applications des membranes de dessalement

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application de la nanofiltration

Comme déjà vu, la nanofiltration permet de faire :

une très bonne élimination (PS < 5 %) des MO du moins celles constituées de molécules de PM > 300 g · mol^–1 environ, qui constituent l’essentiel des matières organiques naturelles (dont celles contribuant à la couleur, aux précurseurs de THM… (voir les chapitres quelles eaux à traiter? pourquoi? et traitement des eaux potables) et aussi, par exemple, de 5 à 20 % sur les pesticides courants) ;
un adoucissement poussé en particulier en présence d’ion sulfate ; le rejet de sel sur le Ca et Mg peut atteindre 98 % mais l’on risque alors d’avoir à reminéraliser le perméat avant distribution ;
un dessalement partiel.

Leur application majeure est donc le traitement d’eaux saumâtres dures et à salinité élevée (1 à 6 g · L^–1) parfois colorées. L’archétype étant le dessalement de certains aquifères floridiens très étendus dont plus de 300 000 m³·j^–1 sont ainsi traités

Remarque : avant l’introduction de la NF, l’eau était décarbonatée, filtrée, ozonée puis diluée avec des eaux de surface non saline.

Mais des modules sont mis au point avec des rejets :

toujours bons sur les MO ;
intermédiaires sur les ions bivalents (voir PS d’environ 30 % sur le Mg SO₄) ;
faibles sur les monovalents, ceci afin d’éviter de déminéraliser encore plus des eaux déjà souvent « douces ».

Ils sont intéressants en affinage des eaux peu minéralisées mais colorées (voir la section les procédés membranaires).

Plus récemment, sont apparues des applications particulières comme l’élimination des sulfates et du magnésium et à moindre proportion, du calcium de l’eau de mer avec comme applications:

les systèmes de réinjection d’eau de mer dans les gisements pétroliers dans le cas où la présence de Sr⁺ ou Ba²⁺ dans l’eau de ces gisements interdit l’introduction de sulfate sous peine de colmatage rapide par la précipitation de sulfate de Sr ou Ba, ou encore le cas où l’injection de SO₄^2– en favorisant le développement de l’action des bactéries sulfatoréductrices, amène à enrichir le brut produit en sulfures et à provoquer des corrosions des tubings et autres « pipelines » ;
éventuellement, le dessalement par distillation MSF (voir distillation à détente étagée à recirculation (msf: multi stage flash)) de l’eau de mer. En effet, les principaux tartres redoutés en distillation sont, au fur et à mesure de l’élévation de la température, le carbonate de calcium suivi du sulfate de calcium et de l’hydroxyde de magnésium.

dessalement des eaux saumâtres

Comme déjà souligné (voir les chapitres l'eau : ses propriétes et quelles eaux à traiter? pourquoi?), de nombreuses eaux sont naturellement saumâtres :

eau de nappes souterraines ayant eu des contacts avec des formations salines, ou subissant des intrusions d’eau de mer ;
certains cas particuliers en eau de surface dont les zones d’estuaires.

En outre, de nombreux effluents industriels et/ou urbains à traiter et/ou réutiliser le sont aussi.

Dans tous les cas, l’osmose s’est imposée comme l’outil de dessalement de choix, ne laissant à l’échange d’ions que le créneau des eaux très peu salines (inférieures à 200 ppm TDS) à déminéraliser totalement et à l’électrodialyse que celui de certaines des eaux saumâtres peu concentrées (< 1 500 ppm) à dessaler partiellement (moins de 80 % d’élimination de sel) mais sans élimination de MO ou pathogènes (voir la sous-section membranes de dialyse).

Dans ce domaine, les membranes basse pression s’imposent pour les eaux inférieures à environ 5 g · L^–1 devant être potabilisées ; les membranes de moyenne pression (15 à 30 bar) permettent de traiter des eaux jusqu’à 15 g · L^–1 ou celles requiérant des déminéralisations plus poussées (PS < 1 %).

Le problème clef est celui de l’adéquation du prétraitement à la qualité de l’eau, parfois stable en cas d’eau souterraine mais souvent très variable (eau d’estuaire ou effluents). Seule une bonne connaissance de l’ensemble des paramètres :

teneur en MES, colloïdes ;
teneur des différents sels ou métaux susceptibles de précipiter ;
concentration et type de matières organiques susceptibles de contaminer l’eau…

peut permettre d’amener à l’osmose une eau de qualité suffisante via un prétraitement qui peut comporter toutes les fonctions et appareils du traitement des eaux, y compris les traitements biologiques (déferrisation, démanganisation, Biofor pour élimination des résiduels DBO ou d’azote, ceci est particulièrement le cas des chaînes de recyclage ou réutilisation (voir les chapitres traitement des eaux résiduaires urbaines, traitement et conditionnement des eaux industrielles et processus industriels et traitements des effluents résiduaires).

