COMPARAISON DES PERFORMANCES DE MEMBRANES MF-UF SUR UNE EAU DE SURFACE ETUDE DE JUILLET 2003 A AVRIL 2005. Rapport final

COMPARAISON DES PERFORMANCES DE MEMBRANES MF-UF SUR UNE EAU DE SURFACE ETUDE DE JUILLET 2003 A AVRIL 2005 Rapport final Réf : 01757 Mars 2006

Chemin de la Digue BP 76 78603 Maisons-Laffitte Cedex Tél. 01.34.93.31.31. Fax 01.34.93.31.10. COMPARAISON DES PERFORMANCES DE MEMBRANES MF-UF SUR UNE EAU DE SURFACE ETUDE DE JUILLET 2003 A AVRIL 2005 Rédacteur(s) : Aurélien Busnot (AR) Equipe de projet : Demandeur(s) : Aurélien Busnot (AR) Annie Tazi-Pain (AR) Agence de l eau Seine Normandie Direction technique Veolia Water

RESUME Les exigences en terme de qualité d eau potable étant de plus en plus élevées, l utilisation de membranes semble être une solution pour l amélioration des filières classiques de traitement d eau et notamment d eau de surface. Dans le cadre de ces évolutions, l étude effectuée sur le site d Annet sur Marne a consisté à tester et comparer différentes membranes de microfiltration et d ultrafiltration du marché, en vue d évaluer leurs performances en terme de qualité d eau produite mais aussi en terme de performances hydrauliques. Trois procédés ont été testés sur différentes étapes de la filière de traitement d Annet sur Marne : un procédé de microfiltration à membrane immergée (membrane A) et deux procédés d'ultrafiltration sous pression (membrane B et C). L évaluation de ces procédés a montré que la membrane A de microfiltration immergée avait de très bonnes performances hydrauliques et pouvait être utilisée directement sur l eau brute de la Marne. Les essais sur la membrane B d ultrafiltration n ont pas été très concluants, avec notamment un abattement virus inférieur à 4 log. Enfin, la membrane C d ultrafiltration a obtenu de bons résultats en termes de qualité d eau (abattement virus > 4 log) et de performances hydrauliques. Mots clés : Microfiltration, Ultrafiltration, Eau de surface, Virus. ABSTRACT The requirements in term of quality of drinking water being raised more and more, the use of membranes seems to be a solution for the improvement of the traditional treatment of water and in particular of surface water. Within the framework of these evolutions, the study carried out on the site of Annet on Marne consisted to test and compare various membranes of microfiltration and ultrafiltration of the market, in order to test their performances of quality of produced water but also in term of hydraulic performances. Three processes were tested on various stages of the treatment of Annet on Marne station : a process of immersed microfiltration membrane (membrane A) and two processes of ultrafiltration under pressure (membrane B and C). The evaluation of these processes showed that the membrane A (immersed microfiltration) had very good hydraulic performances and could be used directly on raw water of the Marne. The tests on the membrane B of ultrafiltration were not very conclusive, with in particular an abatement of virus lower than 4 log. Lastly, the membrane C of ultrafiltration obtained good results in terms of quality of water (abatement of viruses > 4 log) and hydraulic performances. Keywords : Microfiltration, Ultrafiltration, Surface water, Virus.

SOMMAIRE Introduction... 1 Partie I - Materiel et methode... 2 I. La filière de traitement de l usine d Annet sur marne... 3 I.1. Pompage en Marne... 5 I.2. Traitements... 5 II. Description des membranes... 6 II.1. La membrane A de microfiltration... 6 II.2. La membrane B d ultrafiltration... 6 II.3. La membrane C d ultrafiltration... 7 III. Description des pilotes... 8 III.1. Le pilote A de microfiltration (membrane A)... 8 III.2. Le pilote B d ultrafiltration (membrane B)... 9 III.3. Le pilote C d ultrafiltration (membrane C)... 11 IV. Paramètres suivis et méthodes analytiques... 12 IV.1. Paramètres de suivi des performances hydrauliques... 12 IV.2. Paramètres de suivi analytique... 13 V. Chronologie des essais... 14 VI. Qualité de l eau à traiter... 15 VI.1. L eau brute de la Marne... 15 VI.2. L eau décantée et l eau filtrée CAG... 15 Partie II - Résultats... 17 I. Performances hydrauliques des membranes... 18 I.1. Membrane A de microfiltration... 18 I.2. Membrane B d ultrafiltration... 24 I.3. Membrane C d ultrafiltration... 30 I.4. Conclusion sur les performances hydrauliques des trois membranes... 32 II. Qualité des perméats produits... 33 II.1. Les paramètres physico-chimiques... 33 II.2. Les paramètres microbiologiques... 35 II.3. Dopages virus... 35 II.4. Conclusion sur la qualité des perméats produits... 40 III. Tenue mécanique des membranes... 41 IV. Bilan de fonctionnement... 42 Conclusion... 43

CAP : charbon actif en poudre CAG : charbon actif en grain COT : carbone organique total EB : eau brute ED : eau décantée EF CAG : eau filtrée sur charbon actif en grain J : flux de filtration membranaire J 20 : flux de filtration membranaire corrigé à 20 C KD : kilodaltons kpa : kilo Pascal K T : coefficient de correction de température Lp : perméabilité Lp20 : perméabilité corrigé à 20 C Lpi : perméabilité initiale NEP : nettoyage en place NM : nettoyage de maintenance PDT : pressure decay test PTM : pression transmembranaire Q : débit de filtration RL : rétrolavage SDI : silt density index TAC : titre alcalimétrique complet TH : titre hydrotimétrique UF : ultrafiltration UV : ultraviolet LISTE DES ABREVIATIONS

INTRODUCTION OBJECTIFS L objectif de l étude était de tester et de comparer les performances hydrauliques et de qualité d eau de différentes membranes du marché ainsi que deux différentes configurations membranaires (immergée, sous pression) appliquées au traitement d une eau de surface, le but étant d évaluer la possibilité d intégrer un procédé membranaire au sein d une filière de traitement et de déterminer après quelle étape de celle-ci. Les essais réalisés avaient également pour objectif de suivre l évolution de l abattement virus des différentes membranes. Les essais ont été réalisés sur l usine d Annet sur Marne (77) traitant l eau de la Marne. Au cours de cette étude, une membrane de microfiltration (membrane A) et deux membranes d ultrafiltration (membrane B et C) ont été testées, sur trois pilotes différents. La configuration immergée était utilisée pour la membrane A de microfiltration et les membranes B et C d ultrafiltration étaient utilisées en configuration sous-pression. L'étude sur la membrane A s'est déroulée de septembre 2003 à mars 2005, la membrane B a été testée de juillet 2003 à juillet 2004 et la membrane C a fonctionné d octobre 2004 à mars 2005. CONTEXTE Les procédés membranaires de microfiltration et d ultrafiltration permettent d obtenir des eaux traitées d excellente qualité (élimination de turbidité et des bactéries) qui limitent les taux de désinfectant à utiliser améliorant les propriétés organoleptiques des eaux distribuées. Ces technologies qui favorisent le contrôle de la qualité microbiologique de l eau en réseau sont aujourd hui en plein développement et souvent en concurrence. LE SITE D ANNET SUR MARNE Une description de la filière de l usine de production d eau potable d Annet su Marne est présentée dans la première partie. Cette usine, d une capacité de production nominale de 130 000 m 3 / jour, est constitué d une filière de clarification classique (coagulation-floculation, décantation, filtration sur sable ou CAG) et possède une étape d ozonation et de chloration. L eau produite est distribuée sur une partie de l est parisien et notamment l aéroport de Roissy Charles De Gaulle. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 1

PARTIE I - MATERIEL ET METHODE ANJOU RECHERCHE Mars 2006 2

I. LA FILIERE DE TRAITEMENT DE L USINE D ANNET SUR MARNE La filière de potabilisation de l usine d Annet sur Marne est une filière physico-chimique classique pour le traitement d une eau de surface. Les membranes testées ont été alimentées par l eau provenant des différentes étapes de traitement de l usine avec pour objectif de minimiser le nombre d étapes de prétraitement avant la filtration membranaire. Cette filière, composée de 2 unités, est illustrée sur la figure 3. figure 1 : Filtre monocouche CAG figure 2 : Décanteur Actiflo ANJOU RECHERCHE Mars 2006 3

figure 3 : Schéma de principe de la filière de traitement de l usine d Annet sur Marne ANJOU RECHERCHE Mars 2006 4

I.1. POMPAGE EN MARNE L eau brute est pompée dans la Marne et dégrillée avant d être acheminée jusqu à l usine. Un pompage de secours est prévu au niveau de la base de loisirs de Jabelines (retenue d eau) en cas de pollution sur la Marne. L eau de la Marne est une eau de qualité variable en fonction des saisons présentant les caractéristiques suivantes : - Turbidité = 2 à 500 NTU - Température = 3 à 26 C - COT = 1.5 à 8 mg/l - Dureté (TH) = 20 à 34 F - TAC = 17 à 38 F - ph = 7.7 à 8.5 I.2. TRAITEMENTS Après un dégrillage et tamisage permettant l élimination des matériaux flottants, l eau de la Marne est soumise aux étapes de traitement suivantes : Pré-traitement : L eau brute est soumise à un pré-traitement en trois étapes : - une injection ponctuelle de charbon actif en poudre, afin d éliminer les pesticides, en cas de pollution ; - une pré-ozonation (évents de la post-ozonation), permettant un début d oxydation des matières organiques ; - une coagulation-floculation, en vue d agglomérer les matières en suspension. Deux coagulant différents sont utilisés en fonction de la saison : WAC HB pour la période hivernale et chlorure ferrique pour la période estivale. Un adjuvant de floculation est également utilisé : polymère anionique AN 905. Décantation : La clarification de l eau floculée est réalisée par cinq décanteurs Fluorapid et un décanteur Actiflo fonctionnant selon le principe de la floculation lestée. Dans ces ouvrages, l eau traverse un lit de micro-particules de sable fluidisé, puis des modules lamellaires inclinés qui éliminent les dernières particules en suspension. Le mélange formé par les particules décantées et par le micro-sable est extrait des décanteurs et acheminé vers des hydrocyclones. Ceux-ci dissocient les deux éléments : le sable est réinjecté dans les décanteurs, les boues sont évacuées. Filtration : On procède ensuite à une filtration sur sable et charbon actif en grain. Celle-ci vise à : - retenir les dernières matières en suspension ; - arrêter les pesticides qui auraient franchi la première étape ; - éliminer les matières organiques et les sels d ammoniaque, grâce à la biomasse bactérienne présente au sein des filtres. Ozonation : L eau filtrée passe ensuite dans des cuves où sont éliminées les bactéries et les virus. Cette élimination s effectue par une injection d air ozoné, régulé en fonction du temps de contact et de la concentration résiduelle (concentration résiduelle d ozone en moyenne à 0.6 g/m 3 ). Chloration déchloration : L eau est soumise à une forte chloration. Ce traitement permet de satisfaire la demande en chlore de l'eau et d éliminer l'ammoniaque en cas de température basse de l eau à traiter. Après un temps de contact de deux heures, l eau est déchlorée par ajout d anhydride sulfureux. Ce traitement évite les goûts désagréables dans l eau distribuée. Pompage et distribution : L eau ainsi traitée subit une légère rechloration (résiduel de chlore total de 0.7 g/m 3 ), lui permettant de conserver ses qualités bactériologiques au cours de sa distribution dans le réseau ANJOU RECHERCHE Mars 2006 5

