EP3983115A1 - Procédé membranaire de potabilisation d'eaux de surface sans ajout de séquestrant - Google Patents

Procédé membranaire de potabilisation d'eaux de surface sans ajout de séquestrant

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EP3983115A1
EP3983115A1 EP20731119.2A EP20731119A EP3983115A1 EP 3983115 A1 EP3983115 A1 EP 3983115A1 EP 20731119 A EP20731119 A EP 20731119A EP 3983115 A1 EP3983115 A1 EP 3983115A1
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EP
European Patent Office
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nanofiltration
water
carried out
membrane
concentrate
Prior art date
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Pending
Application number
EP20731119.2A
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German (de)
English (en)
Inventor
Philippe Sauvignet
Henrik Gunnar HELD
Uwe Sauer
Abdelkader Gaid
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Veolia Water Solutions and Technologies Support SAS
Original Assignee
Veolia Water Solutions and Technologies Support SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Veolia Water Solutions and Technologies Support SAS filed Critical Veolia Water Solutions and Technologies Support SAS
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Pending legal-status Critical Current

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    • C02F2301/00—General aspects of water treatment
    • C02F2301/08—Multistage treatments, e.g. repetition of the same process step under different conditions

Definitions

  • TITLE MEMBRANARY PROCESS FOR POTABILIZING SURFACE WATER WITHOUT ADDING SEQUESTRANT DOMAIN
  • the field of the invention is that of the purification of surface water.
  • the invention relates to a process for making surface water (water from rivers or lakes essentially) drinkable by filtration thereof using membranes.
  • activated carbon has a porous structure making it possible to retain a wide range of contaminants.
  • the presence of a high concentration of organic matter tends to quickly saturate the macropores and part of the mesopores with activated carbon.
  • the activated carbon reactor then requires greater dosages in order to treat the organic matter and produce quality water that meets standards.
  • these activated carbon processes are not suitable for treating water exhibiting a strong coloration, linked to a high concentration of humic substances, since they would generate prohibitive operating costs for this.
  • Membrane filtration processes are commonly used in the production of drinking water.
  • the membranes which they use have a porous structure which allows them to retain not only the suspended matter but also the dissolved matter.
  • microfiltration membranes have pores of 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m, those of ultrafiltration pores from 10 ⁇ m to 0.1 ⁇ m, those of nanofiltration have pores of a few nanometers and reverse osmosis membranes have a even denser structure. Reverse osmosis membranes thus make it possible to retain almost all of the solutes. They are widely used to produce drinking water from seawater or brackish water.
  • nanofiltration or reverse osmosis membrane filtration processes lead to water losses ranging between 15% and 30% and therefore to concentrates which cannot be rejected before specific treatment in the natural environment.
  • the filtered water obtained by nanofiltration or reverse osmosis membranes must undergo remineralization because passage through the membranes also removes bivalent ions (nanofiltration) and monovalent ions (reverse osmosis).
  • nanofiltration or reverse osmosis membranes used to make water drinkable have the drawback of clogging over time and requiring the use of chemicals, called anti-scalants or sequestering agents, to delay this process. .
  • These sequestering products can be harmful to the environment.
  • the surface water to be made drinkable has a more accentuated color than before.
  • This coloring which is linked the presence of humic substances in these waters, results from the degradation of plants in the area where surface water is collected. Global warming would be one of the causes of the accentuation of the color of these waters.
  • the current response is to increase the doses of chemicals used to reduce the organic matter content thereof, consequently leading to an increase in the production of sludge.
  • An objective of the present invention is to provide a process for making surface water drinkable by membrane means, making it possible to dispense with the use of any sequestering product.
  • An objective of the present invention is also to disclose such a drinking water process that does not require any remineralization of the treated water.
  • Another objective of the present invention is to disclose such a process for drinking water which makes it possible, in at least some of its embodiments, to also dispense with the use of any coagulating agent or any flocculating product.
  • Yet another object of the invention is to provide such a process which results in the production of little or no sludge.
