Quand on demande aux traiteurs d'eau quelle est la technologie qui a révolutionné leur métier ces vingt dernières années, ils sont unanimes : les membranes. Apparues dans les années 1980, ces feuilles ou ces tubes de polymères poreux ont révolutionné le traitement de l'eau et ont investi peu à peu tous les procédés : eaux potables, eaux usées, dessalement, recyclage... Leurs atouts ? Elles assurent un traitement constant, quelles que soient les variations des effluents en amont de la membrane. Contrairement aux procédés chimiques ou biologiques, dont les performances varient avec de nombreux paramètres, le coefficient de coupure, la sélectivité d'une membrane reste la même, quel que soit le type d'eau traité. En se substituant à plusieurs étapes de traitement (affinage par ozonation et traitement biologique pour l'unité de nanofiltration de Méry-sur-Oise), elles économisent de la surface au sol et autorisent une plus grande compacité des installations. Enfin, et c'est un argument de poids dans les pays anglo-saxons, elles ne font pas intervenir de produits chimiques rémanents. Il n'y a pas de traces de traitement dans l'eau filtrée. la voie pour 2010 Ce n'est pas un hasard si, en 2006, les technologies de filtration membranaire ont été retenues parmi les technologies clés pour 2010 dans une étude commandée par le ministère de l'Industrie à une centaine d'experts du monde de l'entreprise ! Dans le document de référence, ces technologies sont considérées comme l'une des voies pour atteindre les objectifs de la directive-cadre sur l'eau (DCE), plus particulièrement pour ce qui concerne la réduction des polluants microbiologiques et des pesticides. Pourtant, lorsqu'elles sont pour la première fois introduites dans des usines de traitement d'eau, vingt ans plus tôt, elles sont loin de remporter tous les suffrages. Dans les années 1980, ces membranes de filtration sont très chères et très fragiles. Elles se colmatent rapidement et rompent sous la charge de l'eau. En 1985, Lyonnaise des eaux se lance pourtant dans l'aventure avec l'installation d'une petite unité d'ultrafiltration pour l'eau potable à Douchy (Loiret), fonctionnant sur des membranes maison en polyacétate de cellulose. C'est la première unité de taille industrielle installée en France. Elle ne fait pourtant que 2 000 m3/j. Une goutte d'eau comparée à l'unité d'ultration filtration moscovite qui fournit aujourd'hui 250 000 m3/j. Pour aller plus loin dans la séparation, il faudra attendre plus de dix ans. C'est seulement en 1999 qu'OTV (Veolia) installe une immense unité de nanofiltration à Méry-sur-Oise (140 000 m3/j). Entre-temps, les membranes ont considérablement évolué. D'abord, les matériaux ont changé. Tous les grands fournisseurs de membranes (Dow, Zenon, Hydranautics, Mitsubishi, Puron, Toray) ont travaillé sur la nature et la structure de leurs membranes pour optimiser leurs performances et leur robustesse. Si l'acétate de cellulose a bien conservé sa place dans l'ultrafiltration, en particulier pour les eaux karstiques, elle est concurrencée par de nouveaux venus. Place aux polysulfones, moins perméables, mais plus résistantes aux lavages chimiques, aux textiles permettant de travailler dans les boues activées, aux polyamides pour l'osmose inverse modifiées pour empêcher le biofouling (l'accrochage et le développement d'un film bactérien), à la céramique résistant aux températures élevées, aux variations de pH, à la présence d'ozone... Le prix, lui aussi, a considérablement baissé. Notamment à cause de l'effet volume. Ou plutôt surface. En 2003 encore, un responsable de l'agence de l'eau Seine-Normandie affirmait que les membranes n'étaient pas encore assez répandues pour que le prix soit un critère de choix. Cinq ans plus tard, cette affirmation est caduque. performances Entre 1985 et aujourd'hui, la surface totale des membranes installées dans le monde a été multipliée au moins par cent, permettant aux prix de chuter. C'est vrai quel que soit le type de membrane, osmose inverse, ultrafiltration... « En vingt ans, les prix des membranes ont été divisés d'un facteur cinq à dix suivant le type de membrane, alors que leurs performances, et notamment les flux de filtration, eux, ne cessent d'augmenter à chaque génération », confirme Pierre Girodet, responsable du développement des technologies municipales chez Veolia Water. charbon actif Des matériaux et des performances vont désormais permettre de coupler les membranes à toutes sortes de procédés. Ainsi, chez Lyonnaise des eaux, « la grande avancée récente dans les traitements des eaux potables a consisté à adjoindre aux procédés d'ultrafiltration du charbon actif en poudre, calibré, permettant d'éliminer les molécules organiques et les pesticides. Sans colmater les membranes. Cette technologie, baptisée Cristal, est mise en oeuvre depuis une dizaine