II. DESCRIPTION DES MEMBRANES II.1. LA MEMBRANE A DE MICROFILTRATION La membrane de microfiltration A est une membrane immergée dont les caractéristiques sont les suivantes : Type de membrane Composition de la membrane Seuil de coupure Module Type de procédé membrane de microfiltration PVDF (polyvinylidène fluoride) 0.1µm fibres creuses membrane immergée à filtration frontale externe interne Plage de température > 0 à 40 C Plage de ph 2 à 10 PTM maximum Dose de chlore maximum pendant un nettoyage 85 kpa en filtration 120 kpa en rétrolavage 1000 mg/l tableau 1 : Caractéristiques de la membrane A La membrane est immergée verticalement dans une cuve à pression atmosphérique. Les fibres sont empotées dans une résine à chaque extrémité. Le perméat est aspiré uniquement par l extrémité haute des fibres qui ne sont pas bouchées. L extrémité basse du module est percé de trous permettant une injection bien répartie de l air entre les fibres durant la phase de rétrolavage. II.2. LA MEMBRANE B D ULTRAFILTRATION La membrane B d ultrafiltration est une membrane sous pression dont les caractéristiques sont présentées dans le tableau 2. Le module se présente sous la forme d un carter opaque. Les fibres sont empotées à l intérieur de ce carter, à l extrémité basse du module. Celles-ci sont disposées en forme de «U» et le perméat est récupéré à l intérieur des fibres, du côté de l empotage. Une injection d air est également possible à l intérieur du carter, permettant une agitation des fibres pendant le rétrolavage. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 6

Type de membrane Composition de la membrane Seuil de coupure membrane d ultrafiltration Polysulfone 100 KD (0.01µm) Module fibres creuses Type de procédé membrane sous pression à filtration frontale externe interne Plage de température >0 à 35 C Plage de ph 2 à 12 PTM maximum Dose de chlore maximum pendant un nettoyage 250 kpa 2000 mg/l tableau 2 : Caractéristiques de la membrane B II.3. LA MEMBRANE C D ULTRAFILTRATION La membrane C d ultrafiltration est une membrane sous pression dont les caractéristiques sont présentées dans le tableau 3. Les fibres sont empotées (mais pas bouchées) aux deux extrémités à l intérieur d un carter (fonctionnement sous pression). La filtration se fait de l intérieur vers l extérieur des fibres, le perméat étant récupéré par un tube collecteur et dirigé vers le haut du module. Lors des rétrolavages, l eau est envoyée vers le haut et le bas du module. Type de membrane Composition de la membrane Seuil de coupure Module Type de procédé membrane d ultrafiltration Polyéthersulfone 100-150 KD (0.025µm) fibres creuses membrane sous pression à filtration frontale interne externe Plage de température >0 à 40 C Plage de ph 2 à 13 PTM maximum 150 kpa Dose de chlore maximum pendant un nettoyage 100 mg/l tableau 3 : Caractéristiques de la membrane C ANJOU RECHERCHE Mars 2006 7

III. DESCRIPTION DES PILOTES Les trois pilotes sont équipés d un module de taille industrielle permettant un débit d eau traitée compris entre 1 et 5 m 3 /h en fonction de la technologie considérée. III.1. LE PILOTE A DE MICROFILTRATION (MEMBRANE A) figure 4 : Schéma de fonctionnement du pilote A L alimentation en eau du pilote peut se faire avec 3 eaux différentes : eau filtrée CAG, eau décantée Actiflo et eau brute de la Marne. Une injection d acide et de coagulant en ligne est possible en amont de la cuve membranaire, en fonction de la qualité d eau à traiter. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 8

La filtration s effectue à débit constant de l extérieur vers l intérieur des fibres, grâce à une pompe d aspiration située en aval de la membrane. Le perméat produit est en partie stocké dans une cuve en vue d effectuer des rétrolavages régulièrement. Les rétrolavages consistent à envoyer du perméat à contre-courant, de l intérieur vers l extérieur des fibres. Une aération est également effectuée au bas du module dans le but d agiter les fibres de la membrane. Ces rétrolavages permettent de décollement des particules accumulées sur la membrane lors de la filtration. Leur fréquence est de 30 min et leur durée totale d environ de 1.5 min. Des nettoyages préventifs sont effectués quotidiennement, avec de l hypochlorite de sodium (150-200 mgl Cl2). Ceux-ci comprennent une injection de perméat chloré à contre-courant, une filtration en boucle, un trempage, un rinçage et une purge à l égout de la solution. Ces nettoyages sont réalisés dans le but de limiter le colmatage en profondeur de la membrane. Un nettoyage en place (NEP) est effectué lorsque la membrane a perdu tout ou partie de ces performances hydrauliques initiales. Chaque séquence de NEP a une durée d environ 2h30 et les réactifs chimiques utilisés lors de ces nettoyages sont : hypochlorite de sodium et acide citrique. Un test d intégrité (ou PDT : Pressure Decay Test) est effectué régulièrement sur la membrane (plusieurs fois par semaine), dans le but de déceler d éventuelles casses de fibres. Ce test consiste à mettre l intérieur des fibres sous pression d air (1 bar, pression pour laquelle l air ne traverse pas la membrane : inférieure au point de bulle) et de mesurer la perte de pression sur 4 min. La mesure de la perte de pression, ainsi que l inspection visuelle de la membrane lors de ce test nous permettent de savoir si la membrane présente des fibres endommagées ou cassées. Une membrane intègre présente une valeur de PDT d environ 1 kpa/min, sur un PDT de 2 min. III.2. LE PILOTE B D ULTRAFILTRATION (MEMBRANE B) ANJOU RECHERCHE Mars 2006 9

figure 5 : Schéma de fonctionnement du pilote B La filtration s effectue à débit constant de l extérieur vers l intérieur des fibres, grâce à une pompe située en amont de la membrane, la membrane est donc mise sous pression. Le perméat produit est en partie stocké dans une cuve en vue d effectuer des rétrolavages régulièrement. Les rétrolavages sont effectués de la même manière que sur le pilote de microfiltration : envoi de perméat à contre-courant, de l intérieur vers l extérieur des fibres, avec une aération au bas des fibres pour les agiter. Notons que lors de chaque rétrolavage, une injection d hypochlorite de sodium s effectue à une dose d environ 10-15 mg/l de chlore libre. La fréquence des rétrolavages est de 45 min et leur durée de 40s. Le fonctionnement de cette membrane ne prévoit pas de nettoyages préventifs (étant donné l injection de chlore pendant les rétrolavages), mais ceux-ci peuvent s avérer nécessaire avec un autre réactif (acide) suivant la qualité d eau à traiter. Dans ce cas, la séquence comprend une préparation de la solution de nettoyage avec du perméat dans la cuve prévue à cet effet, une filtration en boucle, un trempage et un rétrolavage pour rinçage. Ces nettoyages sont réalisés à une fréquence d un par semaine dans le but de limiter le colmatage minéral lors du traitement d une eau entartrante. Un nettoyage en place (NEP) est effectué lorsque la membrane a perdu tout ou partie de ces performances hydrauliques initiales. Chaque séquence de NEP dure environ 2h30 et les réactifs chimiques utilisés lors de ces nettoyages peuvent être : soude caustique, hypochlorite de sodium, acide citrique, acide chlorhydrique. Un test d intégrité (ou PDT) est également effectué régulièrement sur la membrane (plusieurs fois par semaine), dans le but de déceler d éventuelles casses de fibres. Ce test suit le même principe que sur le pilote de microfiltration : mise sous pression d air (1 bar, pression inférieure au point de bulle) de l intérieur des fibres et mesure de la perte de pression sur 4 minutes. Le côté perméat des fibres est mis à pression atmosphérique par ouverture d une vanne. La mesure de la perte de pression, ainsi que l inspection visuelle (canalisation transparente côté perméat) lors de ce test nous permettent de savoir si la membrane présente des fibres endommagées ou cassées. Une membrane intègre présente une valeur de PDT d environ 1 à 2 kpa/min sur un PDT de 2 min. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 10

III.3. LE PILOTE C D ULTRAFILTRATION (MEMBRANE C) figure 6 : Schéma de fonctionnement du pilote C La filtration s effectue à débit constant de l intérieur vers l extérieur des fibres, grâce à une pompe située en amont de la membrane, la membrane est donc mise sous pression. Le perméat produit est en partie stocké dans une cuve en vue d effectuer des rétrolavages régulièrement. Les rétrolavages sont effectués par envoi de perméat à contre-courant, de l extérieur vers l intérieur des fibres. Par un jeu de vannes, la membrane est successivement rétrolavée en haut puis en bas. La fréquence des rétrolavages est variable en fonction de la qualité de l eau à traiter (de 20 à 45 min) et leur durée est de 25 s. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 11

Plusieurs nettoyages préventifs par jour sont possibles avec différents réactifs chimiques (Hypochlorite de sodium, soude caustique, acide), dans le but de limiter le colmatage en profondeur. La séquence de ces nettoyages comprend une rétrolavage au perméat avec injection en ligne du réactif, un trempage d une durée de 10 min et un rinçage par rétrolavage. Un nettoyage en place (NEP) est effectué lorsque la membrane a perdu tout ou partie de ces performances hydrauliques initiales. Chaque séquence de NEP dure de 2 à 4 h et les réactifs chimiques utilisés lors de ces nettoyages peuvent être : soude caustique, hypochlorite de sodium, acide citrique, acide chlorhydrique, acide sulfurique. Un test d intégrité est également effectué régulièrement sur la membrane (plusieurs fois par semaine), dans le but de déceler d éventuelles casses de fibres. Ce test, à la différence des 2 autres pilotes, est uniquement basé sur une observation visuelle. La séquence de ce test consiste en la mise sous pression d air (1 bar, pression inférieure au point de bulle) de l extérieur des fibres et observation visuelle du côté perméat (le côté perméat des fibres est mis à pression atmosphérique par ouverture d une vanne). Cette inspection visuelle (canalisation transparente côté perméat) nous permet de savoir si la membrane présente des fibres endommagées ou cassées. IV. PARAMETRES SUIVIS ET METHODES ANALYTIQUES IV.1. PARAMETRES DE SUIVI DES PERFORMANCES HYDRAULIQUES Le fonctionnement hydraulique des membranes est suivi par la mesure et l enregistrement en continu de différents paramètres : les pressions (amont et aval des membranes), le débit de filtration et la température. Ces valeurs sont utilisées pour calculer les paramètres de fonctionnement suivant : Le flux instantané J (l/h/m²) J Q 1000 = avec Q, débit de filtration en m 3 /h S et S, surface membranaire totale en m² Cet indice rend compte de la capacité de production d eau filtrée par unité de surface membranaire. Plus le flux est élevé et plus la membrane est rentable en terme de production. La perméabilité Lp (l/h/m²/bar) J Lp = avec la PTM, pression transmembranaire PTM 100 en kpa La perméabilité est un indice très utilisé pour caractériser les performances hydrauliques d une membrane. Le facteur de correction K T L évolution rapide de la température de l eau à traiter au cours des saisons peut être à l origine d écarts notables des résultats. Cela est notamment dû au fait que la viscosité de l eau augmente lorsque la température baisse. Le facteur de correction K T permet de recalculer les précédents indices pour une température ramenée à 20. K T = exp( 0,0239 ( T 20)) avec T la température en C ANJOU RECHERCHE Mars 2006 12

