Brevet FR3097220A1 — publié le 20201218

Description Titre de l'invention : PROCEDE MEMBRANAIRE DE POTABI- LISATION D'EAUX DE SURFACE SANS AJOUT DE SE- QUESTRANT DOMAINE 100011 Le domaine de l'invention est celui de la potabilisation des eaux de surfaces. 100021 Plus précisément, l'invention concerne un procédé de potabilisation des eaux de surfaces (eaux de rivières ou de lacs essentiellement) par filtration de celles-ci à l'aide de membranes. Technique antérieure 100031 11 existe dans l'art antérieur de nombreux procédés de traitement des eaux de surface en vue de leur potabilisation. L'opération de potabilisation consiste à abattre la teneur en matières en suspension, la turbidité, la teneur en matière organiques y inclus la couleur, et la teneur en micro-polluants, des eaux de surfaces. 100041 Ainsi, il est connu des méthodes physico-chimiques mettant en oeuvré des produits chimiques permettant d'agréger la matière organique pour faciliter son élimination par décantation. Ces produits chimiques, appelés coagulants ou floculants, constituent des consommables qui, outre leur cout, présentent l'inconvénient de ne pas être neutres pour l'environnement. Ces procédés chimiques permettent des rendements d'élimination de la matière organique qui dépassent rarement les 70% malgré les fortes doses de produit injecté. Ils s'accompagnent d'une production de boues importante. Par ailleurs, ils nécessitent un ajustement du pH et une reminéralisation des eaux en raison de leurs conditions de fonctionnement en milieu acide (pH 5,5 à 6). De plus, ces procédés ne traitent pas les micropolluants. [0005] D'autres procédés consistent à mettre en contact les eaux à potabiliser avec un matériau, tel que principalement du charbon actif, adsorbant la matière organique, notamment les micro-polluants, qu'elles contiennent. [0006] Ces procédés nécessitent toutefois l'utilisation de fortes concentrations de produits adsorbants, ce qui en fait des procédés chers. En effet, le charbon actif présente une structure poreuse permettant de retenir une large gamme de contaminants. Cependant, la présence d'une forte concentration en matière organique tend à saturer rapidement les macropores et une partie des mésopores du charbon actif Même si les micro-polluants continuent à être adsorbés sur le media, le réacteur à charbon actif nécessite alors des dosages plus importants afin de traiter la matière organique et produire une eau de qualité conforme aux normes. De plus, ces procédés sur charbon actif ne sont pas adaptés pour traiter les eaux présentant une forte coloration, liée à une 2 concentration élevée en substances humiques, car ils engendreraient pour ce faire des coûts d'opération prohibitifs. [0007] Les procédés de filtration membranaire sont couramment utilisés dans le cadre de la production d'eau potable. Les membranes qu'ils mettent en oeuvre ont une structure poreuse qui leur permet de retenir non seulement les matières en suspension niais aussi les matières dissoutes. Ainsi, les membranes de microfiltration ont des porcs de 0,1 Fun à 10 Ftm, celles d'ultrafiltration des porcs de 10 nm à0,1 Ftm, celles de nanofiltration des porcs de quelques nanomètres et les membranes d'osmose inverse présentent une structure encore plus dense. Les membranes d'osmose inverse permettent ainsi de retenir la quasi totalité des solutés. Elles sont abondamment utilisées pour produire de l'eau potable à partir d'eau de mer ou d'eaux saumâtres. [0008] Toutefois, ces procédés de filtration membranaircs de nanofiltration ou d'osmose inverse, conduisent à des pertes en eau se situant entre 15 % et 30 % et donc à des concentrats qui ne peuvent être rejetés avant traitement spécifique dans le milieu naturel. De plus, l'eau filtrée obtenue par les membranes de nanofiltration ou d'osmose inverse doit subir un reminéralisation car le passage à travers les membranes élimine également les ions bivalents (nanofiltration) et les ions monovalents (osmose inverse). [0009] Par ailleurs, les membranes de nanofiltration ou d'osmose inverse utilisées pour po- tabiliser l'eau présentent l'inconvénient de s'encrasser avec le temps et de nécessiter l'utilisation de produits chimiques, appelés anti-scalants ou séquestrants, pour retarder ce processus. Ces produits séquestrants peuvent être nocifs pour l'environnement. [0010] On notera aussi que dans certaines régions, les eaux de surfaces à potabiliser présentent une coloration plus accentuée qu'auparavant. Cette coloration, qui est liée à la présence de substances humiques dans ces eaux, résulte de la dégradation des végétaux se trouvant dans la zone où les eaux de surfaces sont captées. Le réchauffement climatique serait une des causes de l'accentuation de la coloration de ces eaux. A cette intensification de la couleur des eaux de surfaces, la réponse actuelle est d'augmenter les doses de produits chimiques utilisées pour