Singapour cherche son inspiration au Plat Pays pour l’utilisation de l’eau

À Singapour, utiliser efficacement l’eau est d’une importance vitale. Pour y arriver, la cité-état se tourne régulièrement vers la Belgique et les Pays-Bas. Elle démarre ainsi, le 1^er mars, un projet de réutilisation de l’eau à travers un innovant bioréacteur à membrane de nanofiltration : selon les parties concernées, il permet de réutiliser à plus de 90% l’eau usée. Le Néerlandais Emile Cornelissen, professeur invité à l’Université de Gand (Universiteit Gent) intervient en tant collaborateur de recherche. Précédemment il avait suscité un intérêt certain avec sa plaidoirie pour une osmose inverse à un seul étage, une technologie prometteuse d’importantes économies d’énergie.

Singapour est une île disposant de peu de sources d’eau. Afin d’être moins dépendant du pays voisin, la Malaisie, la cité-état vise à devenir autonome en eau. Le Public Utilities Board (PUB), l’autorité nationale de l’eau de Singapour, a déterminé que c’était possible grâce à la mise en œuvre de quatre ressources. Par ordre d’importance, ces dernières sont : la désalinisation d’eau de mer, l’épuration d’eau usée (baptisée « NEWater »), la collecte locale d’eau de pluie, et en dernière instance, l’importation d’eau de Malaisie. D’ici 2060, 85% au moins de son eau devra provenir de l’eau de mer ou de l’eau usée. Ceci passe par l’utilisation de membranes. Mais il faut beaucoup d’énergie pour pomper l’eau à travers ces membranes. L’une des technologies qui se distinguent pour faire baisser ce besoin d’énergie est le bioréacteur à membrane (en anglais, Membrane bioreactor ou MBR). Mais toutefois un MBR très particulier.

MBR à nanofiltration

Le 1^er mars le SMTC (Singapore Membrane Technology Centre) démarrait un projet concernant la réutilisation de l’eau à l’aide d’un MBR à nanofiltration basse pression, mis au point à Singapour même. Le Prof. dr. ir. Emile Cornelissen, professeur invité à l’Université de Gand (Universiteit Gent) et chercheur scientifique en chef auprès de l’Institut de recherche néerlandais KWR, y participe en tant que collaborateur de recherche. « Un système à boues activées conventionnel comporte un bassin de post-sédimentation », commence-t-il. « Mais il peut être judicieux de remplacer ce système à boues activées et son bassin de sédimentation, par un MBR. Nous y envoyons les boues par pompage. En règle générale, les MBR utilisent des membranes à micro ou ultrafiltration. Elles permettent de retenir surtout les particules de boue et les très grosses macromolécules. Le reste se retrouve dans l’effluent : les molécules dissoutes plus petites telles que les sels bivalents, ainsi que les matières et micropolluants organiques tels que les médicaments et les pesticides. Donc, si nous voulons réutiliser cet effluent, pour des applications industrielles voire même pour l’eau potable, il faut un traitement complémentaire. Ce dernier peut être l’osmose inverse (en anglais : reverse osmosis ou RO), qui retient également les sels monovalents tels que le chlorure de sodium et les micropolluants organiques. »

