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Protection de l'Environnement

PROTECTION DE L'EAU AMÉLIORATION DE LA QUALITÉ DES EAUX

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

F3

I - PRÉVENTION ........................................................................................................................... 1 1 2 3 4

-

Récupération des eaux pluviales .................................................................................................1 Limitation des consommations d’eau ...........................................................................................1 Stockages.....................................................................................................................................1 Limitation des fuites .....................................................................................................................2

II - RÉSEAUX DE COLLECTE DES EAUX POLLUÉES ................................................................ 5 III - PRINCIPE DES PROCÉDÉS DE DÉPOLLUTION.................................................................... 6 1 2 -

Eaux propres ................................................................................................................................ 6 Eaux huileuses .............................................................................................................................6

IV - TRAITEMENTS PHYSIQUES ................................................................................................... 9 1 2 3 -

Objectifs .......................................................................................................................................9 Modalités ...................................................................................................................................... 9 Déshuileurs gravitaires ...............................................................................................................12

V - ÉPURATION PHYSICO-CHIMIQUE DES EFFLUENTS PRÉDÉSHUILÉS ............................ 20 1 2 -

But de l’épuration physico-chimie...............................................................................................20 Procédés d’épuration .................................................................................................................21

VI - STRIPAGE DES EAUX DE PROCÉDÉS ................................................................................ 25

EV EAU - 01040_B_F - Rév. 1

Ce document comporte 27 pages  2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

19/10/2005

-2

1

I-

PRÉVENTION 1-

RÉCUPÉRATION DES EAUX PLUVIALES Afin d’éviter tout pic de pollution faisant suite à de fortes pluies et donc un lessivage des sols et zones de stockage, il sera prévu un réseau de collecte raccordé à un ou plusieurs bassins de confinement (bassin d’orage). Les eaux ainsi récupérées ne seront rejetées dans le milieu récepteur qu’après contrôle de leur qualité voire un pré traitement. Si nécessaire, leur rejet pourra être étalé dans le temps afin de répondre aux exigences de l’arrêté préfectoral.

2-

LIMITATION DES CONSOMMATIONS D’EAU Bien que la consommation d’eau soit limitée par l’arrêté préfectoral, il est évident que plus l’utilisation de l’eau est réduite, moins elle de risque d’être polluée et moins il y aura d’effluents à traiter. Plusieurs possibilités de diminution sont possibles telles que : -

optimisation des quantités d’eau utilisées lors des nettoyages (sols, échangeurs, …) réduction des injections de vapeurs en hiver, lors des dégivrages

D’autre part, il est parfois possible de modifier certains réglages d’unités, comme par exemple sur les résines échangeuses d’ions des chaînes de déminéralisation : - passage des réactifs à contre courant (plus efficace et plus économique en quantité d’acide, de soude et d’eau) -

3-

remplacement du régénérant acide sulfurique par de l’acide chlorhydrique

STOCKAGES Tout stockage d’un liquide susceptible d’entraîner une pollution de l’eau ou du sous sol est associé à une capacité de rétention dont le volume est au moins égal à la plus grande des valeurs suivantes : -

100 % de la capacité du plus grand réservoir 50 % de la capacité totale des réservoirs associés

La cuvette de rétention est étanche et isolée par vanne de l’unité de traitement des eaux résiduaires. Le déversement d’un liquide contenu dans la cuvette vers la station finale ne se fera qu’après contrôle de sa qualité et après signalement auprès des responsables de l’exploitation de la station finale. Les aires de stockage et déchargement sont étanches et reliées à des rétentions dimensionnées selon les mêmes règles.

01040_B_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

F 3 -2

2

4-

F 3 -2

LIMITATION DES FUITES Toute fuite est génératrice de pollution. Le schéma suivant montre les volumes de produits rejetés en fonction de la gravité de la fuite.

