Optimisation de l’exploitation de la station de traitement des eaux de la ville de Dinslaken, la plus grande usine de production d’eau potable par nanofiltration d’Allemagne

Pour garantir l’approvisionnement en eau de la ville de Dinslaken en Allemagne, le traiteur d’eau Wasserwerk Dinslaken GmbH exploite depuis 1961, le site de Löhnen qui se trouve à 4 km des bords du Rhin (Figure 1).

En 1989, l’unité 1 de production, alimentée par 6 puits verticaux et 6 grandes pompes de 150 m³/h chacune, a été renforcée par une seconde unité plus flexible de 3 puits, munie de 3 pompes à vitesse variable de 50 à 150 m³/h chacune.

En 2003, les capacités du site ont été portées à 400 m³/h minimum. Six filtres à turbidité, en aval, ont été installés pour un volume de traitement maximal de 1100 m³/h. À l’heure actuelle, selon les accords locaux existant, les unités I et II peuvent produire un total de 5.6 million m³ d’eau par an, sachant que la consommation d’eau quotidienne la plus élevée est de 19.000 m³.

Compte tenu des projets d’extraction de charbon dans la région de Mommbach, susceptibles de créer des perturber les unités de la station de traitement d’eau de Löhnen, en raison d’impuretés indésirables qui pourraient se retrouver dans les puits utilisés par la station, une nouvelle technique de filtration s’est avérée nécessaire.

Approvisionnement en énergie de la station de Löhnen

Le site est connecté à deux lignes électriques de 10-kV bien qu’une seule ligne soit suffisante à l’exploitation en plein régime pour la fourniture d’une puissance de 2000 kVA. La seconde ligne électrique fournit une puissance supplémentaire de 700 kVA. Au regard des informations précédentes et dû au fait que les membranes sont utilisées à des régimes d’exploitation différents, deux générateurs électriques de secours ont été installés avec une capacité unitaire de 1450 kVA. Cette installation parallèle permet d’assurer en cas de rupture de l’alimentation conventionnelle, l’alimentation de la station de nanofiltration,  des unités de production d’eau mais également la station de pompage.

Compte tenu des projets d’extraction de charbon dans la région de Mommbach, susceptibles de créer des perturber les unités de la station de traitement d’eau de Löhnen, en raison d’impuretés indésirables qui pourraient se retrouver dans les puits utilisés par la station, une nouvelle technique de filtration s’est avérée nécessaire.

Approvisionnement en énergie de la station de Löhnen

Le site est connecté à deux lignes électriques de 10-kV bien qu’une seule ligne soit suffisante à l’exploitation en plein régime pour la fourniture d’une puissance de 2000 kVA. La seconde ligne électrique fournit une puissance supplémentaire de 700 kVA. Au regard des informations précédentes et dû au fait que les membranes sont utilisées à des régimes d’exploitation différents, deux générateurs électriques de secours ont été installés avec une capacité unitaire de 1450 kVA. Cette installation parallèle permet d’assurer en cas de rupture de l’alimentation conventionnelle, l’alimentation de la station de nanofiltration,  des unités de production d’eau mais également la station de pompage.

Rejet membranaire élevé

Le rejet des éléments minéraux dépend de la membrane utilisée. Sur le site de Löhnen, la membrane Toray TMH20-430 en polyamide composite a été installée. Cette référence TMH20-430 a démontré durant les phases d’essai à la Rheinisch-Westfalische Institute for Water (IWW), les meilleures capacités de rejet de sels. Celles-ci furent proches des valeurs exprimées par les membranes d’osmose inverse. Un avantage supplémentaire fut la faible pression de moins de 8 bars nécessaires qui correspond assez bien avec la classification de la membrane, à savoir une membrane d’osmose inverse à basse pression.

Le taux de rejet en sel de la membrane sélectionnée est de 99.3%. D’un point de vue conception, pour garantir une capacité totale de 1100 m³/h, 11 lignes identiques ont été construites, chacune d’une capacité de 110 m³/h (une ligne est gardée en réserve). Chacune des lignes est équipée d’une pompe d’alimentation à vitesse variable, deux préfiltres en série (de 5 µm et 1 µm), suivit par deux étages de nanofiltration. Chaque ligne contient 15 tubes de pression, dont 10 en parallèle  au 1^er étage et 5  au 2^e étage. Suivant la fréquence d’utilisation des lignes, une partie des lignes est placée en standby après injection d’une solution aqueuse de bisulfite de sodium.