Nous avons déjà vu à la conception des systèmes membranaires que la qualité d’eau prétraitée doit être d’autant plus élevée que le flux spécifique choisi est élevé. Les premiers éléments sont les plus sollicités. En effet, il n’est pas rare que leur flux spécifique soit 2 à 2,5 fois plus élevés que le flux moyen. Ceci peut rendre séduisant l’emploi dans cette position de modules « fouling résistants » même au détriment d’une moindre perméabilité.

dessalement de l’eau de mer

Sur ce marché en développement constant, l’osmose inverse qui est de très loin le système le moins énergivore (tableau 9) et qui de plus est souvent capable de potabiliser une eau de mer en une seule passe, concurrence de plus en plus sérieusement les procédés de distillation thermique. En fait, ces derniers ne restent compétitifs que pour les gros débits (> 20 000 m³ par jour) et à condition que ces unités puissent utiliser des calories à très bas coûts, la plupart du temps en les extrayant à basses températures (pression 1 à 3 bar) dans des systèmes de cogénération électricité – eau (tableau 9).

compétition distillation/osmose inverse

Dans les pays où l’énergie primaire est chère, où les nouvelles centrales électriques ne sont pas conçues pour être couplées à la distillation et où les eaux ont des salinités inférieures ou égales à 41 g · L^–1 (Espagne, Îles de la Méditerranée, Israël, États-Unis, Caraïbes), le marché est presque à 100 % acquis à l’osmose inverse dont les coûts d’installation et de fonctionnement sont nettement moindres.

Mais, même sur le marché du Moyen-Orient qui était jusqu’à présent très favorable aux systèmes de distillation tous couplés à des centrales électriques… l’osmose a fait une percée très remarquée (voir usine Doosan de Fujairah : 455 000 m³ par jour où 37 % de l’eau est fourni par osmose inverse et 63 % par des unités MSF – figure 16).

En effet, le couplage distillation-centrale électrique a l’inconvénient d’une grande rigidité, l’eau étant produite proportionnellement à la demande d’énergie alors que les courbes de demande d’énergie et d’eau n’ont aucune raison d’être en phase… Au contraire, un système hybride, c’est-à-dire associant membranes et procédés thermiques, permet :

en période de demande électrique faible, de produire un maximum d’eau via l’osmose inverse, ce qui soutient la production électrique et donc lui permet de garder un coût moindre (tableau 10) ;
en période de forte demande électrique on peut, lors des pointes exceptionnelles, arrêter l’osmose (l’eau peut être stockée pour suivre la demande).

De nombreuses études technico-économiques montrent que pour les pays producteurs de pétrole, l’optimum du ratio : m³ thermique par m³ en osmose varie entre 30-70 et 70-30 suivant les cas, en particulier en fonction du nombre de milliers de m³ d’eau à produire par MW électrique et du prix de l’énergie.

conception d’une unité de dessalement par osmose inverse

prise deau

On peut envisager :

soit des puits côtiers ou galeries d’infiltration, solutions idéales pour les petites et moyennes stations (< 20 000 m³ par jour) dès que la géologie locale (25 à 50 premiers mètres) est bien connue. Souvent, un ou des puits exploratoires sont utiles, ceci afin de déterminer la perméabilité de l’aquifère (nombre et emplacement des puits à forer) et son système de réalimentation (mer seulement ou mélange eau de mer plus eau douce locale…). Pour des débits plus importants, le nombre de puits à forer, l’entretien de ceux- ci et le réseau de tuyauterie de raccordement sont en général d’un coût trop élevé.

soit des prises ouvertes, mais dans ce cas, il faut prévoir une structure de prise assez haute par rapport aufond marin (> 4 m) pour éviter la reprise des sables, limons, macroalgues soulevés par l’action des vagues et assez profonde pour éviter chaque fois que possible les 5 premiers mètres à partir de la surface et, mieux, les 10 premiers afin de limiter (même en cas de « grosse » mer) :
- les débris flottants, surtout de type hydrocarbures (dégazages, zones portuaires, plateformes d’exploitation pétrolières…) ;
- les zones les mieux éclairées donc les plus « productives », voir phyto et zooplanctons.