3 1/4 4 20 121

cc litres litres litres litres

1/5 12 289 10 43

litres litres litres fûts de 200 l fûts de 200 l

1 minute la perte est de 1 heure 1 jour 1 semaine 1 mois

2/3 40 960 35 152

litres litres litres fûts de 200 l fûts de 200 l


11/4 75 9 63 273

litres litres fûts de 200 l fûts de 200 l fûts de 200 l

Filet en de 1,5 mm


6 1/3 8 56 242

cc litres litres litres litres

Filet en de 2 mm

2 gouttes par seconde

Filet en formation



9 1 96 3 13

cc litres litres fûts de 200 l fûts de 200 l

Filet en de 5 mm

D T 1160 A

1 goutte par seconde


À titre d’exemple, une fuite de phénol constatée au niveau d’une vanne fuyante (filet en formation) entraînera une pollution sous la forme de DCO importante : Filet en formation

96 litres/jours

DCO phénol

2,3 g de DCO/g de phénol (environ)

Masse volumique du phénol

800g/litre (environ)

Masse de phénol rejeté par jour

= 800 * 96

=

76800 g

Masse de DCO rejetée par jour

= 76800 * 2,3

= =

17 6640 g/J 177 kg/J

Afin de réduire ces sources de pollution, une “chasse” aux fuites doit être pratiquée, et particulièrement au niveau : -

des brides

- des étanchéités de pompes (seules quelques gouttes par minute sur les étanchéité à tresses ; sur les garniture mécanique, la fuite ne doit pas être visible) -

les purges seront étanchées par vannes et bouchons

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3

F 3 -2

Les prélèvements d’échantillons nécessitant des purges préalables sont non seulement source de pertes économiques mais aussi de pollution qu’il faudra traiter ultérieurement. Ces prises d’échantillons peuvent être améliorées. • Par la réalisation de boucle rapide

1

ligne à échantillonner Ligne de torche

2

1

Piquage pour échantillonnage

2

Robinet à quatre voies

3

Récupération de l’échantillon

4

Robinet placé le plus près possible du piquage

3

D SEC 1317 A

4

1

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4

F 3 -2

• Ou par utilisation de vannes de prélèvement

Patte de fixation

D MEQ 1468 A

Sortie du produit

Paroi du bac

Volant Modèle avec volant

Paroi du bac ou de la tuyauterie

Sortie du produit

D MEQ 1469 A

1/2 vue dessus position utilisation

Lumière de sortie du produit

1/2 vue de coté position fermée

Manivelle Modèle avec manivelle

01040_B_F


5

II -

RÉSEAUX DE COLLECTE DES EAUX POLLUÉES La conception et le dimensionnement des équipements nécessaires à la dépollution des eaux résiduaires seront évidemment liés aux débits qu'ils sont susceptibles de recevoir et aux taux de pollution des différents courants polluants. Pour limiter leur dimensionnement, on prévoira des équipements de préstockage permettant de réduire les pointes de débits dues aux orages violents ou aux déballastages de citernes de navire. On aura aussi intérêt à ségréguer au maximum les différents courants selon la nature de leur pollution de façon à éviter de surcharger inutilement certains procédés de dépollution, c'est ainsi que l'on rencontrera des réseaux de collecte séparés pour : - les eaux dites propres qui ne sont normalement pas contaminées lors de leur passage ou utilisation sur le site - les eaux dites huileuses qui ne peuvent être polluées que par des hydrocarbures facilement éliminables par décantation/flottation/floculation - les eaux procédés ou eaux sûres qui contiennent en plus des hydrocarbures conventionnels, des agents chimiques minéraux ou organiques Malgré ces efforts de conception les coûts d'investissement et d'exploitation du retraitement des eaux résiduaires représentent une part significative des coûts globaux de sites pétrochimiques.