Le flux instantané corrigé à 20 C J 20 (l/h/m²) J = J 20 K T La perméabilité corrigée à 20 C LP 20 (l/h/m²/bar) Lp = Lp 20 K T La perméabilité relative à 20 C LP 20 (%) Lp rel = ( Lp20 / Lpi) 100 avec Lpi la perméabilité à 20 C de la membrane neuve IV.2. PARAMETRES DE SUIVI ANALYTIQUE Différents paramètres permettant d évaluer la qualité de l eau à traiter et produite sont mesurés en continu ou analysés ponctuellement (voir tableau 4). Paramètres Unité Méthode Eau alimentation Perméat Turbidité NTU Turbidimètre en continu plusieurs fois par semaine Absorbance UV 254 nm m -1 Spectrophotomètre 1/jour 1/jour Indice de colmatage SDI Méthode ASTM D 4189 1/jour 1/jour PH PH-mètre plusieurs fois par semaine occasionnellement TH Ca F Dosage par complexométrie à l'edta 1/semaine - TAC F Dosage ph-métrique par acide sulfurique N/50 1/semaine - Conductivité µs/cm Conductimètre 1/semaine - Eqilibre calcocarbonique Calcul par logiciel EQUIL 1/semaine - Bactériologie totale selon NF 1/semaine 1/semaine COT mg/l NF EN ISO 1484 (1997) 1/semaine 1/semaine Fer mg/l NF EN ISO 11885 (1998) 1/semaine 1/semaine Aluminium mg/l NF EN ISO 11885 (1998) 1/semaine 1/semaine Manganèse mg/l NF EN ISO 11885 (1998) 1/semaine 1/semaine Calcium mg/l NF EN ISO 11885 (1998) 1/semaine 1/semaine tableau 4 : Analyses effectuées sur l eau brute et l eau traitée L absorbance UV (m -1 ) : Cette mesure permet de suivre l évolution de la teneur en matière organique d une eau. L eau à analyser peut être filtrée sur un filtre (seuil de coupure de 0.45 µm) pour mesurer son absorbance dissoute. L indice de colmatage (SDI 15 = Silt Density Index) : Il permet de déterminer le pouvoir colmatant d une eau. L eau est filtrée à travers un filtre (seuil de coupure de 0.45 µm) sous une pression constante de 2.1 bars. Lors de ce test, deux mesures sont effectuées en vue de calculer l indice de colmatage : mesure du temps nécessaire à filtrer 500 ml d eau à T=0 min (on obtient T 0 ) et mesure du temps de filtration du même volume après 15 min de filtration continue sur le filtre (on obtient T 15 ). L indice est calculé de la manière suivante : SDI 15 100 T = (1 15 T 0 15 ) L indice varie entre 0 et 6,67. Plus il est élevé, plus l eau a un fort pouvoir colmatant. Pour des eaux fortement colmatantes, le SDI sur 15 minutes n est pas possible. Il est donc possible de calculer cet indice sur 5 ou 10 min (méthodes non normalisées). ANJOU RECHERCHE Mars 2006 13

Le THca (titre hydrotimétrique calcique) : Il permet de connaître la teneur en ions calcium de l eau. Le TAC (titre alcalimétrique complet) : Il rend compte de la teneur en ions hydroxyde (OH - ), carbonates (CO 3 2- ) et bicarbonates (HCO - 3). L équilibre calcocarbonique : il est déterminé grâce à 5 paramètres (ph, TH Ca, TAC, conductivité, température). Il permet de connaître le caractère entartrant ou agressive de l eau à traiter. V. CHRONOLOGIE DES ESSAIS Le tableau 5 présente la chronologie des essais réalisés sur les 3 membranes lors de l étude. La figure 7 présente la filière de traitement de l usine d Annet sur Marne de façon schématique et les différents piquages utilisés pour l alimentation des pilotes. Trois eaux différentes ont pu être utilisées : l eau filtrée CAG, l eau décantée Actiflo et l eau brute de la Marne. Préozonation + Injection CAP Coagulation Floculation Décantation (Fluorapid) Filtration CAG Post ozonation Prélèvement 3 Eau de Marne Prélèvement 2 Prélèvement 1 Refoulement Tamisage Chloration Préozonation + Injection CAP Coagulation Floculation Décantation (Actiflo) Filtration CAG ou bicouche Post ozonation Coagulant/floculant utilisé Novembre- Mars : WAC HB Avril - octobre : Chlorure ferrique Polymère AN 905 figure 7 : Schéma de la filière de traitement d Annet sur Marne Membrane A Membrane B Membrane C Dates 17/09/03-28/10/03 28/10/03-09/06/04 23/06/04-08/04/05 09/07/03-23/07/04 16/12/04-15/04/05 Eau alimentation EF CAG ED Actiflo EB EF CAG EF CAG Flux instantané (lmh) 47-63 80-90 47-60 44-55 100-150 Fréquence rétrolavages 30 min 30 min 30 min 45 min 45 min tableau 5 : Chronologie des essais sur les 3 membranes EB : Eau brute (Marne) ED Aciflo : eau décantée (décanteur Actiflo) EF CAG : Eau filtrée sur filtre charbon actif en grain ANJOU RECHERCHE Mars 2006 14

Remarque : Sur la membrane A, le flux instantané est supérieur avec l ED Actiflo qu avec l EF CAG. Ceci s explique par le fait que les essais en EF CAG ont été courts et n ont pas permis de définir le flux maximum utilisable avec cette eau d alimentation. VI. QUALITE DE L EAU A TRAITER VI.1. L EAU BRUTE DE LA MARNE Le graphique ci-dessous présente la turbidité de l eau de la Marne ainsi que les taux de traitement (coagulant et polymère anionique AN905) appliqués aux décanteurs pendant la période des essais. Deux courbes du taux de polymère sont présentées sur le graphique : - le taux de polymère des décanteurs Fluorapid alimentant les filtres CAG - le taux de polymère du décanteur Actiflo utilisé pour la membrane A sur la période présentée. Pendant la période des essais, la turbidité de l eau de la Marne est le plus souvent inférieure à 20 NTU. Nous avons toutefois enregistré des pointes au cours des hivers 2004 et 2005 qui ont atteint un maximum de 400 NTU courant janvier 2004. Dans ces conditions, les taux de coagulant (chlorure ferrique et WAC HB) sont identiques pour l Actiflo et le Fluorapid et compris entre 20 et 40 g/m 3 avec des pointes à 80 g/m 3 lorsque la qualité de l eau s est dégradée. Les taux de polymère sont compris entre 0.02 et 0.35 g/m3, en fonction de la qualité de l eau à traiter. 120 Période FeCL3 Période WAC HB Période FeCL3 Période WAC HB 0.50 Pointe à 400 NTU 0.45 Turbidité EB (NTU), Taux coagulant (g/m3) 100 80 60 40 20 Algues Lâcher barrage 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 Taux polymère (g/m3) 0.05 0 0.00 01-juil.-03 31-juil.-03 30-août-03 29-sept.-03 29-oct.-03 28-nov.-03 28-déc.-03 27-janv.-04 26-févr.-04 27-mars-04 26-avr.-04 26-mai-04 25-juin-04 25-juil.-04 24-août-04 23-sept.-04 23-oct.-04 22-nov.-04 22-déc.-04 21-janv.-05 20-févr.-05 22-mars-05 Turbidité eau brute Taux coagulant Taux polymère Fluorapid Taux polymère Actiflo figure 8 : Evolution de la turbidité de la Marne et des taux de traitement VI.2. L EAU DECANTEE ET L EAU FILTREE CAG La figure 9 présente la qualité de l eau filtrée CAG et de l eau décantée. L eau filtrée CAG est une eau de meilleure qualité que l eau décantée : turbidité entre 0.05 et 0.2 NTU, COT entre 1.1 et 2.7 mg/l. La turbidité de l eau décantée a varié entre 0.4 et 2 NTU (avec des pointes à 3 NTU) et le COT entre 1.3 et 3.6 mg/l, sur la période présentée. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 15

4.0 Période FeCL3 Période WAC HB Période FeCL3 Période WAC HB 2.0 3.5 Pointe EB à 400 NTU Lâcher barrage 1.8 1.6 Turbidité ED (NTU), COT (mg/l). 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 Algues 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.5 0.0 01-juil.-03 31-juil.-03 30-août-03 29-sept.-03 29-oct.-03 28-nov.-03 28-déc.-03 27-janv.-04 26-févr.-04 27-mars-04 26-avr.-04 26-mai-04 25-juin-04 25-juil.-04 24-août-04 23-sept.-04 23-oct.-04 22-nov.-04 22-déc.-04 21-janv.-05 20-févr.-05 22-mars-05 Turbidité EF CAG (NTU). 0.2 0.0 Turbidité Actiflo COT EF CAG COT ED Turbidité EF CAG figure 9 : Evolution de la qualité de l eau décantée et de l eau filtrée CAG ANJOU RECHERCHE Mars 2006 16

PARTIE II - RESULTATS ANJOU RECHERCHE Mars 2006 17

I. PERFORMANCES HYDRAULIQUES DES MEMBRANES I.1. MEMBRANE A DE MICROFILTRATION I.1.1. Résultats en eau filtrée CAG et eau décantée I.1.1.1 Qualité de l eau à traiter La figure 10 présente la qualité d eau d alimentation du pilote de microfiltration sur la période d essais de la membrane A. Le pilote a été alimenté avec de l eau filtrée sur CAG du 17 septembre au 27 octobre 2003, puis en eau décantée Actiflo jusqu au 30 avril 2004. Les eaux sont différentes en termes de qualité : - l EF CAG présente une turbidité très faible (<0.2 NTU), une valeur d absorbance UV254 comprise entre 1.8 et 3.2 m -1 et un SDI 15 compris entre 4 et 6. - l ED Actiflo est une eau plus chargée avec une turbidité variant de 0.4 à 1.5 NTU (pointes jusqu à 3 NTU), une teneur en absorbance UV254 entre 2 et 10 m -1 et un SDI 5 entre 14 et 19. 5.0 Période FeCL3 Période WAC HB Période FeCL3 20 4.5 18 4.0 16 Turbidité (NTU) 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 Eau filtrée CAG Eau décantée Actiflo 14 12 10 8 6 SDI, UV 254 (m-1), Température ( C). 1.0 4 0.5 2 0.0 06/09/03 26/09/03 16/10/03 05/11/03 25/11/03 15/12/03 04/01/04 24/01/04 13/02/04 04/03/04 24/03/04 13/04/04 0 Turbidité ED Actiflo UV254 ED Actiflo UV254 EF CAG SDI15 EF CAG SDI5 ED Température Turbidité EF CAG figure 10 : Qualité d eau d alimentation de la membrane A (EF CAG et ED Actiflo) Nous voyons sur ce graphique que l eau d alimentation du pilote a connu des variations parfois importantes en termes de qualité (notamment turbidité et absorbance UV254) et que les taux de traitement appliqués sur l usine ont également beaucoup évolué lors de cette période d essais : - variation du taux de coagulant entre 19 et 80 g/m 3 - variation du taux de polymère entre 0.02 et 0.35 g/m 3 Il est à noter que le coagulant utilisé sur le décanteur de l usine a également changé (WAC HB et FeCl 3 ), entraînant notamment une différence sur le ph de l eau d alimentation du pilote et donc sur le pouvoir entartrant de celle-ci. Nous verrons par la suite que ceci a eu un impact sur les performances hydrauliques de la membrane. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 18