Dans les cas où la prise ne peut être idéalement située, il faut prévoir un dessablage pour éviter l’embourbage et l’érosion des matériels de prétraitements ou des « barrages » pour éviter les flottants.

Une étude de courantologie locale est très utile pour localiser la prise d’eau à l’abri des apports locaux de pollutions diverses (port, rejet ERU ou ERI ) mais aussi du point de rejet des saumures de l’installation.

prétraitement

Suivant les charges en MES (colloïdes) et la nature de celles-ci (limons, microsables ou planctons), il faudra prévoir un prétraitement capable de les éliminer parfaitement et ainsi d’arriver à une eau prétraitée avec un indice de fouling inférieur à 2,5 avec des pointes de 3 à 4. L’influence de la salinité sur les techniques de clarification n’étant pas très forte, on retrouvera donc les techniques prévalant en eau de surface (voir les sections coagulation-floculation, décantation, flottation ou filtration).

Suivant le type de prise, il faut donc envisager :

en puits côtier : vu la bonne qualité attendue on peut se contenter :
- soit de deux filtres à cartouche en série, en général cartouches de 20 ou 50 μm suivies de cinq à 1 μm ;
- soit d’une coagulation sur filtre suivi de cartouche 5 mm si l’on craint des entraînements de microsables ou de limons.

Il est possible que pour des forages profonds (> 30 m), on obtienne une eau d’excellente qualité physique (FI < 1) mais contenant de l’H₂S (aquifère réducteur). Dans ce cas, il est absolument nécessaire d’éviter toute entrée d’air (tête de puit, pompe(s)) faute de quoi l’oxydation des sulfures produit du soufre colloïdal difficile à coaguler et très « collant » (l’H₂S passant au travers de la membrane sera strippé sur le perméat).

en prise ouverte : dans ce cas, on peut, suivant les localisations, courants, production planctonique, pollutions… avoir à faire face à des eaux très variables :
- MES < 1 à > 10 mg · L^–1;
- de FI allant de 2 à plus de 35 % par minute ;
- des algues de 10 à 10⁵ cellules · mL^–1;
- des matières organiques COT de 2 à 4 mg · L^–1;

et donc, suivant les cas (du plus facile au plus compliqué), prévoir :

une coagulation sur filtre au pH optimal (souvent compris entre 6 et 7,2). En général, un filtre bi- couche sera nécessaire pour obtenir des cycles de longueur suffisante (toujours prévoir un temps de maturation avec production à l’égout – voir la section filtration sur lit granulaire). L’emploi de filtre sous pression permet une plus grande flexibilité dans le choix du ou des coagulants ;
une coagulation et deux filtres en série permettant en outre d’utiliser sur le second des médias fins (⩽ 0,3 mm) ;
une coagulation-clarification suiviede deux filtrations (pour les cas les plus difficiles expérimentés à ce jour). Le choix du clarificateur dépend des MES présentes mais souvent la flottation rapide Aquadaf est le meilleur compromis. Elle présente en effet une excellente barrière contre les crues planctoniques et les pointes d’hydrocarbures (à noter la tolérance zéro des fournisseurs de membranes vis-à-vis de ceux- ci.).

Comme en eau douce, les quantités de réactifs, la vitesse de filtration optimale et la durée de cycle dépendent de la nature des polluants présents, aussi nous recommandons dans les cas difficiles de prévoir un essai pilote (voir ex. de la section essais pilote) ou au minimum d’essais de traitabilité sur site.

Dans tous les cas, un filtre de sécurité à cartouches 3 ou 5 μm doit être prévu.

On a par ailleurs vu au paragraphe précédent que les membranes de clarification, soit en direct, soit après une micro-coagulation, permettaient de garantir une qualité physique impeccable à l’eau et donc des débits spécifiques et une durée de vie maximum aux membranes d’osmose. Elles paraissent donc offrir une excellente sécurité mais doivent encore faire preuve de leur efficacité vis-à-vis de certaines macromolécules organiques et de leur durée de vie dans cet environnement.