Eaux Régénération Déminéralisation

NEUTRALISATION

Boues Eaux propres

BASSIN DE CONTROLE

Purges Condensats propres

DÉSHUILAGE

Boues BASSIN D'ORAGE DÉBALLASTAGE

Eaux procédés

Slops

FLOCULATION FLOTTATION

DÉCANTEUR

Boues

Slops

Rejet

Boues

HC légers + H2S

NEUTRALISATION

Échantillonnage

Eaux huileuses

TRAITEMENT BIOLOGIQUE

DÉSHUILAGE

Boues

Boues

Slops STRIPAGE composés soufres

D SEC 231 A

Vap./air

Plusieurs procédés d'épuration des eaux résiduaires sont générateurs de boues minérales, organiques ou biologiques. L'élimination de ces boues (par épaississement puis épandage ou incinération) peut être assurée par des équipements spécifiques au site ou être confiée à des entreprises spécialisées sous-traitantes. Dans les deux cas, les coûts associés sont une part importante des coûts de traitement des eaux résiduaires. 01040_B_F

6

III - PRINCIPE DES PROCÉDÉS DE DÉPOLLUTION 1-

EAUX PROPRES Les eaux de purges de coolings towers et les condensats vapeur qui n'ont pas été mis en contact avec les fluides procédés peuvent être rejetés directement dans l'environnement. On prévoira simplement un bassin de contrôle avec une rétention de plusieurs heures pour pouvoir stocker ces rejets en cas de pollution accidentelle (percement d'un échangeur, par exemple). Par contre les eaux de régénération des chaînes de déminéralisation devront subir deux types de traitement avant rejet : - une neutralisation pour ramener le pH dans la fourchette autorisée (5.5-8.5). Cette neutralisation se fera par injection contrôlée soit d'acide, soit de base selon la qualité de l'eau brute à déminéraliser. La qualité de cette neutralisation dépendra de la représentativité des points de mesure de pH utilisés dans la chaîne de contrôle de l'injection du neutralisant - une décantation des sels en suspension résultant de la régénération des résines échangeuses. Dans le cas où les résines cationiques sont régénérées à l'acide sulfurique, il y aura en particulier une grande quantité de précipités de sulfates de calcium et de magnésium très peu solubles dans l'eau Ces deux traitements sont réalisés dans une fosse de neutralisation qui sera suffisamment dimensionnée pour permettre une bonne décantation des matières en suspension. L'effluent de neutralisation rejoindra le bassin de contrôle des eaux propres.

2-

EAUX HUILEUSES Les HC se présentent sous une multiplicité d’états qu’il est difficile de caractériser analytiquement mais dont il faut bien retenir les quatre formes suivantes pour comprendre le traitement : - les HC libres : flottant en nappe dans les caniveaux ou entraînés en pistons (slugs) dans les conduites -

les émulsions mécaniques : • les HC en émulsion mécanique dite primaire dont la taille des gouttelettes peut représenter quelques dizaines de microns. Ils ont une stabilité au repos limitée à quelques heures • les HC en émulsion mécanique dite secondaire qui est stable indéfiniment en raison de la taille submicronique des particules, qui sont assimilables à des colloïdes

-

les émulsions chimiques • les HC en émulsion chimique dans laquelle, soit la présence d’un tiers polluant (savons, soude, Na, détergents), soit la nature des HC (composés asphalténiques) modifient la tension superficielle et stabilisent chimiquement la dispersion

-

les HC en solution • les HC moléculairement dissous tels que les aromatiques • les HC solubilisés de par leur origine particulière (acides naphténiques liés à l’acidité organique du brut)

Il faut aussi citer les HC insolubles enrobés sous forme de film autour de MES grossières dont ils peuvent sensiblement modifier l’aptitude à la décantation ou à la flottation en constituants des agglomérats indécantables. 01040_B_F


F 3 -2

7

Industriellement, dans l’impossibilité de classer les HC de façon simple en laboratoire, on les sépare en trois grandes catégories dont chacune est traitable par une voie d’épuration spécifique : - prédéshuilage qui élimine les HC libres et la fraction la plus grossière des émulsions mécaniques - épuration physico-chimique qui élimine la fraction résiduelle des émulsions mécaniques ou la totalité des HC en émulsion chimique - épuration biologique qui élimine la réaction biodégradable des HC dissous ou solubilisés Les HC solubles non biodégradables constituent une quatrième catégorie qui ne fait l’objet que de traitements peu fréquents mais efficaces : stripage à la vapeur si les concentrations sont élevées ou percolation sur charbon actif en grains si les concentrations concernées sont faibles. On peut donc préciser le domaine d’action général des trois étapes qui théoriquement ont été organisées au bénéfice des seuls HC et qui sont maintenant complétées d’une quatrième. a - Prédéshuilage Élimination de la pollution en suspension : -