abattre la teneur en matières organiques de celles-ci entrainant par conséquent une augmentation de la production de boues. OBJECTIFS DE L'INVENTION [0011] Sur le marché de l'eau potable, il existe un besoin grandissant pour des procédés ne mettant pas ou peu en oeuvre de produits chimiques. En effet, ces produits peuvent avoir un effet nocif pour l'environnement lors de leur utilisation et/ou lors de leur fabrication ou de leur transports. Ils sont donc de plus en plus mal acceptés par le consommateur. [0012] Un objectif de la présente invention est de proposer un procédé de potabilisation 3 d'eaux de surfaces par voie membranaires permettant de s'affranchir de l'utilisation de tout produit séquestrant. [0013] Un objectif de la présente invention est également de divulguer un tel procédé de po- tabilisation ne nécessitant aucune reminéralisation de l'eau traitée. [0014] Un autre objectif de la présente invention est de divulguer un tel procédé de potabi- lisation qui permet, dans au moins certains de ses modes de réalisation, de s'affranchir également de de tout agent coagulant ou de tout produit floculant. [0015] Encore un autre objectif de l'invention est de proposer un tel procédé qui conduit à la production de peu ou pas de boues. [0016] Enfin, un autre objectif de la présente invention est de proposer un tel procédé permettant de faire fonctionner les filières membranaircs avec des rendements hydrauliques supérieurs à ceux pouvant être obtenus avec les procédés de l'art antérieur. Exposé de l'invention [0017] Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaitront par la suite, sont atteints grâce à l'invention qui concerne un procédé de potabilisation d'eaux de surfaces visant à abattre leur teneur en matière en suspension, leur turbidité, leur teneur en matières organiques et leur couleur, caractérisé en cc qu'il comprend : [0018] une étape de nanofiltration desdites eaux sur au moins une membrane de nano- filtration ayant un pouvoir de coupure compris entre 800 Da et 2000 Da, préférentiellement de 800 Da à 1000 Da, ladite étape de nanofiltration conduisant à l'obtention d'un pertnéat et d'un concentrat, [0019] dans lequel ladite étape de nanofiltration est mise en oeuvre avec un taux de conversion supérieure à 95 %, [0020] ledit procédé étant mené en l'absence de toute étape d'ajout de produit anti-scalant et de toute étape de reminéralisation dudit pertnéat. [0021] Ainsi, l'invention propose d'utiliser une étape de nanofiltration avec un taux de conversion très élevé pour filtrer les eaux de surface, tout en ne mettant pas en oeuvre de produit séquestrant au cours du procédé. Le taux de conversion TC d'un traitement metnbranaire est le rapport du débit de perméat (QP) issu de ce traitement membranaire sur le débit d'eau entrante (QF) dans ce traitement membranaire : TC= 100 QP/QF. [0022] Selon une variante, ladite étape de nanofiltration est effectuée sur une installation de nanofiltration comprenant un seul étage. [0023] Selon une autre variante, ladite étape de nanofiltration est effectuée sur une ins- tallation de nanofiltration comprenant deux étages montés en cascade en série. [0024] Selon une variante préférentielle, ledit procédé comprend une étape de microfiltration ou d'ultrafiltration desdites eaux, préalable à ladite étape de nanofiltration, ladite étape préliminaire étant effectuée sur au moins une membrane de microfiltration ou d'ultrafiltration ayant un pouvoir de coupure compris entre 10 nm et 1 jum, ladite étape d'ultrafiltration et ladite étape de nanofiltration étant mises en oeuvre avec un taux de conversion global supérieur à 90 %. Dans ce cas, le procédé comprend préférentiellement une étape de tamisage prévue en amont de ladite étape de microfiltration ou d'ultrafiltration, ladite étape de tamisage étant menée avec un pouvoir de coupure compris entre 20 [Lm et 200 Fun et préférentiellement entre 20 iim et 50 jum, ledit procédé étant alors mené en l'absence de tout ajout de produit coagulant et/ou floculant. [0025] Ces étapes de &grillage et d'ultra ou microfiltration combinées à la nanofiltration permettent en effet d'abattre la teneur des eaux en matières en suspension et en particules colloïdales, en matières organiques, et notamment leur couleur, de façon à répondre aux normes en vigueur sans avoir à ajouter préalablement aux eaux des produits coagulant et/ou floculant pour former des flocs puis décanter ceux-ci dans un décanteur. [0026] Lorsque l'eau à traiter présente des micro-polluants, le procédé selon l'invention comprend avantageusement une étape supplémentaire d'adsorption sur charbon actif, ladite étape permettant l'abattement de la teneur desdites eaux en micro-polluants. La présente invention permet ainsi de réduire la teneur en matière organique résiduelle à l'entrée de l'étape d'adsorption sur charbon actif. Les dosages de charbon actif sont ainsi minimisés