Un bon prétraitement assurant un indice de fouling faible, toujours indispensable, peut être insuffisant. Il ne garantit pas pour autant l’absence debiofouling qui est, de fait, souvent le principal problème auquel doivent faire face les opérateurs, sachant que :

ce problème est en général évité sur les installations alimentées par des puits côtiers bien réalisés, c’est- à-dire sans risque de recontamination en tête de puits ; en effet, dans ce cas, l’eau contient très peu de bactéries, peu de MO et de nutriments ;
en revanche, sur une prise d’eau classique, la désinfection de l’eau (chloration à la prise d’eau, maintien d’un résiduel sur le prétraitement) est une arme à double tranchant. En effet, souvent utile pour prévenir l’envahissement des prises d’eau par les mollusques (moules, bernaches…) et limiter la croissance des bactéries sur les médias filtrants, la chloration a l’inconvénient majeur de rendre biodégradable une partie des matières organiques naturelles des eaux de mer (surtout acides humiques naturellement non biodégradables). Cette fraction biodégradable concentrée le long de la membrane permet alors le développement rapide d’un biofilm surtout lorsque la température est élevée. (> 15 °C).

Dans la plupart des cas, on évitera donc les préoxydations continues pour les remplacer par des désinfections chocs (suivies de déchloration à l’entrée des modules) en utilisant de temps à autre, si nécessaire des biocides spécifiques pour maintenir les modules propres.

Remarque : dans les eaux chaudes, les mêmes précautions sont à prendre devant une membrane de clarification.

On notera que des méthodes complémentaires permettant d’éviter l’envahissement par des bactéries sont à recommander :

emploi, de temps à autre, d’eau chlorée pour l’eau de lavage des médias filtrants ;
lavage des filtres avec les rejets de l’osmose, ce qui crée des chocs osmotiques à effet biocide ;
flushing à l’eau osmosée provoquant le même effet au niveau des modules (1 ou 2 fois/semaine).

le bloc d'osmose

Ces systèmes, a priori simples, puisque souvent en un seul étage (Y = 35 à 50 %) suivant salinité et température, doivent être conçus pour :

que tous leurs organes (pompes, tuyauteries, robinetteries, instruments…) résistent à la corrosion de l’eau de mer ;
qu’en cas d’arrêt (programmé ou non), un rinçage à l’eau osmosée soit fait pour éviter dans les modules les phénomènes d’osmose directe et dans les tuyauteries, vannes… la corrosion des inox en eau stagnante ;
que chaque bloc ou partie de ceux-ci soit connectable à une centrale de nettoyage pour les lavages chimiques qui restent de toute façon indispensables de temps à autre (fréquence dépendant principalement de l’efficacité du prétraitement et du flux choisi).

Ces lavages sont à déclencher comme déjà vu à la section les systèmes de dessalement ( OI, NF ) (fouling) en suivant :

la perméabilité de la membrane (débit corrigé de la température et de la pression) ;
la perte de charge du module (ou plutôt de la série de six à huit éléments logés dans le même corps de pression) ;
le passage de sel de ceux-ci.

Typiquement, toute perte de plus de 10-15 % de la perméabilité ou tout accroissement de plus de 20 à 30 % de la ΔP initiale ou encore tout accroissement de plus de 15-20 % du PS implique qu’un lavage approprié soit fait, faute de quoi on risque d’être dans l’impossibilité de récupérer les performances des modules. On notera que ce suivi régulier de l’installation impose une instrumentation de qualité, bien entretenue et un logiciel permettant de normaliser les résultats et de les présenter (courbes…) pour faciliter la prise de décision.

On notera que sur les eaux de mer les plus salées (> 40 g · L^–1), ou lorsque l’on recherche de meilleures qualités d’eau, ex. < 200 mg · L^–1 TDS ou encore le contrôle d’éléments particuliers tels que le bore (inférieur à 1 voire 0,3 ppm) : il faut avoir recours à un deuxième étage en série production. Ce deuxième étage souvent appelé deuxième passe est constitué de membranes basse ou moyenne pression (voir deuxième étage) qui retraite tout ou partie du débit de perméat du premier étage d’osmose suivant le schéma type ci-après (figure 17). On notera que le rejet du deuxième étage, beaucoup moins salin que l’eau de mer, est renvoyé en tête (aucune perte d’eau et donc pas d’accroissement du débit à prétraiter n’est donc à prévoir).

cas particulier de l’élimination du bore

Les membranes d’osmose n’éliminent bien que les ions. Or, en dessous de pH 9, les courbes de la figure 28 (voir le Tableau des pK de la section constantes caractéristiques de solution), montrent qu’à 20 °C, l’acide borique H₃BO₃ n’est que très peu dissocié. Cette dissociation dépend de la température (elle diminue quand T baisse). Ainsi, à pH ~ 7,5, les membranes eau de mer n’éliminent qu’environ 75 à 90 % du B tandis que les membranes basses pression d’une deuxième passe qu’environ 50 %-60 %.