  • Another objective of the present invention is to provide such a method making it possible to operate the membrane dies with higher hydraulic yields than those which can be obtained with the methods of the prior art.
  • said nanofiltration step is carried out on a nanofiltration installation comprising a single stage.
  • said nanofiltration step is carried out on a nanofiltration installation comprising two stages connected in series.
  • said method comprises a step of microfiltration or ultrafiltration of said water, prior to said nanofiltration step, said preliminary step being carried out on at least one microfiltration or ultrafiltration membrane having a breaking capacity of between 10 nm and 1 miti, said ultrafiltration step and said nanofiltration step being implemented with an overall conversion rate greater than 90%.
  • the process preferably comprises a sieving step provided upstream of said microfiltration or ultrafiltration step, said sieving step being carried out with a breaking capacity of between 20 miti and 200 miti and preferably between 20 miti and 50 miti, said process then being carried out in the absence of any addition of coagulant and / or flocculant.
  • the process according to the invention advantageously comprises an additional step of adsorption on activated carbon, said step allowing the reduction in the content of said water in micropollutants.
  • the present invention thus makes it possible to reduce the content of residual organic matter at the entry of the adsorption stage on activated carbon. The dosages of activated carbon are thus minimized while ensuring the elimination of residual organic matter and micropollutants.
  • all or part of said concentrate resulting from said nanofiltration step is conveyed to said step of adsorption on activated carbon.
  • the concentrate sent to the activated carbon adsorption stage can come from these two stages. This makes it possible to increase the overall hydraulic efficiency of the process.
  • nanofiltration produces a concentrate loaded with organic matter which is liquid waste. The recovery of part of this concentrated liquid and its treatment on activated carbon therefore makes it possible to reduce water losses and ultimately increase the overall efficiency of the installation.
  • the additional adsorption step is carried out in the presence of ozone.
  • the ozone intended to degrade the micro-pollutants adsorbed on the activated carbon, can thus be injected directly into a reactor accommodating the activated carbon or, according to an alternative, into the concentrate conveyed to the latter.
  • the nanofiltration membranes used are polyethersulfone membranes. This material is compatible with the use of high levels of free chlorine of between 200 ppm and 1000 ppm making it possible to limit the risk of biofouling which is often present due to the high content of natural organic materials in the water to be treated.
  • said nanofiltration step is carried out without any recirculation of concentrate at the top of the membranes.
  • the nanofiltration membranes used preferably have a salt retention rate of less than 15%, that is to say that they do not retain more than 15% of the salt concentration of the liquid that they filter. .
  • Nanofiltration membranes which only slightly retain salts will be chosen preferentially.
  • Nanofiltration membranes in particular those made of polyethersulfones, are generally marketed indicating a high salt retention rate. The inventors therefore had to carry out numerous tests before finding membranes suitable for this preferential variant of the invention, exhibiting a salt retention rate of less than 15%.
  • Figure 1 schematically represents a first embodiment of an installation for implementing the method according to the invention
  • FIG. 2 schematically represents a second embodiment of an installation for implementing the method according to the invention
  • FIG. 3 schematically represents a third embodiment of an installation for implementing the method according to the invention.
  • FIG. 4 diagrammatically represents a third embodiment of an installation for implementing the method according to the invention.
  • FIG. 5 is a curve showing the maintenance over time of the permeability of the nanofiltration membranes of the installation shown in FIG. 4;
  • an installation for implementing the method according to the invention comprises an inlet 1 of raw water to be treated, a screening module D comprising a sieve having a breaking capacity of 30 miti, a first membrane filtration module comprising an ultrafiltration or microfiltration membrane 0 and a membrane filtration module comprising a nanofiltration membrane 2 which filters the permeate originating from said ultrafiltration or microfiltration membrane.
  • an installation for implementing the method according to the invention comprises an inlet 1 of pre-treated water, a membrane filtration module comprising a nanofiltration membrane 2, a reactor containing activated carbon 3, and a filtered water outlet 4.