Le rôle de l’antiscalant sélectif

Les performances d’exploitation sont intimement liées aux caractéristiques spécifiques du site. Dans le cas du site de Löhnen, les membranes sont soumises à un flux moyen de 25 l/m²/hr, avec un taux de conversion maximal de 87%. Initialement, la station fut conçue avec un taux de conversion de 80%. Un tel rendement n’aurait pas été atteignable sans l’emploi d’un inhibiteur de formation de cristaux, aussi appelé antiscalant. Avec une focalisation forte sur la sécurité et l’environnement, un antiscalant Ropur RPI à dégradation rapide basé sur la dernière génération de polyphosphonate de sodium a été utilisé. Une caractéristique des antiscalants Ropur RPI est aussi leur infime teneur en phosphate qui a pour conséquence de maximiser leur action préventive sans compromis technique.

Historiquement, le premier antiscalant RPI a été commercialisé en 1987 par la compagnie Ropur AG, située à la frontière Franco-Suisse (Muenchenstein). Depuis 1987, les antiscalants RPI sont exclusivement fabriqués en Allemagne à partir d’ingrédients produits en Allemagne, pour assurer une qualité optimale aux produits RPI et par conséquent une efficacité maximale prouvée sur le marché. En 2003, la compagnie Ropur AG fut rachetée par la multinationale Japonaise Toray, pour devenir Toray Membrane Europe AG.

L’antiscalant utilisé prévient les dégâts immédiats et irréversibles de la membrane  (notamment de la surface active en polyamide de quelques nanomètres d’épaisseur consécutivement à la formation de cristaux aux aiguilles acérées et abrasives dans le concentrât. Le concentrât, au-delà d’un taux de conversion limite, va passer dans un état physique complexe à savoir en sursaturation de sels. Celui-ci va rapidement évoluer vers la formation d’une grande quantité de cristaux qui vont se loger entre les feuilles de membrane polyamide et sur les espaceurs. La vitesse de formation des cristaux peut alors se mesurer en millimètres par minute, soulignant une vitesse de croissance phénoménale. Pragmatiquement, les cas de cristaux les plus classiques observés en Europe sont les cristaux de carbonate de calcium CaCO₃ ou de sulfate de calcium CaSO₄ mélangés à des particules d’oxydes de fer.

Pour prévenir les risques de « scaling », à la station de Löhnen, le Ropur RPI est dosé à raison de 2mg/L seulement. Les résultats obtenus depuis des années sont fort positifs, pour un coût minimal (Tableau 1).

Symptômes et risques du scaling

Le dépôt se manifeste par une augmentation de la résistance à la filtration (un surcroît de pression est nécessaire) qui se traduit par une augmentation de la consommation en énergie, auquel s’ajoutera sur une échelle de temps supérieure, une usure prématurée des pompes.

Rapidement, la conjonction d’aiguilles de cristaux et d’une sollicitation hydrodynamique croissante va drastiquement accroître le risque d’abrasion et de perforage de la membrane. Cet incident est hélas irréversible. Symptomatiquement, la qualité du perméat va baisser (sa teneur en sels va augmenter) rapidement et les performances de la membrane vont se dégrader continuellement. La seule alternative est alors le remplacement des membranes perforées.

Pour prévenir l’apparition de ces coûteux dommages, Toray Membrane Europe AG, fort de son expertise en filtration par membranes, a développé une gamme complète d’antiscalants. Chacune des 9 références existantes a été pensée pour bloquer un certain type de cristallisation ou d’encrassement, qu’il est possible de prévoir à partir de la composition de l’eau traitée. Chacune de ces références a été élaborée en conformité avec les législations locales, européennes et internationales en vigueur (NSF60, KIWA, ISO9001 and ISO14001).

Le choix de la génération de polyphosphonate la plus récente explique aussi en partie les performances d’inhibition élevées pour un dosage toujours plus minime. Ainsi, les ingrédients employés ont permis d’atteindre une efficacité de séquestration 100 fois supérieure en comparaison avec l’ATMP standard. En inhibant la croissance de cristaux comme le CaCO₃, CaSO₄, ou les sulfates de baryum et de strontium, le RPI a permis de stabiliser efficacement la filtration dans les membranes de nanofiltration et ainsi de garder un débit constant à basses pression, permettant de substantielles économies d’énergie et d’exploitation.

Conclusion

L’exploitation optimale, l’efficacité énergétique ainsi que la fiabilité de la station de Dinslaken sont le résultat de l’association d’ingénieurs, de designers et de managers tous expérimentés avec des éléments et ingrédients de hautes performances. L’exploitation de la station repose sur le réglage précis d’une douzaine de paramètres comme les débits, les pressions hydrauliques, le pH, le taux de conversion etc.