Au total si, à une température de moins de 25 °C, pour une eau de l’Atlantique ou de la Méditerranée avec une salinité de 36-40 g · L^–1 et environ 4,5-5 mg · L^–1 de B, un dessalement en une seule passe suffit pour tenir la norme européenne (à ce jour 1 mg · L^–1 B) ; au contraire, si l’on doit dessaler des eaux plus salines (42- 45 g · L^–1) correspondant à plus de 5 mg · L^–1 B et/ou plus chaude (30 voir 37 °C dans le golf) et ceci pour obtenir les recommandations OMS (< 0,5 ppm B), il faut non seulement utiliser un système à deux passes minimum (sans by-pass) mais encore modifier le pH sur la deuxième passe en le portant au-delà de 10. Dans un tel cas et même en tenant compte du fait que l’eau produite pour la première passe est très peu dure (Ca < 4 mg · L^–1, Mg < 15 mg · L^–1), il faut utiliser des antitartres spécifiques (attention au fort pH : jusqu’à presque 11 au rejet) pour prévenir toute précipitation du CaCO₃ et Mg(OH)₂ (le choix et le dosage de l’inhibiteur définissent la conversion maximum possible en deuxième passe).

L’alternative connue est de fixer le bore du perméat sur une résine adsorbante spécifique régénérée par de la soude puis un acide. Seule une comparaison économique au cas par cas permet de décider entre deuxième passe à pH élevé et résine, une combinaison des deux peut même être envisagée dans les cas les plus difficiles.

systèmes de récupération dénergie

Si l’on utilise le système le plus simple (figure 18) : une pompe haute pression, un système membranaire à un seul étage, une conversion de 40 %, on obtient des consommations spécifiques très fortes (environ 6 à 7 kWh · m^–3 produit) alors que la vanne de rejet doit détendre 60 % du débit entrant avec une pression égale à la pression d’entrée, moins la perte de charge des modules (1 à 2 bar).

Aussi, l’idée de « turbiner » le rejet pour récupérer son énergie est vite apparue et est maintenant économique pour toute taille d’installation.

Plusieurs systèmes coexistent sur le marché, que l’on peut regrouper en deux grands types :

turbine de type Pelton récupérant l’énergie du rejet et la « réinjectant » sur l’arbre de la pompe HP, ce qui permet de délester le moteur dès que de la saumure est produite

Remarque : des procédures de mise en route et d’arrêt automatique doivent être prévues avec le constructeur.

Avec un tel système (figure 19), la consommation dans le cas envisagé, s’abaissera aux alentours de 3 kWh · m^–3 si la pompe haute pression choisie a un rendement supérieur à 85 % et le système une seule passe.

Remarque : les autres types de turbine, moins performants, ne sont pas utilisés sur les grandes unités.

Dans ce cas, le système global (prétraitement, pompage en mer, refoulement de l’eau produite) consommera environ 4-4,5 kWh · m^–3;

système dit d’échange d’énergie (work exchanger) (figure 20), qui récupère l’énergie du rejet pour pressuriser directement le même volume d’eau prétraitée à une pression de quelques bar en dessous de la pression d’alimentation (perte de charge des modules et de l’échangeur (3)). Dans ce cas, la pompe haute pression (1) à 1 % ou 2 % près (fuite interne dans le système échangeur) ne pompe donc plus qu’un débit égal au débit de perméat soit 41 m³·h^–1 dans l’exemple choisi et illustré par la figure 20. Un booster (2) compense les pertes de charge mentionnées ci-avant (3 bar). Ces systèmes(3) (rotatif ou linéaire à piston libre) ont un meilleur rendement (94-97 %) que les pompes centrifuges. On a ainsi pu démontrer qu’une installation travaillant juste à son point de design sur de l’eau de mer à 36 g · L^–1 peut fonctionner en ne consommant pas plus de 2 kWh · m^–3 produit.

En général, le gain par rapport à la turbine Pelton s’élève à 0,5-0,8 kWh · m^–3 et l’on obtient des systèmes avec une consommation globale de 3,2 à 4,0 kWh · m^–3 produit.

Remarque : une deuxième passe intégrale (100 %) consomme environ 0,5 kWhh · m^–3 qu’il faudrait ajouter aux chiffres cités ci-dessus.