  • a pipe 5 for discharging the concentrate produced by the membrane is connected to a pipe 6 allowing part of this concentrate to be conveyed to a pipe 7 for discharging the permeate, this pipe conveying this mixture to the activated carbon reactor 3.
  • the nanofiltration is organized in a single stage.
  • the hydraulic efficiency of such a membrane die is 98.5%, corresponding to a water loss of only 1.5%.
  • the third embodiment of an installation for implementing the method according to the invention comprises two nanofiltration stages connected in series.
  • two membrane filtration units each comprise a nanofiltration membrane 2, 2a.
  • the concentrate produced by the first membrane 2 is partly treated by the second membrane 2a.
  • the other part is mixed with the permeate produced by this first membrane 2.
  • the permeate produced by the second membrane is mixed with the permeate produced by the first membrane.
  • the concentrate produced by the second membrane is, in part, evacuated by a pipe 5a towards the natural environment, while the other part of this concentrate is conveyed by a pipe 6a towards the pipe 7 for evacuating the permeate from said first membrane. in order to be mixed with this permeate.
  • the total permeate is then conveyed by a line 8 to a stage B of adsorption on activated carbon.
  • the hydraulic efficiency of such a membrane die is greater than 99%.
  • This installation implements a first micro-filtration step (M) followed by an ultrafiltration step (U) followed by a nanofiltration step.
  • microfiltration membranes have a cutoff of 0.5 ⁇ m.
  • Ultrafiltration membranes for their part have a cut-off threshold of 0.02 ⁇ m.
  • the nanofiltration step comprises two stages (NF 1, NF 2) connected in series. Each filtration stage is equipped with three nanofiltration membranes each having a membrane surface area of 37 m 2 . The installation thus develops a total nanofiltration surface area of 222m 2 .
  • the water after safety filtration during the microfiltration step (M), and after having been ultrafiltered during the ultrafiltration step (U), is conveyed to the first nanofiltration stage (NF1 ) according to a conversion rate 50%, which means that 100% of the volume of the water to be treated makes it possible to obtain 50% of the volume of permeate and 50% of the volume of concentrate.
  • the concentrate produced by this first filtration stage (NF1) is conveyed entirely to the second filtration stage (NF 2) to be filtered there according to a conversion rate of 90%, which means that 100% of the volume of concentrate of the first filtration stage makes it possible to obtain 90% of permeate volume and 10% of concentrate volume.
  • the concentrate produced by the second filtration step is evacuated through a pipe to the natural environment.
  • the permeates from the first and second nanofiltration stages are mixed.
  • the conversion rate of the nanofiltration step is 95%, which means that 100% of the volume of the water to be treated entering this step makes it possible to obtain 95% of the volume of permeate and 5 % volume of concentrate.
  • the nanofiltration membranes used are sulfonated polyethersulfone membranes marketed by the company Hydranautics under the name HydraCoreRe 50 LD. These membranes have a breaking capacity of 1000 Da.
  • This cut-off threshold of 1000 Da is in fact sufficiently fine to treat the organic matter and the color of the water but high enough not to change the mineralization of the water, eliminating the need to remineralize the water following the treatment.
  • the nanofiltration membrane used allows ions to pass, which helps to reduce the supply pressure and thereby reduce energy consumption.
  • the supply pressure is 10 bars (NF 90 at a temperature of 15 ° C and conversion rate of 85% and with three filtration stages), which results in an energy consumption of 365 W. h / m 3 of treated water.
  • the open nanofiltration membrane used in the context of the present invention having a cut-off threshold of 1000 Da, the supply pressure is only 5 bars (at a temperature of 15 ° C. and a conversion rate of 95%). Energy consumption is thus reduced to 150 Wh / m 3 of treated water.
  • Table 1 indicates the reductions in the parameters of color, turbidity and dissolved organic matter obtained thanks to the overall treatment process shown in Figure 1.
  • Table 2 below shows the water quality parameters before and after treatment by nanofiltration followed by the activated carbon reactor according to the invention using the installation shown in FIG. 2.