d'années », rappelle Daniel Villessot, directeur scientifique de Lyonnaise des eaux. Mais c'est dans le traitement des eaux usées que les progrès ont été les plus spectaculaires. « Dans ce domaine, une première rupture a eu lieu ces vingt dernières années, avec l'utilisation des biofiltres, des bactéries fixées sur des supports poreux. Parce qu'ils sont mieux adaptés aux variations de charges hydrauliques, donc aux réseaux unitaires, ils ont permis d'augmenter considérablement les performances sur le carbone et l'azote. Mais la rupture technologique la plus récente vient du couplage des procédés de boues activées avec des membranes, qui permettent d'installer des stations plus compactes et mieux intégrées dans le paysage », souligne Daniel Villessot. Dans ce procédé, maîtrisé par tous les grands du traitement de l'eau, une membrane de microfiltration est introduite dans le réacteur biologique. Elle remplace le décanteur et retient les boues et les matières en suspension. Le gain ? Une compacité sans égale. La surface au sol des équipements est diminuée d'un facteur cinq, au moins, par rapport à un décanteur et un traitement biologique. Du coup, les contrats pour ces bioréacteurs à membrane (MBR) se sont multipliés. Rien que dans le traitement des effluents industriels, Veolia Water en a installé une quinzaine en France, en Italie et en Allemagne ces quatre dernières années. De fait, la diversité des membranes proposées par les fabricants pour chaque grande « famille » (microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration et osmose inverse) permet maintenant de trouver la solution sur mesure pour chaque type d'eau. Veolia a d'ailleurs créé un centre d'expertise dédié, dont la tâche est justement de caractériser ces membranes pour proposer des solutions sur mesure. Elles sont testées par les ingénieurs sur une dizaine de pilotes. membranes Pourtant, malgré ces progrès, les membranes sont encore peu développées en France, alors qu'elles percent aux États-Unis : « La France est plus frileuse. Alors que plus d'un tiers des stations de traitement d'eau potable des États-Unis est déjà équipé de membranes, ce taux est encore sous la barre des 10 % dans l'Hexagone », affirme Pierre Girodet, chez Veolia Water. Selon lui, « les projets sont plus compliqués à monter. Pour chaque nouvelle installation membranaire, il nous faut l'agrément de l'Afssa, et comme chaque installation est unique, il nous faut un nouvel agrément à chaque fois ». Malgré sa frilosité, la France représente malgré tout, en 2006, le deuxième marché en Europe pour la filtration membranaire, toutes applications confondues, selon le ministère de l'Industrie. La microfiltration et l'ultrafiltration en représentent les trois quarts. Cet essor va-t-il se poursuivre ? Oui, à condition que les membranes répondent aux enjeux actuels et futurs du traitement de l'eau. Alors que, depuis le début du xxe siècle, les traitements de l'eau se sont focalisés sur la sécurité sanitaire et la lutte contre la présence de bactéries et de virus, « les préoccupations d'aujourd'hui portent sur les ressources (quantité et qualité) et notamment sur la présence dans les eaux brutes de nouveaux polluants, les perturbateurs endocriniens, sous-produits des molécules phytosanitaires ou pharmaceutiques », rappelle Daniel Villessot. En d'autres termes, les réserves d'eau potable s'épuisent ou sont de plus en plus polluées. En attendant que la DCE aboutisse et que son objectif, un retour à un bon état écologique de l'eau, soit atteint, les traitements doivent s'affiner et les économies d'eau sont de rigueur. « Sur le long terme, le recyclage ou la réutilisation de l'eau est incontournable », affirme Pierre Girodet. De fait, le reuse, la réutilisation des eaux usées pour d'autres applications (arrosage, circuits de refroidissement), connaît déjà une croissance de 20 % par an dans le monde. Quant au recyclage, il s'est essentiellement développé dans l'industrie, où des eaux de process tournent en circuit fermé. « Le grand enjeu des prochaines années est le suivant : comment arriver à un assainissement efficace, durable, à énergie positive », complète Daniel Villessot. Sur ce terrain, les membranes ont encore des marges de progrès. Diminuer la pression d'alimentation semble être l'un des enjeux actuels. L'idée est de diminuer la consommation d'énergie des procédés pour améliorer la performance des traitements. Filtration frontale Dans ce but, Lyonnaise des eaux travaille sur une technologie de filtration frontale. Un concept mis au placard ces dernières années car on redoutait le colmatage des membranes. Mais comme les performances, et en particulier la perméabilité des membranes, ont augmenté, cette idée est maintenant devenue accessible. Elle permettrait notamment d'économiser 30 % d'énergie par rapport à la filtration tangentielle.