I.1.1.2 Performances hydrauliques de la membrane A pour traiter une eau filtrée ou décantée 200 Période FeCL3 Période WAC HB Période FeCL3 3.0 EF CAG ED Actiflo 180 Nettoyage en place Perméabilité relative à 20 C (% Lpi), Température (x10 C), Flux (lmh). 160 140 120 100 80 60 40 20 Augmentation taux polymère Pas de vidange RL Turbidité EB : 400NTU Turbidité ED > 2 NTU Colmatage minéral 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 Indice de saturation 0 06/09/03 26/09/03 16/10/03 05/11/03 25/11/03 15/12/03 04/01/04 24/01/04 13/02/04 04/03/04 24/03/04 13/04/04 0.0 Perméabilité relative à 20 C Flux inst Température Indice saturation figure 11 : Evolution de la perméabilité relative à 20 C de la membrane A (avec EF CAG et ED) La figure 11 présente, pour les 2 premiers cycles de filtration, l évolution de la perméabilité relative (calculée à partir de la perméabilité initiale de la membrane Lpi), du flux instantané de fonctionnement et du pouvoir entartrant de l eau au cours du temps. Un nettoyage en place a été effectué sur 9 mois de fonctionnement (3 et 4 février 2004), après une baisse de 60 % de la perméabilité. Sur toute cette période d essais, la fréquence des rétrolavages était de 30 min et un nettoyage préventif au chlore était réalisé quotidiennement. Le pilote a tout d abord été alimenté en EF CAG (mi septembre à fin octobre 2003) puis a été alimenté en ED Actiflo en raison des bonnes performances hydrauliques de la membrane. Une augmentation progressive des flux de filtration à température ambiante (47 à 90 lmh) a été réalisée étant donné la stabilité des performances hydrauliques de la membrane. Les résultats montrent une évolution assez stable de la perméabilité de la membrane avec une fréquence de nettoyages en place (NEP) d environ 4 mois. Nous avons toutefois noté plusieurs chutes de perméabilité qui peuvent s expliquer par les phénomènes suivants : du 05/11 au 15/11/2003 : augmentation de la dose de la polymère (de 0.02 à 0.1 g/m 3 ) appliquée au décanteur Actiflo, pour une eau brute de faible turbidité (entre 9 et 15 NTU). du 06/12 au 09/12/2003 : disfonctionnement des séquences de rétrolavage (pas de vidange) le 14/01/2004 : dégradation rapide de l eau de la Marne (400 NTU) et de l eau décantée (jusqu à 3 NTU, COT jusqu à 3.3 mg/l), avec dans le même temps augmentation des taux de réactifs de prétraitement (coagulant et polymère). du 09/02 au 16/03/2003 : augmentation progressive du ph et élévation importante de l indice de saturation (jusqu à 0.95) provoquant un colmatage minéral. Explication confirmée par la stabilisation de la perméabilité après le changement de coagulant (passage au FeCl 3 qui a permis une baisse du ph et de l indice de saturation). ANJOU RECHERCHE Mars 2006 19

I.1.2. I.1.2.1 Résultats en eau brute de la Marne Qualité de l eau à traiter 24 120 22 110 20 Intempéries 100 Température ( C), Absorbance UV (m -1 ), COT (mg/l) 18 16 14 12 10 8 6 Dragage Marne 90 80 70 60 50 40 30 Turbidité (NTU) 4 20 2 10 0 20/6/04 10/7/04 30/7/04 19/8/04 8/9/04 28/9/04 18/10/04 7/11/04 27/11/04 17/12/04 6/1/05 26/1/05 15/2/05 7/3/05 27/3/05 0 COT Absorbance totale UV254 Absorbance dissoute UV254 Turbidité Température figure 12 : Evolution de la qualité d eau d alimentation de la membrane A (eau brute Marne) La figure 12 présente l évolution de la qualité d eau de la Marne au cours de la période juin 2004 à avril 2005. Le pilote A a été alimenté, sur cette période, par cette eau brute uniquement dégrillée et tamisée. La turbidité de l eau de la Marne, hors période de pointe, a évolué entre 5 et 20 NTU, avec une valeur de COT entre 1.7 et 2.5 mg/l, et une absorbance aux UV254 comprise entre 3.6 et 6 abs/m. Quatre périodes de pointes de turbidité ont été enregistrées : début novembre 2004, fin décembre 2004, début et fin février 2005. Au cours de ces périodes, la turbidité s est élevée jusqu à 120 NTU le 18/02/05. Ces augmentations de turbidité s accompagnent d une augmentation de la teneur en matière organique totale, traduit sur ce graphique par l absorbance UV à 254 nm (jusqu à 12 abs/m) et le COT (jusqu à 5.3 mg/l). Nous pouvons également noter une augmentation de la teneur en matière organique dissoute lors de ces évènements : augmentation de l absorbance UV à 254 nm de l échantillon dissous. Au cours de ces essais, la température de l eau a fortement évolué : entre 3 et 21 C. I.1.2.2 Performances hydrauliques de la membrane A pour le traitement d une eau brute Lors de l alimentation de la membrane A directement avec l eau brute de la Marne, une injection de coagulant en ligne (avec régulation du ph à 7) a été réalisée en amont de la membrane à des doses variant en fonction de la turbidité de l eau brute. Deux coagulants ont été testés : chlorure ferrique et WAC HB. Premier cycle de filtration La figure 13 ci-dessous présente les performances hydrauliques de la membrane A alimentée directement avec l eau brute de la Marne. Le flux de filtration est resté constant (flux de 47 lmh) et la fréquence des rétrolavages inchangée (30 min). ANJOU RECHERCHE Mars 2006 20

200 coagulant utilisé : FeCl3 coagulant utilisé : WAC HB 100 180 160 Flux inst = 47 lmh 1 RL / 30 min T C eau : entre 23 et 3.5 C Arrêt pilote Pas injection WAC HB Pas de vidange RL 90 80 Perméabilité relative à 20 C (% Lpi). 140 120 100 80 60 Pas de NM Cl2 70 60 50 40 30 Turbidité EB (NTU). 40 20 20 10 Pas injection WAC HB 0 20/06/04 10/07/04 30/07/04 19/08/04 08/09/04 28/09/04 18/10/04 07/11/04 27/11/04 17/12/04 06/01/05 0 Perméabilité relative à 20 C Turbidité EB figure 13 : Evolution de la perméabilité relative à 20 C de la membrane A (avec eau brute) Les performances hydrauliques de la membrane, dans ces conditions sont moins stables que pour le traitement d une eau décantée ou d une eau filtrée, mais un NEP après 6 mois de fonctionnement a été suffisant. Nous avons toutefois noté des chutes de perméabilité plus rapides : lors de l arrêt accidentel de l injection de coagulant (01/11/04) lors d un disfonctionnement des rétrolavages (13/11/04) lors d un disfonctionnement des nettoyages préventifs (27-28/11/04) lorsque la température de l eau à traiter diminue (à partir du 15/09/04) entraînant une augmentation de la viscosité de l eau A la suite de cette période de filtration, un nettoyage en place (NEP) a été réalisé, les résultats sont présentés au paragraphe I.1.3. Deuxième et troisième cycle de filtration La figure 14 présente les deuxième et troisième cycle de filtration en eau brute de la Marne. Une injection de WAC HB en ligne (avec régulation du ph à 7) a été réalisée pendant toute la période présentée. Deux flux différents ont été testés (47 et 60 lmh), sur différentes périodes. La fréquence des rétrolavages était de 30 min. Celle-ci a été variable en fonction de la turbidité pendant la période du 27/01 au 01/03/05 : - 30 min de 0 à 40 NTU - 20 min de 40 à 150 NTU - 15 min de 150 à 500 NTU ANJOU RECHERCHE Mars 2006 21

coagulant utilisé : WAC HB 200 Flux inst = 47 lmh Flux inst = 60 lmh Flux inst = 47 lmh Flux inst = 60 lmh Flux inst = 47 lmh Flux inst = 60 lmh 150 140 180 130 160 120 Perméabilité relative à 20 C (% Lpi). 140 120 100 80 60 Pas injection WAC HB NEP Pb de vidange RL 110 100 90 80 70 60 50 Turbidité EB (NTU). 40 40 30 20 20 10 0 0 03/01/05 13/01/05 23/01/05 02/02/05 12/02/05 22/02/05 04/03/05 14/03/05 24/03/05 03/04/05 13/04/05 Perméabilité relative à 20 C Turbidité EB figure 14 : Evolution de la perméabilité relative de la membrane A (avec eau brute) Sur les 3 mois de fonctionnement présentés (janvier à avril 2005), un NEP a été réalisé, avec une alimentation en eau brute et un flux de filtration entre 47 et 60 lmh. Les différentes baisses de perméabilité constatées sont dues à : une température très faible pendant ce cycle : entre 3.5 et 7.5 C un incident sur l injection de coagulant le 09/01/05 deux pointes de turbidité (75 et 100 NTU) un disfonctionnement des rétroalavages (04 08/03/05) De plus, nous pouvons noter que : l augmentation de la fréquence de rétrolavage (27/01 au 01/03/05) n a pas permis de limiter le colmatage lors de la pointe de turbidité. le flux de 60 lmh semble applicable lorsque la turbidité de l eau brute n est pas trop élevée (inférieure à 20 NTU). I.1.3. Les nettoyages en place Malgré les rétrolavages (toutes les 30 min) et les nettoyages de maintenance quotidiens (avec 150 à 200 mg/l de NaOCl), la perméabilité de la membrane diminue dans le temps et le colmatage ne peut être évité. Il s avère donc nécessaire d effectuer un nettoyage en place (NEP) lorsque que la membrane a perdu tout ou partie de ses performances hydrauliques initiales. 5 NEP ont été réalisés sur toute la durée de l étude (septembre 2003 à avril 2005). Les résultats sont reportés sur la figure 15 ci-dessous. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 22