  • the permeability of the membranes was calculated by dividing the flow corrected at 20 ° C (expressed in L / hm 2 ) by the transmembrane pressure necessary for filtration.
  • the alkalinity levels of the water to be treated and of the nanofiltered water was regularly measured five times over the entire duration of the test and the rate of retention of alkalinity in these water by the filtration membranes was calculated.
  • the results of these measurements are shown in figure 7 on which the order of the five measurements taken is shown on the abscissa, the alkalimetric strength of the water expressed in French degrees (° f) is on the left ordinate and the reduction rate of alkalinity expressed in% is shown on the right ordinate.

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Abstract

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 (2) sur au moins une membrane de nanofiltration (2) ayant un pouvoir de coupure compris entre 800 Da et 2000 Da, préférentiellement entre 800 et 1000 Da, ladite étape de nanofiltration conduisant à l'obtention d'un perméat (7) et d'un concentrât (5), • 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.

Description

DESCRIPTION
TITRE : PROCEDE MEMBRANAIRE DE POTABILISATION D'EAUX DE SURFACE SANS AJOUT DE SEQUESTRANT DOMAINE
Le domaine de l'invention est celui de la potabilisation des eaux de surfaces.
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.
ART ANTERIEUR
Il 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 micropolluants, des eaux de surfaces.
Ainsi, il est connu des méthodes physico-chimiques mettant en œuvre 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 coût, 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.
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 micropolluants, qu'elles contiennent.
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 micropolluants 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 concentration élevée en substances humiques, car ils engendreraient pour ce faire des coûts d'opération prohibitifs.
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 mais aussi les matières dissoutes. Ainsi, les membranes de microfiltration ont des pores de 0,1 pm à 10 miti, celles d'ultrafiltration des pores de 10 nm à 0,1 miti, celles de nanofiltration des pores 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. Toutefois, ces procédés de filtration membranaires 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).
Par ailleurs, les membranes de nanofiltration ou d'osmose inverse utilisées pour potabiliser 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.
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 entraînant par conséquent une augmentation de la production de boues.
OBJECTIFS DE L'INVENTION
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 transport. Ils sont donc de plus en plus mal acceptés par le consommateur.
Un objectif de la présente invention est de proposer un procédé de potabilisation d'eaux de surfaces par voie membranaires permettant de s'affranchir de l'utilisation de tout produit séquestrant.
Un objectif de la présente invention est également de divulguer un tel procédé de potabilisation ne nécessitant aucune reminéralisation de l'eau traitée.
Un autre objectif de la présente invention est de divulguer un tel procédé de potabilisation qui permet, dans au moins certains de ses modes de réalisation, de s'affranchir également de l'utilisation de tout agent coagulant ou de tout produit floculant.
Encore un autre objectif de l'invention est de proposer un tel procédé qui conduit à la production de peu ou pas de boues.
Enfin, un autre objectif de la présente invention est de proposer un tel procédé permettant de faire fonctionner les filières membranaires avec des rendements hydrauliques supérieurs à ceux pouvant être obtenus avec les procédés de l'art antérieur.
EXPOSE DE L'INVENTION Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront 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 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 de 800 Da à 1000 Da, ladite étape de nanofiltration conduisant à l'obtention d'un perméat et d'un concentrât,
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.
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 membranaire 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= 10O QP/QF.
Selon une variante, ladite étape de nanofiltration est effectuée sur une installation de nanofiltration comprenant un seul étage.
Selon une autre variante, ladite étape de nanofiltration est effectuée sur une installation de nanofiltration comprenant deux étages montés en série.
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 miti, 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 miti et 200 miti et préférentiellement entre 20 miti et 50 miti, ledit procédé étant alors mené en l'absence de tout ajout de produit coagulant et/ou floculant.
Ces étapes de dégrillage et d'ultrafiltration 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.
Lorsque l'eau à traiter présente des micropolluants, 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 micropolluants. 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.