MES granuleuses (sables, argiles, gravillons) HC libres, en nappes, en gouttelettes de 100 à 200 microns

b - Épuration physico-chimique Élimination de la pollution colloïdale : -

MES fines (limons, produits de corrosion) HC en émulsion mécanique ou chimique

Cette étape est appelée physico-chimique parce qu’elle combine l’emploi d’un réactif coagulant et d’une séparation gravitaire des MES ou HC floculés. c - Épuration biologique Élimination de la pollution dissoute et biodégradable : -

composés oxygénés (acides, aldéhydes, phénols, solvants)

-

composés du soufre tels que S2 O3 (effet enzymatique)

-

HC aromatiques, en partie

2-

- NH4 (nitrification/dénitrification) d - Épuration “tertiaire” Elle est ainsi appelée par analogie avec l’épuration des ERU qui suit leur épuration biologique dite secondaire et dont le but est l’amélioration de l’élimination de P. En raffinage comme en pétrochimie, cette étape, de plus en plus fréquente, peut avoir pour but soit de satisfaire à des normes de rejets plus sévères (COT, MES, DCO, N-NH4), soit de recycler les eaux.

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F 3 -2

8

F 3 -2

La réalisation de l’épuration tertiaire revêt souvent les formes suivantes : amélioration de la clarification et de la déphosphatation amélioration du déphénolage (filtres biologiques) réduction des aromatiques et de la DCO (charbon actif en grains)

I

II

III

IV

Prédéshuilage

Épuration physicochimique

Épuration biologique

Épuration tertiaire

HC émulsion Colloïdes

DBO5 Phénols

MES P traces polluants DCO COT

Élimination : HC MES

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D MEQ 1471 A

-

9

IV - TRAITEMENTS PHYSIQUES 1-

OBJECTIFS Sa première fonction est l’élimination des HC flottants et d’une fraction des HC des émulsions mécaniques en vue de permettre de restituer une eau suffisamment déshuilée pour assurer l’exploitation physico-chimique sise en aval d’une façon simple et à des doses de réactifs économiques. Sa seconde fonction est aussi l’élimination des sables et alluvions qu’il ne serait pas souhaitable d’envoyer à l’épuration physico-chimique où ils constitueraient une gêne à la bonne collecte, à la concentration et à la disposition finale des boues huileuses flottées. Il fonctionne donc sans réactifs et doit, en écrêtant les arrivées d’HC, égaliser les niveaux d’HC résiduels à l’entrée du physico-chimique, alors que jadis il constituait le stade souvent unique de l’épuration et devait être surdimensionné. Selon la finesse des émulsions présentes, les niveaux d’HC insolubles obtenus peuvent en fait varier de 20 à 150-200 mg.l–1 (en pétrochimie) et ne sont pas, a priori, prévisibles ou calculables.

2-

MODALITÉS La séparation des huiles et sédiments est basée sur la sédimentation naturelle, à savoir la décantation. Cette dernière se fera d'autant plus facilement que : – la vitesse de circulation de l'eau sera faible, d'où la nécessité de réaliser la décantation dans de très grands bassins – la vitesse ascensionnelle des gouttelettes d'huile sera importante. Cette dernière est calculée selon la formule de Stokes : Va =

K x d2 x g x ∆ρ g

Va

:

vitesse ascensionnelle

D

:

diamètre de la gouttelette d'huile

∆ρ

:

écart entre les masses volumiques des deux fluides

µ

:

la viscosité de l'huile

K

:

constante qui dépend de la forme de la goutte

Enfin, la courbe ci-dessous montre que cette séparation se fera d'autant plus facilement que la température de l'eau est importante

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F 3 -2

10

F 3 -2

10,6

Vitesse (m/h)