200 180 173 178 191 Avant NEP NEP NaOCl à 35 C (400-500mg/l) NEP ac citrique 2% (ph=2) à T C ambiante 166 160 156 155 140 137 140 138 139 Perméabilité relative à 20 C (% Lpi) 120 100 80 60 100 117 115 112 111 79 54 68 105 40 20 0 Perméabilité@20 C 1 initiale NEP 1 : 3 2 février 2004 NEP 2 : 9 juin 3 2004 NEP 3 : 3 et 4 janvier 2005 NEP 4 :11-21 5 février 2005 NEP 5 :19 6 avril 2005 Après 4 mois EF CAG et ED Après 4 mois ED Après 5 mois EB Après 1 mois EB Après 2 mois EB figure 15 : Résultats des nettoyages en place sur la membrane A Chaque séquence de NEP dure environ 2h30 avec alternance de trempages et d aérations avec la solution de nettoyage. Après un fonctionnement de 4 mois, pour traiter une eau filtrée ou une eau décantée, les nettoyages en place conventionnels (chlore acide) sont suffisants pour régénérer la membrane. Lorsque le procédé est appliqué directement pour traiter une eau de surface coagulée, 2 séquences chlore-acide sont nécessaires pour restaurer les performances initiales de la membrane. I.1.4. Analyse microscopique des dépôts La membrane A étant une membrane immergée, le prélèvement de fibres est possible sans endommager la membrane. Le prélèvement, l analyse chimique et l observation microscopique de fibres avant et après un nettoyage en place (NEP 1 du 03/02/04) a été effectué pour évaluer l efficacité de celui-ci. Les résultats des analyses effectuées sont présentés dans le tableau 6. L observation microscopique est présentée sur la figure 16. Analyses chimiques Fibres avant nettoyage Fibres après nettoyage COT (µg/cm²) 0.85 1.42 Silicium (µg/cm²) 0 0 Aluminium (µg/cm²) 1.41 0.02 Fer (µg/cm²) 0.15 < LQ Calcium (µg/cm²) 0 0 Magnésium (µg/cm²) 0.42 0 Manganèse (µg/cm²) < LQ < LQ LQ : limite de quantification tableau 6 : Analyses chimiques des dépôts ANJOU RECHERCHE Mars 2006 23

figure 16 : Photos microscopiques des dépôts (gauche : avant nettoyage droite : après nettoyage) Ces résultats montrent : un dépôt à la surface de la membrane, avant nettoyage, composé de matières organiques et minérales l absence de dépôt minéral après le nettoyage Ces résultats confirment l efficacité de la séquence de nettoyage (notamment de la séquence acide) réalisée et présentée au paragraphe I.1.3. Remarque : Les mesures de COT sur le dépôt montrent une valeur supérieure après le nettoyage. Ceci peut s expliquer par le fait que le nettoyage a modifié la matière organique présente sur la membrane et l a rendu plus accessible à l analyse. Il faut également noter que les valeurs obtenues sont faibles, et par conséquent la marge d erreur élevée sur cet ordre de grandeur. I.2. I.2.1. MEMBRANE B D ULTRAFILTRATION Qualité de l eau à traiter L eau à traiter par la membrane B était l eau filtrée CAG de l usine. La figure 17 montre l évolution de la qualité de cette eau au cours des essais. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 24

7.0 Période FeCL3 PH EF CAG = 7.2-7.6 Période WAC HB PH EF CAG = 7.9-8.2 Période FeCL3 PH EF CAG = 7.2-7.6 0.70 6.0 0.60 SDI 15 Abbsorbance UV 254 (m-1), 5.0 4.0 3.0 2.0 Crue de la Marne Algues Lâcher barrage 0.50 0.40 0.30 0.20 1.0 0.0 01-juil.-03 21-juil.-03 10-août-03 30-août-03 19-sept.-03 09-oct.-03 29-oct.-03 18-nov.-03 08-déc.-03 28-déc.-03 17-janv.-04 06-févr.-04 26-févr.-04 17-mars-04 06-avr.-04 26-avr.-04 16-mai-04 05-juin-04 25-juin-04 15-juil.-04 Turbidité EF CAG (VTU) 0.10 0.00 UV254 EF CAG SDI 15 EF CAG Turbidité EF CAG figure 17 : Evolution de la qualité de l eau filtrée CAG L eau filtrée CAG est une eau de bonne qualité avec une turbidité faible : entre 0.05 et 0.2 NTU sur la période des essais (juillet 2003 à juillet 2004). Plusieurs variations de la qualité de l eau sont tout de même à noter : - De juillet à octobre 2003 : augmentation régulière de la teneur en matière organique traduite sur le graphique par l absorbance UV à 254 nm (1.7 à 3 abs/m). - Du 15/01/04 au 05/02/04 : augmentation très rapide de l absorbance UV254 (3.1 à 6.2 abs/m), due à une crue de la Marne. - du 15/03/04 au 15/04/04 : augmentation sensible du pouvoir colmatant de l eau (SDI 15 entre 5.2 et 6.3) et de la turbidité (entre 0.15 et 0.2 NTU). Dans le même temps, la présence d algues (jusqu à 240 000 n/ml le 26/03/04) a été décelée sur cette période, ceci pouvant expliquer ces augmentations. - Entre le 10 et le 18 mai 2004 : lâcher de barrage sur la Marne entraînant une augmentation de l absorbance UV 254 de l EF CAG (2.1 à 6.1 abs/m). Lors de ces essais en EF CAG, deux coagulants différents ont été utilisés sur le décanteur alimentant les filtres CAG de l usine : le WAC HB dont l utilisation implique un ph assez élevé de l EF CAG (entre 7.9 et 8.2) et le chlorure ferrique qui engendre un ph plus bas (entre 7.2 et 7.6). Notons que la turbidité de l EF CAG est légèrement supérieure lors de l utilisation de chlorure ferrique, celui-ci n étant pas utilisé à son ph optimum de coagulation I.2.2. Performances hydrauliques de la membrane B Pour la membrane B, trois modules différents ont été testés, ceux-ci ne répondant pas aux critères de qualité d eau traitée fixée, à savoir 4 log d abattement des virus. L évolution des performances hydrauliques de chacun des trois modules obtenues pour traiter l eau filtrée CAG est reportée sur les figures 18,19 et 20. Les perméabilités relatives présentées sont calculées à partir de la perméabilité initiale (membrane neuve) du module 1 et prise comme référence : Lpi. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 25

Résultats du module 1 120 35 NM 1 NM 2 NM 3 NM 4 NM 5 NM 6 100 NEP 30 Perméabilité relative à 20 C (% Lpi) 80 60 40 25 20 15 10 Température C 20 Flux inst = 44 lmh Fréquence RL chlorés : 45 min Fréquence NM acide : 1 / semaine Baisse aération de 4 à 2 Nm3/h 5 0 0 10-juil.-03 15-juil.-03 20-juil.-03 25-juil.-03 30-juil.-03 04-août-03 09-août-03 14-août-03 19-août-03 24-août-03 29-août-03 03-sept.-03 08-sept.-03 13-sept.-03 18-sept.-03 23-sept.-03 Perméabilité relative à 20 C Température figure 18 : Evolution de la perméabilité relative à 20 C de la membrane B (module 1) Avec un flux instantané de 44 lmh pour des températures de 17 à 27 C, un colmatage rapide de la membrane a été observé. La perméabilité a chuté de 73% en 2 mois de fonctionnement, malgré les rétrolavages chlorés et les nettoyages préventifs à l acide (NM) réalisés une fois par semaine. Suite à cette période d essais, il a été décidé de tester un autre module du même fabricant, du fait de l abattement virus non satisfaisant (voir paragraphe II.3) et des performances hydrauliques médiocres du module 1. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 26

Résultats du module 2 120 16 110 14 100 90 12 Perméabilité à 20 C (L/h/m²/bar) 80 70 60 50 40 Eau réseau EF CAG 10 8 6 Température C 30 4 20 10 Débit = 44 lmh Fréquence RL chlorés : 45 min Fréquence NM acide : 1 / semaine 2 0 0 7-oct.-03 8-oct.-03 9-oct.-03 10-oct.-03 11-oct.-03 12-oct.-03 13-oct.-03 14-oct.-03 15-oct.-03 16-oct.-03 17-oct.-03 18-oct.-03 19-oct.-03 20-oct.-03 21-oct.-03 Perméabilité relative à 20 C Température figure 19 : Evolution de la perméabilité relative à 20 C de la membrane B (module 2) Des résultats hydrauliques similaires au module 1 ont été obtenus avec ce module, la perméabilité ayant chuté de 30% après 10 jours de fonctionnement, à un flux instantané de 44 lmh pour une température comprise entre 11 et 14 C. Suite aux résultats non satisfaisants de l abattement virus de ce module (voir paragraphe II.3), un dernier module a été testé (module 3). ANJOU RECHERCHE Mars 2006 27

Résultats du module 3 100 Débit = 44-55 lmh Fréquence RL chlorés : 45 min Pas de NM acide 25 90 NEP Flux inst = 44 lmh Flux inst = 55 lmh Flux inst = 44 lmh Flux inst = 50 lmh 80 20 Perméabilité relative à 20 C (% Lpi) 70 60 50 40 30 Flux inst = 55 lmh 15 10 Température ( C) 20 5 0 05-janv.-04 15-janv.-04 25-janv.-04 04-févr.-04 14-févr.-04 24-févr.-04 05-mars-04 15-mars-04 25-mars-04 04-avr.-04 14-avr.-04 24-avr.-04 04-mai-04 14-mai-04 24-mai-04 03-juin-04 13-juin-04 23-juin-04 03-juil.-04 13-juil.-04 23-juil.-04 Augmentation UV254 Pas de chlore RL 10 Baisse aération RL 0 Perméabilité relative à 20 C Température figure 20 : Evolution de la perméabilité relative à 20 C de la membrane B (module 3) Malgré une perméabilité initiale du module 3 inférieure à celle du module 1 (70 % de Lpi), ses performances hydrauliques sont sensiblement meilleures que pour les autres modules. Les cycles de filtration entre 2 NEP ont été d environ 2-3 mois, avec un flux de filtration instantané entre 44 et 55 lmh, pour une température comprise entre 5 et 22 C. I.2.3. Les nettoyages en place Les figures 21 et 22 présentent les résultats des NEP réalisés sur les modules 1 et 3 de la membrane B d ultrafiltration. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 28

Perméabilité relative à 20 C (% Lpi) 120 100 80 60 40 100 36 40 Nettoyages à 30 C 15 min filtration 75-90 min trempage avant NEP soude = 0.8 g/l (ph = 12) NaOCl = 200 mg/l Cl 2 libre acide citrique = 1.5% (ph = 2) 51 64 70 soude = 4g/L (ph = 12.5) 60 47 46 65 soude 2 g/l + NaOCl ph = 12.5 83 89 acide oxalique à froid ph = 1.9 26 20 0 Perméabilité 1@ 20 C initiale NEP 1 : 10 septembre 2 2003 NEP 2 : 17 septembre NEP 3 : 2 octobre 2003 3 2003 4 Après 2 mois de fonctionnement Après 1 semaine de fonctionnement Après 2 semaines de fonctionnement figure 21 : Résultats des nettoyages en place sur la membrane B (module 1) 80 70 60 72 Nettoyages 15 min filtration 90 min trempage 90 min trempage avant NEP soude + NaOCl : 200 mg/l Cl 2 libre-ph=12.5 acide citrique = 1.5% (ph = 2) 74 à froid 61 70 Perméabilité relative à 20 C (% de Lpi) 50 40 30 29 51 55 41 20 10 0 Perméabilité @ 20 C NEP 1 : 25 mars 2004 1 initiale 2 NEP 1 : 213juillet 2004 Après 2 mois de fonctionnement Après 3.5 mois de fonctionnement figure 22 : Résultats des nettoyages en place sur la membrane B (module 3) Les résultats montrent que les nettoyages chimiques optimaux pour ces membranes sont une séquence soude + chlore, suivie d une séquence acide citrique, puisque dans ces conditions, la perméabilité mesurée des membranes après nettoyage est comprise entre 70% (après 2 mois de fonctionnement) et 90% (après 2 semaines de fonctionnement) de la perméabilité initiale. Les réactifs soude et chlore seuls ne sont pas très efficaces et demandent un nombre de séquences plus important pour obtenir les mêmes résultats. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 29

