Opération de Nanofiltration et osmose inverse

Si le seuil de coupure n’apparaît pas comme déterminant en termes de gains significatifs d’abattement de pollution lors des étapes de clarification, ces gains semblent par contre prépondérants quant à la qualité de la rétention mais aussi du contrôle de perméabilité des étapes de nanofiltration et d’osmose inverse placées en aval de la clarification. Ainsi des gains de perméabilité de 30% ont été obtenus en clarifiant des effluents par membranes UF 20 kDa au lieu de 100 kDa (Song et al., 2011). En effet, les petites molécules organiques présentes dans les solutions de digestat ont un impact conséquent sur la nature et les propriétés de la couche de polarisation en modifiant la pression osmotique et les charges ioniques des ions mais aussi la charge de surface des membranes (Thorneby et al., 1999 ; Her et al., 2007 ;Massé et al., 2010 ; Chon et al., 2012).

Il faut également noter l’intérêt potentiel d’une étape de nanofiltration en amont d’une osmose inverse sur les performances de celle-ci au travers d’une rétention quasi-totale des petites molécules organiques et d’une rétention plus ou moins importante des composés ioniques (Van der Bruggen et al., 2004 ; Kwon et al., 2008 ; Mrayed et al., 2011).

Au-delà de la qualité en amont de l’étape de clarification, l’opération de séparation est obérée lorsque les composés sont retenus par la membrane car ça conduit à la présence d’une couche de polarisation et d’une augmentation de la pression osmotique. On peut ainsi noter les rôles observés des grandeurs suivantes :

· La conductivité de la solution : cette grandeur traduit la concentration en élément ionique à l’origine principalement de l’importance de la pression osmotique, ainsi, plus la conductivité sera importante, plus la pression osmotique sera grande et plus il faudra travailler sous forte pression pour imposer la séparation. Dans le cas des digestats de lisiers d’élevage, les fortes conductivités initiales des suspensions sont un frein à l’obtention de FCV élevés et à l’intensification de la séparation, Masse et al., (2010), proposent ainsi une relation linéaire entre la pression osmotique et la conductivité du fumier.

· La pression transmembranaire doit toujours être supérieure à la pression osmotique. Lorsque cette dernière est faible, il est souvent observé une proportionnalité entre le flux et la PTM (Alvarez et al., 1997), à l’inverse, sur des solutions à forte conductivité, il peut être observé un arrêt de la perméation même sous des PTM élevées du fait de conductivités importantes de fumier et digestat, 60 à 102 mS.cm^-1 (Masse et al., 2010) (l’eau de mer présente une conductivité de l’ordre de 56 mS.cm^-1). Il faut également noter que si l’augmentation de pression se traduit initialement par une augmentation de flux, elle se traduit aussi par un apport plus important de composés en surface membranaire et ainsi par une augmentation (i) de la concentration en surface de membrane et (ii) de la pression osmotique qui progressivement s’opposent à cette augmentation de flux mais aussi à la qualité du perméat (Gong et al., 2013). Il peut ainsi exister une plage de pression optimale (Wu et al., 2004 ; Choi et al., 2008 ; Abidi et al., 2011 ; Paugam, 2004 ; Tsuru et al., 1998 ; Xu et Lebrun, 1999).

· Le pH apparaît aussi comme une grandeur importante au regard de l’équilibre acido-basique des ions de types polyatomiques (NH4⁺, PO4^3-, CO3^2-…). Ainsi Masse et al., (2008), montrent qu’en OI, pour une solution initiale de lisier à 3 gN.L^-1, que la rétention de l’Azote dépasse 97% pour un facteur de concentration de 4 si le pH est diminué à 6,5 ; le maintien de ce niveau de rétention à pH 7 n’est possible que pour un FCV de 2. A l’inverse, Jiao et al., (2004) montrent que la rétention de la fraction organique est plus importante en augmentant le pH. Au regard des conductivités des lisiers et digestats d’élevage, il apparaît toutefois difficile d’envisager des modifications du pH des solutions qui se traduiraient dans tous les cas par une augmentation plus importante de la conductivité sauf à provoquer des précipitations (Migliorini et Luzzo, 2004 ; Masse et al., 2008), cette correction de pH devrait alors être envisagée au stade de la clarification. · La température est signalée comme ayant un effet négatif sur la rétention en augmentant

la diffusivité des constituants (Song et al., 2011) mais un effet positif sur le flux de perméation (Alvarez et al., 1998 ; Thorneby et al., 1999).

· Enfin, comme pour la clarification, la mise en œuvre d’une séparation avec des contraintes tangentielles en surface membranaire est favorable à la perméation (Tsuru et

al., 1998 ; Xu et Lebrun, 1999 ; Paugam, 2004 ; Abidi et al., 2011 ; Song et al., 2011) en

diminuant l’intensité de la couche de polarisation de surface et la concentration au voisinage de la membrane (et ainsi la pression osmotique locale) (Thorneby et al., 1999). D’une façon générale, il est souligné que la présence de matière organique et la forte conductivité des digestats d’effluents d’élevage restent les freins majeurs de l’opération de la séparation. Il est alors facile de comprendre que l’obtention d’un facteur de concentration volumique élevé restera le verrou principal des opérations de nanofiltration et d’osmose inverse (Migliorini et Luzzo, 2004 ; Masse et al., 2010 ; Gong et al., 2013).

I.2.4.3 Conclusion partielle

Il est indéniable que les opérations de séparations sur membrane qui ont été réalisées sur digestats ou effluents d’élevage plus ou moins conditionnés montrent la possibilité d’obtenir une eau traitée qui peut atteindre des qualités d’usage (notamment après osmose inverse). Il est toutefois clairement mis en évidence que les fortes concentrations en composés particulaires et colloïdaux seront un frein au contrôle de la perméabilité lors d’une opération de clarification. Ensuite, la

conductivité et la qualité de rétention des petites molécules organiques par l’étape de clarification seront déterminantes pour les performances des opérations de NF et d’OI.

Ces éléments seront essentiels dans l’obtention (i) de solutions concentrées (FCV importants) et (ii) d’eau de qualité d’usage (réutilisation ou rejet en milieu naturel) mais aussi pour réduire le coût énergétique lié aux contraintes de cisaillement à imposer et à la pression osmotique des solutions.