tout en assurant une élimination de la matière organique résiduelle et des micropolluants. [0027] Préférentiellement, tout ou partie dudit concentrat issu de ladite étape de nano- filtration est recirculé vers ladite étape d'adsorption sur charbon actif. Lorsque le procédé est mis en oeuvre avec une nanofiltration sur deux étages, le concentrat recirculé vers l'étape d'adsorption sur charbon actif peut provenir de ces deux étages. Une telle recirculation permet d'augmenter le rendement global hydraulique du procédé. En effet, la nanofiltration produit un concentrat chargé en matière organique qui est un déchet liquide. La récupération d'une partie de ce liquide concentré et son traitement sur charbon actif permet donc de réduire les pertes en eau et d'augmenter in fine le rendement global de l'installation. [0028] Selon une variante, l'étape supplémentaire d'adsorption est effectuée en présence d'ozone. L'ozone, destiné à dégrader les micro-polluants adsorbées sur le charbon actif, pourra ainsi être injecté directement dans un réacteur accueillant le charbon actif ou, selon une alternative, dans le concentrat acheminé vers celui-ci. [0029] Selon une variante de l'invention, les membranes de nanofiltration utilisées sont des membranes en polyéthersulfone. Ce matériau est compatible avec l'utilisation de forts taux de chlore libre compris entre 200 ppm et 1000 ppm permettant de limiter le risque de biofouling qui est souvent présent du fait de la forte teneur en matières organiques naturelles dans l'eau à traiter. LISTE DES FIGURES 100301 L'invention, ainsi que les différents avantages qu'elle présente seront plus facilement compris grâce à la description qui va suivre de modes de réalisation de celle-ci donnée à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins dans lesquels : [0031] [fig.1] la figure 1 représente schématiquement un premier mode de réalisation d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; [0032] [fig.2] la figure 2 représente schématiquement un deuxième mode de réalisation d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; [0033] [fig.3] la figure 3 représente schématiquement un troisième mode de réalisation d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION [0034] En référence à la figure I. une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comprend une arrivée 1 d'eau brute à traiter, un module de dégrillage D comprenant un tamis présentant un pouvoir de coupure de 30 pm, un premier module de filtration membranaire comprenant une membrane d'ultrafiltration ou de micro-filtration 0 et un module de filtration membranaire comprenant une membrane de nanofiltration 2 qui filtre le perméat provenant de ladite membrane d'ultrafiltration ou de microfiltration. [0035] Le rendement hydraulique global d'une telle filière membranaire est supérieur à 90 ck. Le dégrillage et la microfiltration ou ultrafiltration permettent un prétraitement des eaux en vue d'en éliminer la pollution particulairc ou colloïdale. Ces étapes permettent ainsi de s'affranchir de l'utilisation de tout produit coagulant ou floculant et de toute décantation et ou filtration sur matériau granulaire (sable, anthracite pierre ponce utilisé classiquement) des eaux en amont de l'étape de nanofiltration. La nanofiltration permet quant à elle un abattement des composés dissous comme les matières organiques dissoutes, et notamment de ceux responsables de la couleur des eaux. [0036] En référence à la figure 2, une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comprend une arrivée 1 d'eau prétraitée, un module de filtration membranaire comprenant une membrane de nanofiltration 2, un réacteur contenant du charbon actif 3, et une sortie d'eau filtrée 4. Une canalisation 5 d'évacuation du concentrat produit par la membrane est reliée à une canalisation de recirculation 6 petmettant de recirculer tout ou partie de ce concentrat vers une canalisation 7 d'évacuation du perméat acheminant le mélange constitué par celui-ci et le concentrat recirculé vers le réacteur de charbon actif 3. Selon ce mode de réalisation la nanofiltration est organisée en un seul étage. Le rendement hydraulique d'une telle filière 6 membranaire est de 985 %, correspondant à une perte en eau de seulement 1,5 %. [0037] Selon la figure 3, le troisième mode de réalisation d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comprend deux étages de nanofiltration montés en série. Selon cette figure 3, deux unités de filtration membranaire comprenant chacune une membrane de nanofiltration 2, 2a. Le concentrat produit par la première membrane 2 est pour partie traité par la seconde membrane 2a. L'autre partie est mélangée au perméat produit par cette première membrane 2. Le concentrat produit par la deuxième membrane est, pour partie, évacué par une canalisation 5a vers le milieu naturel, tandis que l'autre partie de ce concentrat est