I.3. MEMBRANE C D ULTRAFILTRATION I.3.1. Qualité de l eau à traiter L eau à traiter par la membrane C était l eau filtrée CAG de l usine. La figure 23 présente l évolution de la qualité de cette eau au cours des essais. 7.0 0.70 6.0 0.60 Absorbance UV254 (m-1), SDI 15. 5.0 4.0 3.0 2.0 0.50 0.40 0.30 0.20 Turbidité (NTU) 1.0 0.10 0.0 15/12/04 04/01/05 24/01/05 13/02/05 05/03/05 25/03/05 SDI15 EF CAG UV254 EF CAG Turbidité EF CAG 0.00 figure 23 : Evolution de la qualité de l eau filtrée CAG Durant la période d essais de la membrane C, la qualité de l eau filtrée CAG a été assez constante : - turbidité entre 0.08 et 0.2 NTU - absorbance UV254 entre 1.3 et 2.5 abs/m - SDI 15 entre 4 et 6 I.3.2. Performances hydrauliques de la membrane C Lors des essais sur la membrane C d ultrafiltration, 2 modules ont été testés suite à des problèmes d intégrité sur le module 1. Il s est avéré par la suite que ce premier module n était pas neuf, expliquant les casses de fibres. Les résultats de la membrane C sont présentés ci-dessous. Module 1 Les conditions de fonctionnement de ce module sur la période présentée sont les suivantes : - flux instantané de 120 lmh - fréquence de rétrolavages : 45 min - fréquence des nettoyages préventifs NaOCl : 3 par jour - fréquence des nettoyages préventifs NaOH : 1 par jour - fréquence des nettoyages préventifs acide citrique : 1 par semaine Les perméabilités @ 20 C présentées sur les graphiques sont calculées à partir de la perméabilité initiale (données constructeur, membrane neuve) des modules et prise comme référence : Lpi. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 30

120 0.5 Disfonctionnement NM NaOCl et NaOH 0.4 100 0.4 Perméabilité relative à 20 C (%). 80 60 40 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 Turbifité (NTU) 20 Pas de NM NaOCl 0.1 0 0.0 11/12/04 16/12/04 21/12/04 26/12/04 31/12/04 05/01/05 10/01/05 15/01/05 20/01/05 25/01/05 30/01/05 04/02/05 09/02/05 14/02/05 19/02/05 24/02/05 01/03/05 06/03/05 Perméabilité relative à 20 C Turbidité EF CAG figure 24 : Evolution de la perméabilité relative à 20 C de la membrane C (module 1) Les résultats hydrauliques de cette membrane montre une évolution assez stable de la perméabilité à un flux élevé. Nous pouvons toutefois remarquer plusieurs chutes de perméabilité qui peuvent s expliquer par les évènements suivants : - Du 23 au 28/12/04 : pas de nettoyages préventifs NaOCl effectués, entraînant une chute très rapide de la perméabilité. - Du 4 au 8/02/05 : dysfonctionnement des nettoyages préventifs NaOCl et NaOH - Du 17/02 au 03/03/05 : baisse progressive de la perméabilité due à une dégradation de la qualité de l EF CAG (augmentation des SDI). Les deux chutes rapides de perméabilité dues aux dysfonctionnements des nettoyages préventifs ont été récupérées par une séquence de nettoyages préventifs NaOCl-NaOH-acide citrique. Suite à des problèmes d intégrité (voir paragraphe III), il a été décidé de changer de module pour vérifier les résultats obtenus avec le module 1. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 31

Module 2 Les conditions de fonctionnement du module 2 ont été les mêmes que pour le module 1. 140 0.70 120 Disfonctionnement NM NaOCl et NaOH 0.60 100 80 60 40 20 0 05/03/05 07/03/05 09/03/05 11/03/05 13/03/05 15/03/05 17/03/05 19/03/05 21/03/05 23/03/05 25/03/05 27/03/05 29/03/05 31/03/05 02/04/05 04/04/05 06/04/05 08/04/05 10/04/05 12/04/05 14/04/05 Perméabilité relative à 20 C (%). 0.50 0.40 0.30 0.20 Turbidité (NTU) 0.10 0.00 Perméabilité relative à 20 C Turbidité EF CAG figure 25 : Evolution de la perméabilité relative à 20 C de la membrane C (module 2) Durant la période d essais, la perméabilité du module 2 a été stable avec un flux de filtration instantané élevé (120 lmh). Un évènement de colmatage rapide a tout de même été constaté et peut être expliqué : - entre le 31/03 et le 02/04/05 : dysfonctionnement des nettoyages préventifs NaOCl et NaOH. Cette chute de perméabilité a été récupérée par une séquence de nettoyages préventifs NaOCl-NaOHacide citrique. I.4. CONCLUSION SUR LES PERFORMANCES HYDRAULIQUES DES TROIS MEMBRANES I.4.1. Performances de filtration Le tableau 7 résume les performances hydrauliques de chaque membrane, obtenues sur différentes eaux à traiter de la filière de l usine d Annet sur Marne. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 32

Eau à traiter Conditions de fonctionnement Membrane A Membrane B Membrane C Flux instantané maximum - 55 lmh 120 lmh Fréquence rétrolavage - 45 min 43 min EF CAG Fréquence nettoyages préventifs - rétrolavages chlorés 4 / jour Fréquence nettoyages en place - 2-3 mois Non déterminé Pertes en eau totale (au flux max) - 4.4% 2.3% Flux instantané maximum 90 lmh - - Fréquence rétrolavage 30 min - - Eau décantée Fréquence nettoyages préventifs 1 / jour - - Fréquence nettoyages en place 4 mois - - Pertes en eau totale (au flux max) 4.8% - - Flux instantané maximum 60 lmh - - Fréquence rétrolavage 30 min - - Eau brute Fréquence nettoyages préventifs 1 / jour - - Fréquence nettoyages en place 1 à 4 mois - - Pertes en eau totale (au flux max) 7.1% - - tableau 7 : Comparaison des performances hydrauliques des 3 membranes La membrane A, du fait de sa configuration immergée, peut fonctionner avec des charges en MES élevées et peut donc s affranchir des premières étapes de clarification, moyennant une diminution du flux de perméat et une augmentation de la fréquence des nettoyages en place. Notons que les performances optimales en EF CAG n ont pu être déterminées du fait de la courte période d essais avec cette eau d alimentation. La membrane B a présenté des durées de fonctionnement courtes entre 2 NEP malgré des flux de filtration faibles. La membrane C, du fait de sa configuration de filtration (interne externe), ne permet pas la filtration d une eau chargée en MES, mais présente l avantage d avoir des performances hydrauliques très stables avec des flux de filtration élevés. I.4.2. Efficacité des NEP Pour la membrane A, la séquence de NEP conventionnelle (chlore acide citrique) est bien adaptée pour récupérer les performances hydrauliques, lors du traitement d une eau filtrée ou d une eau décantée. En revanche, cette séquence ne suffit pas à recouvrir les performances hydrauliques de la membrane lors du traitement d une eau brute coagulée. Dans ce cas, deux séquences (chlore acide citrique) sont nécessaires pour restaurer les performances initiales de la membrane. Pour la membrane B, les performances hydrauliques ne sont pas très stables et un colmatage assez rapide est constaté malgré la bonne récupération de la perméabilité lors des NEP. La séquence de nettoyage la plus adaptée est la séquence soude + chlore, suivi d une séquence acide citrique Pour la membrane C, la séquence de NEP n a pu être déterminée étant données les performances hydrauliques stables de la membrane. II. QUALITE DES PERMEATS PRODUITS II.1. LES PARAMETRES PHYSICO-CHIMIQUES Le tableau 8 présente la qualité de l eau traitée par les 3 membranes, en ce qui concerne les paramètres physico-chimiques mesurés. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 33

Membrane A de microfiltration Paramètres mesurés Eau filtrée CAG Eau microfiltrée min max moy nbre valeurs min max moy nbre valeurs Absorbance UV 254 dissous 1.76 2.76 2.32 50 1.74 2.68 2.26 50 SDI 15min 4.35 6.17 5.29 26 1.88 3.76 3.40 24 Turbidité 0.33 0.07 0.10 en continu < 0.2 < 0.2 < 0.2 50 COT (mg/l) 1.5 1.7 1.63 4 1.6 1.8 1.7 3 Fer total (µg/l) < 5 < 5 < 5 1 - - - - Aluminium total (µg/l) < 20 < 20 < 20 1 - - - - Eau décantée Eau microfiltrée min max moy nbre valeurs min max moy nbre valeurs Absorbance UV 254 dissous 1.50 6.68 3.05 146 1.52 6.64 2.97 146 SDI 15min non mesurable 2.99 5.11 3.72 101 Turbidité 0.3 4.0 0.80 en continu < 0.2 < 0.2 < 0.2 90 COT (mg/l) 1.4 2.5 1.86 21 1.3 2.4 1.78 21 Fer total (µg/l) 10 710 200 12 < 5 < 5 < 5 5 Aluminium total (µg/l) < 20 4500 940 12 < 20 70 30 5 Eau brute Eau microfiltrée min max moy nbre valeurs min max moy nbre valeurs Absorbance UV 254 dissous 3.64 7.84 4.55 118 2.10 4.68 3.06 118 SDI 15min non mesurable 2.48 4.86 3.59 104 Turbidité 4.0 140 18.8 en continu < 0.2 < 0.2 < 0.2 100 COT (mg/l) 1.7 2.5 2.0 26 1.3 2.1 1.7 26 Fer total (µg/l) 70 1200 200.00 24 < 5 20 < 10 24 Aluminium total (µg/l) < 20 1000.0 200 24 < 20 30 < 21 23 Membrane B d'ultrafiltration Paramètres mesurés Eau filtrée CAG Eau ultafiltrée min max moy nbre valeurs min max moy nbre valeurs Absorbance UV 254 dissous 1.14 5.98 2.34 120 1.02 5.96 2.34 161 SDI 15min 3.45 6.30 5.08 139 2.36 5.05 3.27 107 Turbidité 0.05 0.11 0.35 en continu < 0.2 < 0.2 < 0.2 105 COT (mg/l) 1.3 2.3 1.55 24 1.0 2.1 1.48 24 Fer total (µg/l) < 5 30 < 10 17 < 5 < 5 < 5 14 Aluminium total (µg/l) < 20 70 < 30 14 < 20 60 < 25 14 Membrane C d'ultrafiltration Paramètres mesurés Eau filtrée CAG Eau ultafiltrée min max moy nbre valeurs min max moy nbre valeurs Absorbance UV 254 dissous 1.20 2.57 1.87 32 1.20 2.52 1.86 32 SDI 15min 4.1 6.1 5.3 15 2.4 3.5 3.1 17 Turbidité 0.06 0.42 0.12 en continu < 0.2 < 0.2 < 0.2 36 COT (mg/l) 1.4 2.4 1.7 11 1.3 2.2 1.46 11 Fer total (µg/l) < 5 10 < 10 4 < 5 < 5 < 5 4 Aluminium total (µg/l) < 20 < 20 < 20 4 < 20 < 20 < 20 4 tableau 8 : Qualité des perméats produits (paramètres physico-chimiques) La qualité d eau produite est proche pour les 3 membranes considérées, et est dépendante de la qualité de l eau d alimentation. Seul les éléments non-dissous sont retenus par les membranes de micro et d ultrafiltration : abattement de la turbidité, de la matière organique particulaire et des métaux sous forme particulaire. L abattement de la matière organique dissoute (UV254 dissous) par la membrane A lors de l alimentation en eau brute est due à la coagulation réalisée en amont de la membrane. Une différence peut cependant être noter sur la valeur du SDI 15 mesurée sur les perméats : le SDI 15 du perméat de la membrane C est inférieur à celui obtenu avec les 2 autres membranes. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 34

