de bactéries nitrophiles. Pour peu qu’on leur en laisse le temps, ces bactéries parviendront à éliminer les composés azotés. On peut aussi réduire la dureté d’une eau souterraine en l’adoucissant jusqu’à une valeur minimale de 15 degrés français. Les sociétés de distribution d’eau De Watergroep et Pidpa présentent divers exemples d’adoucissement centralisé de cette nature. »

Eaux de surface

Le traitement d’eaux de surface telles les rivières, canaux et bassins de retenue est également envisageable. Selon De Gusseme, les eaux de surface sont plus polluées que les eaux souterraines. Elles nécessitent dès lors un traitement plus poussé. « L’eau passe d’abord par une série de cribles de grande taille qui se chargent de filtrer les brindilles, feuilles et grains de sable. Ensuite, il convient de laisser, entre autres, les matières organiques s’agglutiner. L’ajout d’agents de floculation polymères favorise la formation de flocons. La présence de petites bulles d’air suffit à les faire remonter à la surface et à en permettre l’écumage. L’élimination de ces flocons peut également s’effectuer par l’intermédiaire d’un filtre à sable rapide ou par gravité dans des décanteurs. La mise à contribution d’un filtre à sable lent peuplé de bactéries nitrophiles permet d’éliminer les composés azotés. À présent, un traitement au charbon actif suffit à absorber les pesticides, herbicides et résidus de médicaments. La dernière étape consiste en une désinfection aux UV pour s’assurer de la destruction des bactéries et virus malfaisants. À ce stade, l’eau traitée satisfait aux normes et ne présente plus aucun risque. Pour en revenir à l’empreinte au sol, ces installations présentent un encombrement supérieur à celui d’installations d’épuration par filtration membranaire. Mis sur pied par De Watergroep et Water-link, le centre WPC Kluizen se charge de purifier une eau puisée dans le Canal Albert. Pour préserver l’innocuité de l’eau potable à l’issue de son transport sur une distance de plusieurs centaines de kilomètres, on additionne celle-ci d’une petite quantité de chlore libre. Cependant, on observe une tendance à l’abandon progressif de la chloration de l’eau potable. C’est déjà le cas aux Pays-Bas et ce reflux s’accentue chez Pidpa. »

Surveillance permanente

Nombre de chercheurs de l’UGent considèrent que la surveillance permanente de l’eau potable, à la sortie de la production ou à la hauteur des points névralgiques que compte ce réseau de distribution, revêt une grande importance. Plus la source est polluée, plus il est important de surveiller de près le processus, par exemple lors de toute réutilisation des eaux usées. C’est pourquoi ils se sont investis à fond dans la cytométrie en flux et en ligne. Cette méthode de surveillance microbienne s’applique aussi à la surveillance des processus de filtration membranaire. La cytométrie en flux se définit comme une technique de comptage et d’étude des cellules microbiennes présentes dans l’eau. « Nous sommes à même de colorer les bactéries et de les compter une à une à l’aide d’une laser. Si nous choisissons correctement la longueur d’onde du laser, les bactéries étudiées en réfléchissent le rayon. Ce dispositif nous permet de procéder en quelques minutes à peine au comptage de toutes les bactéries. Cette technique représente un gain de temps considérable par rapport aux méthodes classiques de comptage sur boîte dont les résultats se faisaient parfois attendre plusieurs jours durant. Nous prélevons un échantillon tous les quarts d’heure et nous le comparons au précédent. Divers algorithmes nous permettent d’assurer un suivi satisfaisant et de réagir plus rapidement en cas d’évolution imprévue. Le centre de production d’eau potable en activité à Ostende est équipé d’un tel dispositif de surveillance. »

Système d’alerte précoce

À l’Université de Gand, une équipe de chercheurs étudie un nouveau « système d’alerte précoce » visant à déceler plus rapidement toute évolution anormale. « Il est beaucoup plus difficile de savoir ce qui se passe au sein d’un réseau de canalisations de plusieurs centaines de kilomètres. Provenant parfois de sites de production distincts, l’eau potable se mélange au sein du réseau de transport et s’accumule pendant un certain laps de temps dans des réservoirs ou châteaux d’eau. Qu’advient-il des bactéries ? Vont-elles avoir un impact sur le goût, l’odeur ou la teinte de l’eau potable ? On observe parfois la formation d’un biofilm parfaitement inoffensif. Mais l’eau n’est pas biostable, alors que chacun attend de l’eau qu’elle demeure incolore et inodore. » Sur la plate-forme CAPTURE (Centre for Advanced Process Technology for Urban REsource recovery; www.capture-resources.be), l’UGent a publié une étude de quatre ans consacrée à la préservation de la qualité et de la stabilité de l’eau pendant son transport. « Cette Strategisch BasisOnderzoek ou SBO [recherche stratégique fondamentale] a été lancée au mois d’octobre avec le soutien du Fonds Wetenschappelijk Onderzoek Vlaanderen [Fonds de recherche scientifique pour la Flandre] en étroite collaboration avec Aquaflanders, l’organisation sectorielle qui regroupe l’ensemble des sociétés flamandes de distribution d’eau potable. Avec l’appui de toutes les entreprises flamandes de distribution d’eau, nous conjuguons, dans le cadre de ce projet BIOSTABLE inédit, toutes nos forces pour continuer à garantir la qualité de l’eau. Comment les bactéries prolifèrent-elles ? Sommes-nous en mesure d’en ralentir la prolifération en pesant sur la production ? Pouvons-nous aussi procéder à l’ajout de bonnes bactéries ? Dans le cadre de ce projet, nous allons également nous pencher sur de nouvelles techniques d’exposition de l’ADN de bactéries, lesquelles devraient permettre aux labos d’analyse de l’eau potable de procéder à des analyses plus spécifiques. » Donc, le secteur de l’eau potable continue à innover.

L’UGent se penche également sur l’application de la cytométrie en flux et en ligne dans d’autres domaines. « En effet, les applications envisageables ne se limitent ni à la filtration membranaire ni à l’eau potable », souligne De Gusseme. « La cytométrie en flux et en ligne ainsi que les algorithmes de détection rapide présentent également un intérêt certain pour la surveillance de circuits de refroidissement industriel et, par exemple, pour la gestion du dosage des biocides dans les châteaux d’eau de grande capacité. Associée ou non à la réutilisation des eaux usées, la surveillance des eaux de processus industriels apparaît sur l’écran radar. Nous nous livrons actuellement à des essais dans l’industrie alimentaire et des boissons avec le concours de la société Pantarein dans le cadre du projet RepEAT (VLAIO). Nous procédons aussi à l’évaluation d’une méthode de détection encore plus rapide de la légionelle. » Pour être à même de proposer professionnellement ces services à tous les secteurs liés à l’eau, l’entreprise dérivée KYTOS (https://kytos.be/) est en train de prendre son essor sous l’égide de l’UGent.