acheminée par une canalisation 6a vers la canalisation 7 d'évacuation du perméat de ladite première membrane afin d'être mélangé à ce perrnéat et de subir une adsorption sur charbon actif Le rendement hydraulique d'une telle filière membranaire est supérieur à 99% [0038] Dans ces trois modes de réalisation, les membranes de nanofiltration utilisées sont des membranes commercialisées par la société Hydranautics sous la dénomination HydraCoreRe 50 LD ayant un pouvoir de coupure de 1000 Da. [0039] Ce seuil de coupure de 1000 Da est en effet suffisamment fin pour traiter la matière organique et la couleur de l'eau mais suffisamment élevé pour ne pas changer la minéralisation de l'eau, supprimant la nécessité de rerninéraliser l'eau suite au traitement. [0040] La membrane de nanofiltration utilisée laisse passer les ions, ce qui contribue à réduire la pression d'alimentation et de cc fait à réduire de la consommation énergétique. En nanofiltration classique, la pression d'alimentation est de 10 bars (NF 90 à une température de 15 °C et taux de conversion de 85% et avec trois étages de filtration), ce qui entraine une consommation d'énergie de 365 W.h/m1 d'eau traitée. Avec la membrane de nanofiltration ouverte utilisée dans le cadre de la présente invention présentant un seuil de coupure de 1000 Da, la pression d'alimentation est de seulement 5 bars (à une température 15°C et un taux de conversion de 95%). La consommation d'énergie est ainsi réduite à 150 W.h/m'd'eau traitée. [0041] Le tableau 1 ci-dessous indique les abattements des paramètres de couleur, de turbidité et de matières organiques dissoutes obtenus grâce à la filière globale de traitement représentée à la figure 1. [0042] 7 [Tableaux 1] Paramètre Abattement Couleur réelle (Pt/Co) >97% Absorbance (UV 254 nm) >95 % COD >90% [0043] Le tableau 2 ci-dessous présente les paramètres de qualité de l'eau avant et après traitement par nanotiltration suivi du réacteur de charbon actif selon l'invention grâce à l'installation représentée à la figure 2. [0044] [Tableaux2] Débit entrée eau Débit concentrat Débit perrnèat produit :98,5 rn7h brute :100 m3)61 recirculé m'A Couleur me 30 480 REVENDICATIONS[Revendication I] Procédé de potabilisation d'eaux de surfaces visant à abattre leur teneur en matière en suspension, leur turbidité, leur teneur en matières organiques et leur couleur caractérisé en ce qu'il comprend : une étape de nanofiltration desdites eaux sur au moins une membrane de nanofiltration ayant un pouvoir de coupure compris entre 800 Da et 2000 Da, préférentiellement entre 800 Da et 1000 Da, ladite étape de nanofiltration conduisant à l'obtention d'un perméat et d'un concentrat, dans lequel ladite étape de nanofiltration est mise en oeuvre avec un taux de conversion supérieure à 95 %,ledit procédé étant mené en l'absence de toute étape d'ajout de produit anti-scalant et de toute étape de reminéralisation dudit perméat. [Revendication 2] Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite étape de na- nofiltration est effectuée sur une installation de nanofiltration comprenant un seul étage. [Revendication 3] Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite étape de na- nofiltration est effectuée sur une installation de nanofiltration comprenant deux étages montés en série. [Revendication 4] Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend une étape de microfiltration ou d'ultrafiltration desdites eaux, préalable à ladite étape de nanofiltration, ladite étape préliminaire étant effectuée sur au moins une membrane de microfiltration ou d'ultrafiltration ayant un pouvoir de coupure compris entre 10 nm et 1 [tm, ladite étape d'ultrafiltration et ladite étape de nanofiltration étant mises en oeuvre avec un taux de conversion global supérieur à 90 %. [Revendication 5] Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comprend une étape de tamisage prévue en amont de ladite de microfiltration ou d'ultrafiltration, ladite étape de tamisage étant menée avec un pouvoir de coupure compris entre 20 mn et 200 [tm et préférentiellement entre 20 [tm et 50 [tm et ledit procédé étant alors mené en l'absence de tout ajout de produit coagulant et/ou floculant., [Revendication 6] Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire d'adsorption sur charbon actif, ladite étape permettant l'abattement de le teneur desdites eaux en micro-polluants. [Revendication?] Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que tout ou partie dudit concentrat issu de ladite étape de nanofiltration est 9 recirculé vers ladite étape d'adsorption sur charbon actif. [Revendication 8] Procédé selon la revendication 6 ou 7 caractérisé en ce que de l'étape supplémentaire d'adsorption est effectuée en présence d'ozone. [Revendication 9] Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en cc que ladite au moins une membrane de nanofiltration est en polyéthersulfone.