Minimisation des consommations d'eau dans les agro-industries par le développement d'une approche intégrée associant Empreinte Eau et Pinch massique – 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 déduire 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, 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, intégrant 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.

Les travaux menés ont permis la mise au point d’une démarche méthodologique, résumée dans un logigramme auquel sont associés des outils et des guides. La plupart sont en accès libre dans la boîte à outils du site minimeau.fr. On y trouve entre autres : un guide pour la réalisation des inventaires des débits et qualités des flux d’eaux consommés et émis ; un « Etat de l’art » sur les pratiques de gestion de l’eau, les polluants à suivre et à éliminer pour chaque filière, et les technologies physico-chimiques de traitement applicables ; une revue bibliographique sur l’empreinte eau (norme ISO14046) et ses derniers développements ; un calculateur Excel PEAC© (INRAE) pour analyser le cycle de vie (ACV) et l’empreinte eau des scenarios retenus ; deux outils d’analyse Pinch mono ou multi-polluants WaterOptim© (AgroParisTech) et Simulis-Pinch© (ProSim SA), pour identifier les meilleurs « effluents-candidats » au recyclage. Un module commercial de simulation « filtration membranaire », et son guide, a également été développé sous ProSimPlus© pour prédire les performances de traitement par procédés membranaires. Globalement, le projet a conduit à 8 analyses pincement eau dans les 4 filières couvertes par le projet (viti-vinicole, légumes transformés, produits laitiers et oléoprotéagineux). Le dimensionnement d’une unité membranaire a été proposé pour traiter des effluents issus d’une usine de légumes surgelés, et son analyse empreinte eau a montré qu’elle était viable.

L’étude menée 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 poursuivre, l’UMR
SayFood / AgroParisTech s’est associée 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 coordonnera 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.

L’industrie agro-alimentaire représente un secteur d’activité important pour l’économie française en termes d’emploi, de balance économique et de développement des territoires. La possibilité de disposer d’eau de qualité et à des coûts supportables est une nécessité vitale pour cette industrie qui consomme aujourd’hui de 2 à plus de 10 L d’eau par L ou par kg de produit fini, ces chiffres recouvrant une forte variabilité selon les secteurs d’activité. Compte-tenu de la pression croissante sur la ressource en eau, l’industrie alimentaire est face aujourd’hui à des défis majeurs concernant son approvisionnement.
A l’exception de l’eau utilisée comme ingrédient, une large part de l’eau utilisée par l'industrie agro-alimentaire se retrouve sous forme d’effluents plus ou moins chargés, pouvant inclure aussi l'eau contenue dans la matière première agricole. Le traitement et la gestion de ces effluents représente dans certains cas une charge lourde pour l’industriel, ainsi qu’une perte de matière première non négligeable. De nombreux secteurs de l’industrie agro-alimentaire sont déjà engagés dans des politiques d’économie d’eau : la mise en œuvre de bonnes pratiques, en particulier, et des mesures de bon sens, ont conduit à des économies d'eau de l’ordre de 15-20%. Une étape supplémentaire d'optimisation et de reconception des réseaux d'eau doit maintenant être franchie, incluant la possibilité de recycler les eaux peu chargées ou les flux aqueux après un traitement adéquat de purification. L’objectif de MINIMEAU est d’élaborer un ensemble d’outils d’aide à la décision permettant de reconcevoir les réseaux d’eau dans un objectif de minimisation de la consommation, intégrant la méthode du pincement (Water Pinch) qui fera l’objet d’un développement particulier pour gérer le cas des contaminants multiples, intégrant aussi des procédés innovants de traitement étudiés et qualifiés sur des effluents réels, et intégrant enfin une analyse environnementale des scénarios d’amélioration, de façon à éviter des transferts d’impacts (Empreinte eau, ACV). L’ensemble des outils sera disponible pour une appropriation par les acteurs économiques. Les résultats des méthodologies développées seront également mis à la disposition des autorités règlementaires pour nourrir la réflexion sur une évolution de la réglementation relative aux possibilités de recyclage ou de réutilisation de l’eau dans l’industrie alimentaire.