1Les membranes permsélectives* utilisées en traitement des eaux continentales peuvent être définies comme des filtres possédant des pores de diamètres très petits : de l’ordre de 0,1 μm pour la microfiltration*, de 0,01 μm pour l’ultrafiltration* et de 0,001 μm pour la nanofiltration*. Les pores d’un filtre à sable, qui permet de tamiser les particules (cf. V.12), sont, quant à eux, de l’ordre de 10 μm. Ces membranes permettent donc l’arrêt de particules dont le diamètre est de 100 à 1 000 fois plus petit que celles stoppées par un filtre à sable. La microfiltration est donc une barrière absolue pour les bactéries, l’ultrafiltration pour les virus et la nanofiltration est capable d’arrêter les ions calcium. Pour le dessalement d’eau de mer, les membranes d’osmose inverse (cf. II.13) utilisées sont, quant à elles, considérées comme non poreuses (cf. V.14). Les technologies membranaires présentent donc un intérêt immédiat pour la qualité de l’eau traitée : en une seule opération physique de filtration, il est possible de clarifier et de désinfecter une eau sans ajout d’agent chimique (coagulant ou oxydant, par exemple).

Un peu d’histoire

2Si les membranes de filtration sont connues depuis le début du XX^e siècle, ce n’est qu’à partir des années 1980 qu’elles ont été utilisées industriellement pour potabiliser les eaux. Il s’agit de l’aboutissement de progrès, tant au niveau de l’élaboration des membranes, qui doivent être à structure asymétrique, qu’au niveau de la conception de modules compacts et de faible coût, ainsi qu’au niveau de la compréhension des phénomènes de colmatage* Les premières unités de microfiltration pour la production d’eau potable municipale ont été installées en France au milieu des années 1980 avec des barrières minérales tubulaires, qui fonctionnaient en mode tangentiel turbulent*. L’inconvénient était le coût élevé de l’opération (membranes minérales et consommation électrique).

3La mise au point de membranes polymères sous forme de fibres creuses de microfiltration en Australie (Memtec/University New South Wales) et d’ultrafiltration en France (Lyonnaise des Eaux/CNRS/Université de Toulouse) est le véritable point de départ de la filtration membranaire en potabilisation des eaux.

Pourquoi des membranes fibres creuses ?

4Les fibres creuses sont des petits tubes poreux de diamètre de l’ordre du millimètre ou moins. Elles ont l’avantage par rapport aux membranes planes d’être autosupportées, c’est-à-dire qu’elles résistent mécaniquement à une différence de pression sans besoin d’un support. Cet avantage essentiel leur permet d’être rétrolavées, comme les filtres à sable, par simple inversion de pression pour éliminer le dépôt formé à leur surface au cours de la filtration. À partir de 1985, l’exploitation de cet avantage a mené à une rupture technologique. Mais, alors qu’en Australie, la microfiltration est conduite selon un procédé dit « de filtration externe-interne » avec rétrolavage à l’air dans des modules de faible dimension (1m² de surface filtrante), en France, l’ultrafiltration se développe selon un procédé interne-externe (figure 1) avec rétrolavage à l’eau et des modules de plus de 50m² de surface unitaire. Dans les deux cas, la filtration frontale est privilégiée par rapport au mode tangentiel plus gourmand en énergie.

Les membranes : une eau potable de grande qualité

5Les premières unités d’ultrafiltration installées dès 1988 démontrent qu’une eau de très grande qualité est obtenue à partir de ressources de qualité très variable en turbidité* et bactériologie. L’ultrafiltration élimine virus, bactéries et turbidité. L’eau est donc limpide et désinfectée à la sortie des fibres creuses, la composition en sels minéraux n’est pas modifiée, seule une post-chloration douce assurant la qualité de l’eau jusqu’à son point d’usage est nécessaire, donnant une eau de meilleure saveur, sans goût de chlore. Lorsque les ressources sont chargées en micropolluants organiques, l’ultrafiltration a été, dès le début, combinée avec une étape d’adsorption* sur charbon actif*, introduit en poudre directement dans l’alimentation des fibres creuses.

Les membranes : un avenir assuré

6Les premiers succès ont conduit progressivement tous les traiteurs d’eaux, comme tous les fabricants de membranes, à investir dans ce domaine. Des progrès sont apportés pour les fibres creuses (matériaux, dimensions, durée de vie), les modules (très grande surface filtrante), les racks (assemblage standardisé de modules) et la conduite des opérations (automatisation). Aujourd’hui, ce sont des milliers d’usines qui fonctionnent dans le monde selon les mêmes principes que ceux découverts il y a trente ans : fibres creuses, filtration frontale et rétrolavage (figure 2). Suite à ce développement, d’autres applications sont nées : traitement et réutilisation des eaux usées (cf. V.15), prétraitement en osmose inverse (cf. V.14)…. Le marché croît de plus de 10 % par an. Le caractère modulaire des membranes en fait un élément de choix dans le couplage avec d’autres opérations unitaires, telles que le confinement de la biomasse dans les « bioréacteurs à membrane* ». Cette modularité, comme la palette de sélectivité des membranes, ou le rôle catalytique que l’on peut leur conférer, sont des opportunités face aux défis actuels posés par les micropolluants et les pollutions émergentes, pouvant répondre aux futures normes.

Fig. 2 – Usines d’ultrafiltration avec système membranaire standard. a) North Marshall-Alabama, USA, www.polymem.fr.b) Rennes, www.aquasource-membrane.com

7Les équipes de recherche se mobilisent pour répondre à des questions fondamentales qui restent encore en suspend, comme la modélisation des phénomènes de colmatage pour une meilleure gestion du procédé ou celle des phénomènes de séparation de phase pour mieux maîtriser la fabrication des membranes. Le traitement des eaux par membranes et procédés couplés est en plein essor et va faire l’objet de nouvelles recherches et de nouvelles entreprises innovantes.