II.2. LES PARAMETRES MICROBIOLOGIQUES Membrane A de microfiltration Type de µorganismes Eau alimentation Eau microfiltrée min max moy nbre valeurs min max moy nbre valeurs Spores (nb/20ml) 0 170 25 48 0 0 0 41 Coliformes totaux (nb/ 100mL) 47 48000 2618 50 0 0 0 41 Coliformes thermotolérants (nb/100ml) 20 3900 389 100 0 0 0 36 Entérocoques (nb/100ml) 0 7700 309 49 0 0 0 40 µorganismes revivifiable à 22 C (nb/1ml) 42 27000 2022 50 0 22 1.4 41 µorganismes revivifiable à 36 C (nb/1ml) 22 21200 1016 0 0 5 0.7 40 Membrane B d'ultrafiltration Type de µorganismes Eau filtrée CAG Eau ultafiltrée min max moy nbre valeurs min max moy nbre valeurs Spores (nb/20ml) 0 12 1.2 26 0 0 0 26 Coliformes totaux (nb/ 100mL) 17 1400 192 25 0 0 0 25 Coliformes thermotolérants (nb/100ml) 0 380 33.6 25 0 0 0 25 Entérocoques (nb/100ml) 0 2 0.3 26 0 0 0 26 µorganismes revivifiable à 22 C (nb/1ml) 24 2430 375 25 0 80 5.8 26 µorganismes revivifiable à 36 C (nb/1ml) 0 1190 231 25 0 294 17.6 26 Membrane C d'ultrafiltration Type de µorganismes Eau filtrée CAG Eau ultafiltrée min max moy nbre valeurs min max moy nbre valeurs Spores (nb/20ml) 0 2 0.4 28 0 0 0 26 Coliformes totaux (nb/ 100mL) 23 4500 428 21 0 0 0 26 Coliformes thermotolérants (nb/100ml) 1 220 40 27 0 0 0 26 Entérocoques (nb/100ml) 0 49 2.6 28 0 0 0 26 µorganismes revivifiable à 22 C (nb/1ml) 0 650 211 26 0 123 11.9 26 µorganismes revivifiable à 36 C (nb/1ml) 0 300 126 26 0 82 9.3 26 tableau 9 : Résultats bactériologiques des 3 perméats Sur les 3 membranes testées, les abattements en germes indicateurs de contamination fécale ont été excellents (100% d abattement). Les 3 membranes remplissent donc bien leur rôle de désinfection. L abattement maximum en coliformes totaux constaté est de : - 4.7 log avec la membrane A (avec la valeur maximale en eau brute de 48000 UFP / 100 ml). - 3.1 log avec la membrane B (avec la valeur maximale en EF CAG de 1400 UFP / 100 ml). - 3.6 log avec la membrane C (avec la valeur maximale en EF CAG de 450 UFP / 100 ml) Notons que les valeurs en coliformes de l EF CAG sont faibles, ne permettant donc pas d obtenir un abattement élevé sur les membranes B et C. En revanche, nous pouvons noter la présence de microorganismes revivifiables dans les 3 perméats. Cela peut être dû à un problème de contamination des canalisations. II.3. DOPAGES VIRUS Afin d évaluer les performances des 3 membranes vis-à-vis de la rétention des virus, des essais de dopages MS2 phages ont été réalisés. Les MS2 phages ont été choisis pour leur petite taille et leur innocuité, comme le montre la figure 26. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 35

Echelle du risque pathogène élevé entérovirus rotavirus coronavirus HAV Calcivirus Norovirus Adénovirus faible Astrovirus Phage MS2 Réovirus Torovirus 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Taille (nm) figure 26 : Comparaison de la taille de différents virus II.3.1. Protocole Les essais ont été réalisés avec des membranes neuves et au cours de leur fonctionnement, l objectif étant de vérifier l impact du colmatage et des nettoyages chimiques vis-à-vis de la rétention virus. Les dopages ont été effectués selon le même protocole : Solution virale concentrée Entrée Solution dopée Module Module Sous pression Mélangeur statique Echantillon Entrée membrane Eau d alimentation Cuve tampon Sortie perméat Echantillon Perméat figure 27 : Schéma de principe du dopage virus ANJOU RECHERCHE Mars 2006 36

Protocole du dopage : Après une désinfection (50mg/L de chlore) et un rinçage complet du pilote, le dopage en MS2 phages est effectué par une injection en ligne sur l'eau d'alimentation du pilote. L'eau d'alimentation utilisée pour ces essais était l'eau filtrée CAG de l'usine dont les caractéristiques sont les suivantes : - ph entre 7.2 et 8 - conductivité = 570-580 µs/cm - turbidité = 0.1 0.2 NTU Quatre prélèvements sont effectués pour chaque test, sur une durée d'un cycle de filtration (entre 30 et 45 minutes) : 2 sur l'eau d'alimentation dopée et 2 sur le perméat de la membrane (en début et fin du cycle de filtration). Le flux de filtration au cours du dopage est le flux de fonctionnement «standard» de chaque membrane. Un test d intégrité est réalisé avant et après chaque dopage, pour s assurer de l absence de fibres cassées. Sur chaque membrane, différents dopages virus ont été réalisés : Membrane A 1- Dopage sur membrane neuve après 2 semaines de filtration. 2- Dopage après 4 mois de filtration, avant le NEP 1. 3- Dopage après le NEP 1. 4- Dopage après 19 mois de fonctionnement, avant le NEP 4. Membrane B 1- Dopage sur le module 1 membrane neuve. 2- Dopage sur le module 1 après le NEP 1. 3- Dopage sur le module 1 après le NEP 2. 4- Dopage sur le module 2 membrane neuve. 5- Dopage sur le module 3 membrane neuve. Membrane C 1- Dopage sur le module 1 membrane neuve. 2- Dopage sur le module 1 après 2.5 mois de fonctionnement. 3- Dopage sur le module 2 membrane neuve. II.3.2. Résultats des dopages II.3.2.1 Membrane A de microfiltration La figure 28 ainsi que le tableau 10 présentent les résultats des dopages effectués sur la membrane A. Dopage 1 Dopage 2 Dopage 3 Dopage 4 Solution dopée Perméat Abattement log Echantillon t = 5 min (UFP/ml) 1.3. 10 6 9.1. 10 3 2.1 Echantillon t = 20 min (UFP/ml) 7.7. 10 5 3.7. 10 3 2.3 Echantillon t = 5 min (UFP/ml) 1.1. 10 6 7.6. 10 3 2.2 Echantillon t = 20 min (UFP/ml) 1.0. 10 6 1.4. 10 4 1.9 Echantillon t = 5 min (UFP/ml) 1.4. 10 6 1.0. 10 4 1.2 Echantillon t = 20 min (UFP/ml) 1.2. 10 6 1.2. 10 4 1.0 Echantillon t = 5 min (UFP/ml) 7.8. 10 5 1.2. 10 4 0.8 Echantillon t = 20 min (UFP/ml) 9.8. 10 5 1.9. 10 4 0.7 tableau 10 : Résultats des dopages MS2 phages sur la membrane A ANJOU RECHERCHE Mars 2006 37

Dopage MS2phages : env. 1 10 6 UFP/mL Membrane A de microfiltration 4.0 Abattement phage MS2 (log) 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 Lp 20 = 135 % Lpi Lp 20 = 118 % Lpi Lp 20 = 180 % Lpi Lp 20 = 57 % Lpi 2.3 2.2 2.1 1.9 1.2 1.0 0.8 0.7 0.5 0.0 membrane neuve avant NEP 1 après NEP 1 avant NEP 5 (fin étude) Début cycle Fin de cycle figure 28 : Abattements logarithmiques des MS2 phages par la membrane A Les résultats montrent une rétention virus de 2 log pour la membrane neuve, qui a tendance à diminuer au cours du fonctionnement de la membrane, puisque nous n obtenons plus qu 1 log d abattement après un an de fonctionnement. Ceci peut être lié à un changement d état de surface de la membrane ou à une légère modification de son seuil de coupure. Notons toutefois que la sensibilité de la méthode est de plus ou moins 1 log. II.3.2.2 Membrane B d ultrafiltration Le tableau 11 et la figure 29 nous présentent les résultats des 4 dopages effectués sur la membrane B.. Solution dopée Perméat Abattement log Module 1 Module 2 Module 3 Dopage 1 Dopage 2 Dopage 3 Dopage 4 Dopage 5 Echantillon t = 20 min (UFP/ml) Echantillon t = 20 min (UFP/ml) Echantillon t = 20 min (UFP/ml) Echantillon t = 20 min (UFP/ml) Echantillon t = 20 min (UFP/ml) 1.8. 10 5 4.6. 10 5 4.7. 10 5 2.9. 10 5 1.1. 10 5 0.02 > 300 4500 885 1000 7.0 < 3.2 2.0 2.5 2.0 Echantillon t = 40 min (UFP/ml) Echantillon t = 40 min (UFP/ml) Echantillon t = 40 min (UFP/ml) Echantillon t = 40 min (UFP/ml) Echantillon t = 40 min (UFP/ml) 3.6. 10 5 4.0. 10 5 4.3. 10 5 2.7. 10 5 9.8. 10 4 0.02 > 300 4400 1480 1000 7.3 < 3.1 2.0 2.3 2.0 tableau 11 : Résultats des dopages MS2 phages sur la membrane B ANJOU RECHERCHE Mars 2006 38

Dopage MS2phage : env. 4 10 5 UFP/mL 9 Membrane B d'ultrafiltration Abattement phages MS2 (log) 8 7 6 5 4 3 2 1 Lp20 = 99% Lpi 7.0 7.3 Module 1 Module 2 Module 3 Lp20 = 48% Lpi Lp20 = 67% Lpi Lp20 = 89% Lpi Lp20 = 70% Lpi 3.2 3.1 Abattement inférieur 2.5 2.3 2.0 2.0 2.0 2.0 0 membrane neuve après NEP 1 après NEP 2 membrane neuve membrane neuve Milieu cycle Fin de cycle figure 29 : Abattements logarithmiques des MS2 phages par la membrane B Sur les 5 dopages effectués sur la membrane B, seul le premier test a présenté des résultats satisfaisants pour une membrane d ultrafiltration (4 log d abattement), malgré l utilisation de 3 modules différents. Les dopages 2 et 3 sur le module 1 ont été effectués alors que la membrane n était pas complètement intègre : fuite non détectée par le PDT mais mis en évidence lors de l observation du module. Sur les modules 2 et 3, les résultats de rétention virus sont médiocres (3 log), alors que les modules étaient neufs et n avaient subi aucune réparation de fibres. Les résultats d abattement virus sur la membrane B ne correspondent donc pas aux résultats attendus pour une membrane d ultrafiltration (4 log). Il a donc été décidé d arrêter les essais sur cette membrane. D autre part, ces essais ont mis en évidence : - que l intégrité d une membrane d ultrafiltration (en terme de virus) est difficile à vérifier avec un test classique de mise sous pression d air. - qu une membrane vendue sous le terme «ultrafiltration» ne correspond pas toujours au cahier des charges imposé en terme de rétention virus. II.3.2.3 Membrane C d ultrafiltration Le tableau 12 et la figure 30 présentent les résultats des 4 dopages effectués sur la membrane B. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 39