Récemment, le SMTC a mis au point des membranes à nanofiltration capillaire, pouvant être utilisées dans les MBR. Emile Cornelissen : « À l’aide de techniques de pointe telles qu’un MBR suivi d’une RO, ou des boues activées conventionnelles suivies d’une micro ou ultrafiltration et d’une RO, le rendement typique est de 75% : on obtient 75% de perméat, donc de l’eau épurée, et 25% de matières concentrées. Ces 25% doivent ensuite être évacués. Mais lorsque l’on utilise le nouvel MBR à nanofiltration de Singapour, de nombreuses matières qu’un MBR normal laisserait passer, sont maintenant retenues. Ceci ne veut pas dire qu’il ne faille pas un post-traitement, mais ce dernier peut alors être effectué plus efficacement : avec un rendement de 90%. Il en résulte aussi qu’il faut moins d’énergie par litre d’eau produite. Au cours du projet que nous avons démarré en mars, nous tentons de répondre à différentes questions, telles que : Cet MBR innovant à nanofiltration permet-il de maîtriser l’encrassement des membranes ? Produit-on suffisamment d’eau ? Les sels bivalents et les micropolluants organiques, qui normalement ne seraient pas arrêtés par un bioréacteur à membrane à ultrafiltration, le sont-ils bien dans le cas présent ? Nous voulons également vérifier l’impact qu’a pour la biomasse dans le bassin à boues, le fait que toutes les matières, qui seraient rejetées avec l’effluent en cas de bioréacteur à membrane normal à micro ou ultrafiltration, aboutissent à présent, avec un MBR à nanofiltration, à nouveau dans la biomasse. Cette dernière en meurt-elle ? S’adapte-t-elle ? Décompose-t-elle les micropolluants ? Ce sont toutes des questions passionnantes. Il s’agit d’une recherche très appliquée, qui, à l’échelle de pilote, se propose de démontrer que le MBR à nanofiltration répond aux attentes. Si tout se passe comme espéré, nous disposerons d’un système robuste et relativement petit, offrant, en première instance surtout pour l’eau usée industrielle, d’importantes possibilités. »

RO à une seule étape

Emile Cornelissen a fait un exposé l’an dernier à Singapour au cours de la conférence « Engineering with Membranes ». Il y présentait ses recherches concernant un pré-traitement minimal pour la maîtrise de l’encrassement des membranes RO (osmose inverse). Cela a suscité beaucoup d’intérêt chez les Singapouriens et les autres personnes présentes. Et un projet pilote a également été démarré concernant cette technologie. Il aura lieu aux Pays-Bas. Il semble qu’il pourra également trouver une application à l’avenir dans cet état du sud-est asiatique. Pour être précis : ce projet n’a (pour le moment ?) aucun lien avec le projet pilote concernant les MBR à nanofiltration.

« Le monde est plein de systèmes conventionnels à boues activées et bassin de post-sédimentation ; les bioréacteurs à membrane (MBR) sont pour le moment en minorité », explique Emile Cornelissen. « Pour capturer les particules encore présentes dans l’effluent après la post-sédimentation, on utilise une membrane à micro ou ultrafiltration, et non un MBR. Lorsque la réutilisation de l’eau sera au point, on y adjoindra encore une membrane RO. C’est d’ailleurs ainsi qu’à Singapour on transforme l’eau usée en eau de qualité potable, la NEWater. Actuellement j’ai effectué, conjointement avec la société néerlandaise des eaux Oasen, une recherche concernant de l’eau de surface, mais cela aurait pu être aussi bien un effluent, et pour laquelle nous avons voulu concevoir autrement la RO, de façon à économiser une installation coûteuse de micro ou ultrafiltration. Nous avons conçu pour cela un système de RO à un seul étage. Et nous voulons le faire fonctionner d’une manière ou d’une autre. Nous avons quelques techniques en tête qui pourraient rendre cela possible. Par exemple, un pré-traitement avec un tamis bon marché, souvent métallique, qui coûte à peine quelques centimes d’euros. Il retiendrait les particules telles que les grains de sable qui pourraient endommager la RO dont les membranes sont habituellement enroulées en spirale. Ce qui contribuerait aussi à la réussite du projet, ce serait de laisser, pendant quelques minutes par jour ou par semaine, s’écouler vers le haut un flux d’air et d’eau qui nettoierait la membrane : ce serait l’AiRO ou ‘Air in Reverse Osmosis-methode’. La diminution des valeurs de flux contribuera également à un moindre encrassement des membranes : un flux moindre, c.-à-d. celui envoyé sous pression à travers la membrane, signifierait moins de saletés envoyées vers cette dernière et donc moins d’encrassement. En outre, nous étudions les possibilités d’autres éléments que les membranes enroulées en spirale habituelles. Nous disposons depuis d’une installation pilote à système RO à un seul étage. Nous pensons que le coût sera inférieur de 20% par rapport au scénario d’ultrafiltration-RO, principalement parce que cette étape d’ultrafiltration, coûteuse en énergie, n’est pas nécessaire avec une RO d’un étage. Et oui, les frais d’installation et d’entretien des deux méthodes sont repris dans l’analyse financière. »

Par Koen Vandepopuliere