Préférentiellement, tout ou partie dudit concentrât issu de ladite étape de nanofiltration est acheminé vers ladite étape d'adsorption sur charbon actif. Lorsque le procédé est mis en œuvre avec une nanofiltration sur deux étages, le concentrât acheminé vers l'étape d'adsorption sur charbon actif peut provenir de ces deux étages. Ceci permet d'augmenter le rendement global hydraulique du procédé. En effet, la nanofiltration produit un concentrât 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.
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 concentrât acheminé vers celui-ci. 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.
Préférentiellement, ladite étape de nanofiltration est mise en oeuvre sans aucune recirculation de concentrât en tête de membranes. Dans ce cas, les membranes de nanofiltration utilisées présentent préférentiellement un taux de rétention des sels inférieur à 15 %, c'est-à-dire qu'elles ne retiennent pas plus de 15 % de la concentration en sels du liquide qu'elles filtrent.
A ce sujet, on notera que dans les procédés de potabilisation d'eau de l'état de la technique mettant en oeuvre une filtration membranaire par nanofiltration et/ou osmose inverse, il est classique de réacheminer une partie du concentrât produit en tête des membranes en vue d'augmenter le taux de conversion de celles-ci. Une telle recirculation a pour principal but d'évacuer les sels retenus par la surface des membranes afin d'éviter l'accumulation de ces sels à leur surface. En effet, une forte concentration de ces sels à la surface des membranes peut provoquer leur précipitation et altérer grandement les performances de filtration de celles-ci. De plus, lorsque le procédé est à l'arrêt, la présence d'un côté des membranes d'un perméat présentant une concentration faible en sels et de l'autre côté d'une couche limite très concentrée en sels soumet les membranes à une pression osmotique qui peut dépasser leur résistance mécanique et ainsi provoquer leur rupture.
En utilisant des membranes ne retenant que peu les sels, en pratique ne retenant pas plus que 15 % des sels, il est possible dans le cadre de la présente invention de s'affranchir d'une telle recirculation du concentrât en tête des membranes. Une telle absence de recirculation apporte d'importants avantages. En premier lieu, elle permet une économie de l'énergie nécessaire à la recirculation, et induit ainsi une réduction de la consommation énergétique du procédé pouvant aller jusqu'à 25%. En second lieu, elle permet une diminution de la surface membranaire nécessaire pour produire une même quantité d'eau. Sans recirculation l'eau n'a en effet pas besoin d'être re- filtrée. Ainsi, cette absence de recirculation du concentrât permet de réduire tant les coûts de construction des installations que les coûts de mise en oeuvre de celles-ci que les coûts d'opération.
Dans le cadre de la présente invention, on choisira donc préférentiellemnt des membranes de nanofiltration ne retenant que peu les sels. Les membranes de nanofiltration, notamment celles en polyéthersulfones, sont généralement commercialisées en indiquant un taux de rétention des sels élevées. Les inventeurs ont donc du effectuer de nombreux tests avant de trouver des membranes convenant pour cette variante préférentielle de l'invention, présentant un taux de rétention des sels inférieur à 15 %.
LISTE DES FIGURES
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 :
[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 ;
[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 ;
[Fig B] la figure 3 représente schématiquement un troisième mode de réalisation d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ;
[Fig 4] la figure 4 représente schématiquement un troisième mode de réalisation d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ;
[Fig 5] la figure 5 est une courbe montrant le maintien dans le temps de la perméabilité des membranes de nanofiltration de l'installation représentée à la figure 4 ;
[Fig 6] la figure 6 est une courbe concernant l'élimination des sels par les membranes de nanofiltration de l'installation représentée à la figure 4 ;
[Fig 7] la figure 7 est une courbe concernant l'abattement de l'alcalinité des eaux filtrées par les membranes de nanofiltration de l'installation représentée à la figure 4. DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION
En référence à la figure 1, 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 miti, un premier module de filtration membranaire comprenant une membrane d'ultrafiltration ou de microfiltration 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.