Module 1 Module 2 Dopage 1 Dopage 2 Dopage 4 tableau 12 : Solution dopée Perméat Abattement log Echantillon t = 10 min (UFP/ml) 4.55. 10 5 7.48 4.8 Echantillon t = 40 min (UFP/ml) 3.3. 10 5 8.3 4.6 Echantillon t = 10 min (UFP/ml) 5.15. 10 5 0.26 6.3 Echantillon t = 40 min (UFP/ml) 4.2. 10 5 0.56 5.9 Echantillon t = 10 min (UFP/ml) 3.95. 10 5 0.46 5.8 Echantillon t = 40 min (UFP/ml) 1.95. 10 5 0.84 5.4 Résultats des dopages MS2 phages sur la membrane C Dopage MS2phages : env. 4 10 5 UFP/mL Membrane C d'ultrafiltration Abattement MS2 phage ( log) 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 Début de cycle Fin de cycle Module 1 Lp20 = 40% Lpi Module 2 Lp20 = 100% Lpi 6.3 Lp20 = 100% Lpi 4.8 4.6 5.9 5.8 5.4 Hydracap Membrane 40 new neuve module Hydracap Après 40 after 2.5 mois 2 months of Hydracap Membrane 40 new neuve module 2 operation figure 30 : Abattements logarithmiques des MS2 phages par la membrane C Les 3 dopages effectués sur la membrane C (deux modules différents) ont présentés des résultats satisfaisants pour une membrane d ultrafiltration : > 4 log d abattement MS2 phages. Notons également une petite augmentation de l abattement sur le module 1 après 2 mois de fonctionnement, peut-être due au colmatage de la membrane. Cette membrane répond donc bien au cahier des charges en terme de rétention virus pour une membrane d ultrafiltration. II.4. CONCLUSION SUR LA QUALITE DES PERMEATS PRODUITS Les membranes de micro et d ultrafiltration permettent d obtenir une eau de qualité comparable, à l exception de la rétention des virus et du pouvoir colmatant de l eau (SDI). Pour ces paramètres, la membrane C d ultrafiltration obtient de meilleurs résultats. Ces membranes présentent l intérêt de produire une eau de qualité constante et désinfectée. Elles pourraient donc être intégrées : - dans une filière classique de potabilisation en tant qu étape d affinage - dans une filière possédant des membranes de nanofiltration, en tant qu étape de prétraitement. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 40

III. TENUE MECANIQUE DES MEMBRANES L intégrité des membranes est suivie grâce à un test de mise sous pression d air : PDT (Pressure Decay Test). Ce test consiste à pressuriser la membrane (1 bar) avec de l air pendant 4 min et à mesurer la chute de pression pendant cette durée. Les fibres cassées ou endommagées peuvent ainsi être décelées et réparées. Le nombre de fibres réparées sur chaque membrane au cours des essais est présenté dans le tableau 13. Membrane A Membrane B Membrane C Dates Nombres de fibres réparées Module Dates Nombres de fibres réparées Module Dates Nombres de fibres réparées 30/01/2004 2 16/07/2003 1 22/12/2004 8 06/02/2004 4 28/07/2003 1 31/12/2004 2 08/04/2004 2 05/08/2003 1 12/01/2005 5 14/06/2004 2 12/08/2003 1 21/01/2005 4 05/01/2005 4 05/09/2003 5 28/01/2005 2 20/04/2005 30 03/10/2003 1 29/01/2005 3 TOTAL 44 TOTAL 10 04/02/2005 1 Durée totale 20 mois Durée totale 3 mois 08/02/2005 5 Nombre par mois 2.2 Nombre par mois 3.3 16/02/2005 2 % du nombre total de fibres 0.46% Module 1 Module 2 Module 2 Module 1 % du nombre total de fibres 0.03% TOTAL 32 10/12/2003 7 Durée totale 2.75 mois 23/07/2004 10 Nombre par mois 11.6 TOTAL 17 % du nombre total de fibres 0.05% Durée totale 6 mois TOTAL 0 Nombre par mois 2.8 Durée totale 1.75 mois % du nombre total de fibres 0% Nombre par mois 0 % du nombre total de fibres 0% tableau 13 : Nombre de fibres réparées sur les 3 membranes Membrane A Le total des fibres réparées (pour cause de casse ou d endommagement) sur la membrane A est de 44 en 20 mois de fonctionnement, ce qui représente environ 0.5% de la surface totale de la membrane. L observation de ces résultats permet de faire plusieurs observations : - les réparations de fibres ont souvent été effectuées à la suite d un NEP : 6 février 2004, 14 juin 2004, 5 janvier 2005, 20 avril 2005. - le démontage et l observation du module à la fin de l étude a mis en évidence des problèmes d intégrité sur environ 30 fibres (fibres non cassées) Deux hypothèses peuvent donc être avancées pour expliquer ces problèmes d intégrité : - les NEP fragilisent les fibres et entraînent l endommagement de celle-ci - les problèmes d intégrité ont été cachés par le colmatage de la membrane : formation d un gâteau sur les fibres évitant la fuite d air pendant les tests d intégrité Membrane B Sur le module 1, 10 fibres ont été cassées en 3 mois de fonctionnement, représentant 0.03 % de la surface totale de la membrane. Le module 2, ayant très peu fonctionné, n a pas présenté de problème d intégrité. Sur le module 3, 17 fibres ont été cassées en 6 mois de fonctionnement (dont 7 sur le module neuf casse pendant le transport). Cela représente 0.05 % de la surface totale de la membrane. Membrane C ANJOU RECHERCHE Mars 2006 41

Le total des fibres cassées sur le module 1 s est élèvé à 32 en 2.75 mois de fonctionnement, représentant 0.05 % de la surface totale de la membrane. Le module 2 n a présenté aucun problème de casse de fibres en 1.75 mois de fonctionnement. L explication de cette différence peut s expliquer par le fait que le module 1 utilisé n était pas un module neuf. IV. BILAN DE FONCTIONNEMENT Un bilan de fonctionnement hydraulique des 3 membranes est présenté dans le tableau 15. Il résume les conditions de fonctionnement testées sur les 3 pilotes, en ce qui concerne les conditions de filtration et de nettoyages. Unités Membrane A Membrane B Membrane C Dates Eau d'alimentation EF CAG ED Actiflo EB EF CAG EF CAG Gamme de turbidité NTU 0.05-0.25 0.5-3 4-150 0.05-0.25 0.05-0.25 Flux inst. Filtration à T C l/h/m² 47-70 70-90 47-60 44-55 100-120 Fréquence rétrolavages min 30 30 30 45 45 Durée totale rétrolavages s 90 90 90 40 25 Durée injection perméat rétrolavages s 15 15 15 40 25 Réactifs Non Non Non NaOCl Non Concentration mg/l 15 Flux inst. Rétrolavage à T C l/h/m² 90-110 90-120 60-95 130-200 180-220 Nettoyages préventifs Réactif 1 NaOCl NaOCl NaOCl Ac citrique NaOCl Réactif 2 Ac citrique Ac citrique Ac citrique - NaOH Réactif 3 - - - - Ac citrique Concentration réactif 1 150 mg/l 150 mg/l 150 mg/l 1% 15 mg/l Concentration réactif 2 2% 2% 2% ph = 12.5 Concentration réactif 3 1% Fréquence NP 1 1 / jour 1 / jour 1 / jour Ponctuelle 3 / jour Fréquence NP 2 Ponctuelle Ponctuelle Ponctuelle - 1 / jour Fréquence NP 3 - - - - 1 / sem Durée totale NP 1 17 17 17 16 11 Durée totale NP 2 17 17 17-11 Durée totale NP 3 - - - - 11 Nettoyages en place Non déterminé Non déterminé Fréquence NEP 4 mois 1 à 4 mois 2 à 3 mois - Nombre de séquences par NEP 2 4 2 - Réactifs 1 NaOCl NaOCl NaOCl + NaOH - Réactifs 2 Ac citrique Ac citrique Ac citrique - Concentration réactif 1 400-500 mg/l 400-500 mg/l 200 mg/l + ph=12.5 - Concentration réactif 2 2% 2% 1% - Pertes en eau totale 4.8 à 8.8 % en fonction du flux inst. 4.4 à 5.3 % 2.7 à 2.8 % tableau 14 : Bilan de fonctionnement des 3 membranes La membrane C présente les meilleurs résultats de performances hydrauliques tant au niveau des flux de filtration que des pertes en eaux mais cela au prix d une fréquence de nettoyages préventifs élevée (4 NP par jour), et de la filtration d une eau peu chargée en MES (eau filtrée). L avantage de la membrane A se situe au niveau de sa capacité à filtrer une eau chargée en MES (eau décantée ou eau brute coagulée) mais avec des flux moins élevés et des pertes en eau plus importantes. Enfin la membrane C ne paraît pas très compétitive, en terme de performances, étant donné des flux de filtrations faibles avec l utilisation d eau faiblement chargée en MES. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 42

CONCLUSION Lors de cette étude, la comparaison de 3 membranes de fournisseurs différents a pu être étudiée : une membrane A de microfiltration immergée, et deux membranes d ultrafiltration sous-pression (membrane B et membrane C). Des différences notables ont été constatées au niveau des performances hydrauliques des membranes. La membrane A a présenté de bons résultats hydrauliques avec la possibilité de filtrer une eau chargée en MES (eau décantée ou eau brute coagulée) à un flux instantané compris entre 47 et 90 lmh. La membrane B a obtenu des résultats hydrauliques très limités : flux instantané maximum de 55 lmh sur une eau filtrée. Enfin, la membrane C a permis un fonctionnement à des flux élevés (120 lmh) sur eau filtrée, donc peu chargée en MES. Concernant la qualité d eau produite, la différence majeure constatée se situe au niveau de l abattement des virus. La membrane A de microfiltration présente un abattement des virus faible : < 2.5 log. La membrane B, présentée comme membrane d ultrafiltration, n a pas répondu au cahier des charges imposé, l abattement constaté étant inférieur à 4 log. En revanche, la membrane C a obtenu des résultats d abattement conformes à une membrane d ultrafiltration : > 4 log. L intégration de ces membranes au sein d une filière de potabilisation pourrait se faire en tant qu étape d affinage pour la membrane C, et la membrane A pourrait en plus remplacer les étapes de clarification. En ce qui concerne la membrane B, les résultats obtenus ne nous permettent pas de la qualifier pour une utilisation en tant que membrane d ultrafiltration. ANJOU RECHERCHE Mars 2006 43