Minimization of water consumption in agro-food industries by developing a combined approch integrating Water Footprint and Pinch methods – MINIMEAU

Pour obtenir une vision représentative des besoins en eau et des rejets d'effluents, ainsi que pour identifier les contraintes réglementaires des industriels des Industries Agro-Alimentaires (IAA), un état des lieux des pratiques de certaines filières (viti-vinicole, légumes transformés, produits laitiers, oléoprotéagineux) a été réalisé en France par des centres techniques partenaires. Une enquête a été menée auprès de 62 entreprises, suivie d'inventaires des flux sur 8 sites industriels, permettant d'identifier des partenaires industriels volontaires pour devenir des cas d'études.

Le projet s'est ensuite articulé autour de la construction d'un outil méthodologique global, sous forme de logigramme, pour guider les industriels dans le déploiement d'un nouveau projet de gestion de l'eau. Les outils de cette méthodologie incluent :

Une analyse pincement eau : Une revue bibliographique sur les méthodes de pincement a permis de développer des outils logiciels par AgroParisTech et ProSim. Ces outils calculent la consommation d'eau minimale théorique requise et indiquent les flux à réutiliser ou recycler, permettant de réduire les économies d'eau théoriques.

Une analyse empreinte eau adaptée au secteur concerné : Une revue bibliographique sur l'empreinte eau (norme ISO14046) a été réalisée. Des classes d'effluents et de qualités d'eau ont été élaborées, en utilisant des indicateurs d'ACV pour hiérarchiser les polluants. Un outil d'évaluation de la performance environnementale et un mémo sur l'empreinte eau ont été développés par l'IRSTEA-INRAE.

Un état de l'art sur les pratiques de gestion de l'eau et les technologies de traitement : Cet état de l'art guide vers des améliorations simples et aide au choix des procédés de traitement pour éliminer les polluants ciblés par l'analyse Pinch. Les traitements membranaires apparaissent particulièrement pertinents.

Un outil de simulation des flux d'eau à l'échelle de l'usine : Développé sous ProSimPlus, cet outil permet la simulation des flux d'eau avant et après reconception par la méthode pincement eau, impliquant éventuellement la régénération de certains flux par traitement membranaire. La modélisation des procédés membranaires a été réalisée dans un nouveau module dédié. Des expérimentations sur les effluents permettent de déterminer les paramètres clés des performances de ces procédés. L'évaluation environnementale (ACV, empreinte eau) du cas étudié permet de vérifier la viabilité du nouveau scénario au plan environnemental et d'éviter un transfert d'impacts.

The work carried out has enabled the development of a methodological approach, summarized in a flowchart to which are associated tools and guides. Most are freely accessible in the toolbox on the website minimeau.fr. It includes, among other things: a guide for carrying out inventories of the flow rates and qualities of consumed and emitted water flows; a “State of the art” on water management practices, the pollutants to be monitored and eliminated for each sector, and the applicable physicochemical treatment technologies; a bibliographic review on the water footprint (ISO14046 standard) and its latest developments; an Excel PEAC© calculator (INRAE) to analyze the life cycle (LCA) and the water footprint of the selected scenarios; two single or multi-pollutant pinch analysis tools WaterOptim© (AgroParisTech) and Simulis-Pinch© (ProSim SA), to identify the best “effluent candidates” for recycling. A commercial “membrane filtration” simulation module, and its guide, were also developed under ProSimPlus© to predict treatment performance using membrane processes. Overall, the project led to 8 water pinch analyses in the 4 sectors covered by the project (wine-growing, processed vegetables, dairy products and oilseeds). The sizing of a membrane unit was proposed to treat effluent from a frozen vegetable factory, and its water footprint analysis showed that it was viable.

L’étude a mené dans MINIMEAU sur le traitement d’effluents des industries agroalimentaires par procédés membranaires a donné lieu à une réflexion autour du dimensionnement de ces opérations à l’échelle industrielle, échelle à laquelle des taux de concentration élevés des effluents peuvent être atteints. Pour ces effluents déjà naturellement concentrés en matières organiques, cela peut engendrer des problématiques de baisse du flux d’eau traitée ou de colmatage des membranes plus élevées que dans le cas des eaux saumâtres classiquement traitées par ces procédés. Pour continuer, l'UMR
SayFood / AgroParisTech est associé à l’UMR STLO (Rennes) qui travaille sur l’application des procédés membranaires dans le domaine laitier. Nous avons obtenu le financement du projet de ressourcement DIMEMPRO d’une durée de 24 mois (démarrage 01/09/2022 -
Carnot Qualiment, réseau de recherche pour l’innovation alimentaire – INRAE ??- Edition 2021), dans lequel l’UMR SayFood intègrea l’étude du dimensionnement des procédés membranaires appliqués au cas des effluents de l’industrie des légumes surgelés (C. Fargues), de même que l’intégration de ces modèles dans des outils d’optimisation multiobjectifs (H. Romdhana).

Garnier, C.; Guiga, W.; Lameloise, M.-L.; Degrand, L., Fargues, C. Treatment of cauliflower processing wastewater by nanofiltration and reverse osmosis in view of recycling. Journal of Food Engineering. 2022, 317, 110863.

Maeseele, C.; Roux, P. An LCA framework to assess environmental efficiency of water reuse: Application to contrasted locations for wastewater reuse in agriculture. Journal of Cleaner Production. 2021, 316, 128151.

Nemati-Amirkolaii, K.; Romdhana, H.; Lameloise, M.L. Pinch Methods for Efficient Use of Water in Food Industry: A Survey Review. Sustainability. 2019, 11, 4492.

Nemati, K.; Romdhana, H.; Lameloise, M.L. A novel user-friendly tool for minimizing water use in processing industry. Cleaner Engineering and Technology. 2021, 4, 100260.

Needing significant water amounts for a variety of uses (ingredient, heat and mass transfer, transport, cleaning and disinfection), food industry strongly relies of water availability. An average of 2 to 10 L of water are needed per kg or L of final product, depending on sectors. In a context of strong pressure on water uses and possible punctual water shortage, food industry is faced to current challenges regarding water supply. At the exception of water used as an ingredient, most water consumed is released as wastewaters and effluents, which represents heavy charges for ensuring depollution, together with a loss of valuable material. Most food industry sectors are already engaged in water sparing by implementing good practices or “case by case” common sense actions. A novel step has now to be taken. Comprehensive and systematic re-design of water networks is to be achieved, including water recycling or reuse. The objective of MINIMEAU is to elaborate and provide integrated eco-design tools and technological water treatment solutions that will help factories to reduce water consumption and effluent rejection, and optimize water use and management, through scenario propositions. It will rely on the development of the water Pinch methodology and especially on its adaptation to multi-contaminant problems. Water Pinch will be strongly associated to the finest environmental impact assessment methods (Water Footprint and Life Cycle Assessment) to ensure that revamping propositions do not generate detrimental environment effects. This combined approach will be implemented in a software solution, together with adequate water treatment modules, providing operational decision-making tools for the economic actors and authorities in charge of the regulation on food safety.