Le rendement hydraulique global d'une telle filière membranaire est supérieur à 90 %. Le dégrillage et la microfiltration ou ultrafiltration permettent un prétraitement des eaux en vue d'en éliminer la pollution particulaire 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.
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 concentrât produit par la membrane est reliée à une canalisation 6 permettant d'acheminer une partie de ce concentrât vers une canalisation 7 d'évacuation du perméat, cette canalisation acheminant ce mélange 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 membranaire est de 98,5 %, correspondant à une perte en eau de seulement 1,5 %. Selon la figure S, 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 S, deux unités de filtration membranaire comprennent chacune une membrane de nanofiltration 2, 2a. Le concentrât 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 perméat produit par la deuxième membrane est mélangé au perméat produit par la première membrane. Le concentrât produit par la deuxième membrane est, pour partie, évacué par une canalisation 5a vers le milieu naturel, tandis que l'autre partie de ce concentrât est acheminée par une canalisation 6a vers la canalisation 7 d'évacuation du perméat de ladite première membrane afin d'être mélangé à ce perméat. Le perméat total est ensuite acheminé par une canalisation 8 vers une étape B d'adsorption sur charbon actif. Le rendement hydraulique d'une telle filière membranaire est supérieur à 99%.
Selon la figure 4, un quatrième mode de réalisation d'une installation pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention est représenté.
Cette installation met en œuvre une première étape de micro-filtration (M) suivie d'une étape d'ultrafiltration (U) suivie d'une étape de nanofiltration.
Les membranes de microfiltration présentent un seuil de coupure de 0,5 pm. Les membranes d'ultrafiltration présentent quant à elle un seuil de coupure de pm 0,02 pm.
L'étape de nanofiltration comprend deux étages (NF 1, NF 2) montés en série. Chaque étage de filtration est équipé de trois membranes de nanofiltration présentant chacune une surface membranaire de 37 m2. L'installation développe ainsi une surface totale de nanofiltration de 222m2.
Dans cette installation, l'eau, après une filtration de sécurité lors de l'étape de microfiltration (M), et après avoir été ultrafiltrée lors de l'étape d'ultrafiltration (U) est acheminée vers le premier étage de nanofiltration (NF1) selon un taux de conversion de 50 %, ce qui signifie que 100% du volume de l'eau à traiter permet l'obtention de 50% de volume de perméat et de 50% de volume concentrât. Le concentrât produit par ce premier étage de filtration (NF1) est acheminé en totalité au second étage de filtration (NF 2) pour y être filtré selon un taux de conversion de 90 %, ce qui signifie que 100 % du volume de concentrât du premier étage de filtration permet l'obtention de 90% de volume perméat et de 10% de volume de concentrât. Le concentrât produit par la deuxième étape de filtration est évacué par une canalisation vers le milieu naturel.
Les perméats provenant des premier et deuxième étages de nanofiltration sont mélangés.
Au final, le taux de conversion de l'étape de nanofiltration est de 95%, ce qui signifie que 100% du volume de l'eau à traiter entrant dans cette étape permet l'obtention de 95 % de volume de perméat et de 5 % de volume de concentrât.
Dans ces quatre modes de réalisation, les membranes de nanofiltration utilisées sont des membranes en polyethersulfone sulfonés commercialisées par la société Hydranautics sous la dénomination HydraCoreRe 50 LD. Ces membranes ont un pouvoir de coupure de 1000 Da.
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 reminéraliser l'eau suite au traitement.
La membrane de nanofiltration utilisée laisse passer les ions, ce qui contribue à réduire la pression d'alimentation et de ce 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 entraîne une consommation d'énergie de 365 W. h/m3 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/m3 d'eau traitée. 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.
[TABLEAU 1]
Le tableau 2 ci-dessous présente les paramètres de qualité de l'eau avant et après traitement par nanofiltration suivi du réacteur de charbon actif selon l'invention grâce à l'installation représentée à la figure 2.
[TABLEAU 2]
Ces résultats démontrent l'efficacité du traitement selon l'invention pour abattre la matière organique et la couleur. La teneur en matière organique est réduite à plus de 65 %. La teneur en couleur est réduite à plus de 90%. On note ainsi la réduction des pertes en eau tout en maintenant une qualité d'eau produite conforme aux normes. Les pertes en eau peuvent être inférieures à 1% si la concentration en COD est par exemple inférieure à 4 mg/l en entrée de nanofiltration, ce qui permet de recycler la plus grande partie du concentrât.
L'installation représentée à la figure 4 a été testée sur une période de trois mois. Au cours de cette période aucun réactif chimique n'a été ajouté et les membranes n'ont bénéficié d'aucun nettoyage chimique ou mécanique.
Pour suivre l'évolution du colmatage des membranes de nanofiltration, leur perméabilité a été mesurée en continu. Dans ce cadre, la perméabilité des membranes a été calculée en divisant le flux corrigé à 20°C (exprimé en L/h.m2) par la pression transmembranaire nécessaire à la filtration.
Les résultats, tels que reportés à la figure 5, indiquent que la perméabilité des membranes de nanofiltration de l'installation a pu être maintenue sur l'intégralité de la période de test sans ajout de réactifs chimiques, comme notamment les anti- scalants, et sans nettoyages chimiques ou mécaniques des membranes. Ainsi, pendant cette période de trois mois le taux de conversion de l'installation a pu être maintenu entre 94 et 98 %.
Durant la période de test, soit 3 mois, la conductivité des eaux à traiter et des eaux nanofiltrées ont été mesurées et le taux de rétention des sels contenus dans ces eaux par les membranes de nanofiltration a été calculé. Les résultats de ces mesures sont reportés sur la figure 6 sur laquelle la date des tests figure en abscisses, la conductivité des eaux exprimées en pS/m figure en ordonnées gauche et le taux de rétention des sels exprimé en % figure en ordonnées droite. Ces résultats indiquent que les membranes de nanofiltration mises en oeuvre retiennent très peu les sels, en pratique environ seulement 4 %.
Egalement, les taux d'alcalinité des eaux à traiter et des eaux nanofiltrées a été régulièrement mesurés cinq fois sur toute la durée de test et le taux de rétention de l'alcalinité dans ces eaux par les membranes de filtration a été calculé. Les résultats de ces mesures sont reportés sur la figure 7 sur laquelle l'ordre des cinq mesures effectuées figure en abscisse, le titre alcalimétrique des eaux exprimé en degrés français (°f) figure en ordonnées gauche et le taux d'abattement de l'alcalinité exprimé en % figure en ordonnées droite. Ces résultats indiquent que les membranes de nanofiltration mises en oeuvre retiennent très peu l'alcalinité des eaux traitées, en pratique en moyenne à peine 5 %.

Claims

REVENDICATIONS
1. 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 concentrât, 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.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite étape de nanofiltration est effectuée sur une installation de nanofiltration comprenant un seul étage.
B. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite étape de nanofiltration est effectuée sur une installation de nanofiltration comprenant deux étages montés en série.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend au moins 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 miti , ladite étape d'ultrafiltration et ladite étape de nanofiltration étant mises en oeuvre avec un taux de conversion global supérieur à 90 %.
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 miti et 200 mih et préférentiellement entre 20 miti et 50 miti et ledit procédé étant alors mené en l'absence de tout ajout de produit coagulant et/ou floculant.
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 la teneur desdites eaux en micro-polluants.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que tout ou partie dudit concentrât issu de ladite étape de nanofiltration est acheminé vers ladite étape d'adsorption sur charbon actif.
8. Procédé selon la revendication 6 ou 7 caractérisé en ce que de l'étape supplémentaire d'adsorption est effectuée en présence d'ozone.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite au moins une membrane de nanofiltration est en polyéthersulfone.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite étape de nanofiltration est mise en oeuvre sans aucune recirculation de concentrât.
11. Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que ladite au moins une membrane de filtration présente un taux de rétention des sels inférieur à 15 %.
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