8,45

6,2

5,2 4,7 4,6 150µ

3,75

2,74 2,3 2,04 1,8 1,6

100µ

1,1 0,84

D TH 1409 A

150µ

100µ 0

10 Huiles d = 0,850 à 20 °C Huiles d = 0,935 à 20 °C

20

30

40 Température (°C)

Vitesse ascensionnelle de rémontée des gouttes d'huile dans un écrémeur

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11

Selon l'orgine de l'effluent et le traitement en aval, deux conceptions de déshuileurs sont possibles : -

déshuileurs de sécurité Ils sont relatifs à des effluents qui ont, par nature, déjà subi une bonne séparation et leur fonction est surtout d’intercepter les passages d’HC par à-coups liés à un mauvais contrôle de l’interface eau-huile dans les ouvrages précédents. Il s’agit ainsi : • d’eaux de déballastage qui ont séjourné quelques jours dans leur réservoir • d’eaux de dessalage qui ont séjourné quelques heures dans le dessaleur • d’eaux de procédé, préstockées Ces déshuileurs peuvent être très compacts (10 à 20 minutes de temps de séjour suivant le type). Les teneurs moyennes en HC à l’entrée varient de 50 à 100-150 mg.l–1 et ne sont guère réductibles.

-

déshuileurs normaux Ils sont relatifs à des effluents arrivant directement, sans stockage antérieur et chargés d’HC au gré des incidents de fabrication et de manutention. Ces effluents présentent constamment une forte émulsion, surtout mécanique et des nappes d’huile inopinées. Il s’agit des eaux huileuses et des eaux accidentellement huileuses dont les concentrations moyennes journalières en HC peuvent varier entre 0,1 et 2 g.l–1 HC, sinon davantage. Ces déshuileurs doivent être dimensionnés pour permettre à la décantation des fines gouttelettes de se développer complètement et, là encore, d’atteindre les seuils de 50 à 150 mg.l –1 HC insolubles selon les origines des eaux, à partir desquelles une épuration physico-chimique devient intéressante. Ces fonctions ne sont plus celles qui présidaient avant les années 1960 au choix et au dimensionnement des séparateurs longitudinaux, dont surtout les séparateurs API (c’est-àdire calculés suivant une norme American Petroleum Institute), ceci pour deux raisons : • à cette époque, les contraintes liées à l’environnement n’étaient pas dominantes et le séparateur constituait l’élément principal sinon exclusif de tout le traitement des ER d’une raffinerie, hormis le stripper du FCC. On peut ainsi voir dans les plus anciennes raffineries européennes des ensembles de grands bassins longitudinaux, non raclés, non couverts, assurant des temps de séjour de 3 à 8 heures et quelquefois suivis de filtres à foin (hay filter) : ce sont des cages grillagées remplies sur une épaisseur de 0,5 à 1 m de foin traversé par le courant d’eau. Après saturation, cet excellent adsorbant était extrait avant d’être brûlé -

depuis les années 70, la disponibilité sur le marché de coagulants organiques a procuré aux exploitants un outil très performant qui s’est substitué aux coagulants minéraux (Al 3+ et Fe3+ ) avec le double avant de concerner des émulsions plus concentrées en HC et de produire des boues moins abondantes et peu hydrophiles. Ceci a accru le domaine de l’épuration physico-chimique (par flottation à l’air dissous comme aussi par filtration) en requérant de moindres performances des déshuileurs

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F 3 -2

12

3-

DÉSHUILEURS GRAVITAIRES En raffinage on rencontre deux familles de séparateurs dont les performances peuvent être améliorées par des dispositions complémentaires : -

les séparateurs décanteurs où l’huile est directement captée à la surface du plan d’eau de l’ouvrage. Ce sont les séparateurs longitudinaux “API” et les séparateurs circulaires

- les séparateurs lamellaires ou à plaques dans lesquels l’huile est captée directement par la face inférieure de plaques obliques puis ramenée à la surface de l’ouvrage. Les plaques ont une double fonction de définition de parcours très courts pour les globules et d’effet de coalescence, liés tous deux à la faiblesse des espacements interlamellaires a - Séparateurs longitudinaux API • Calculs Ces appareils sont donc calculés dans le but d’éliminer des globules huileux de plus de 150 microns. La norme API calcule trois paramètres principaux : -

la surface horizontale utile du plan d’eau la section verticale un rapport hauteur/largeur du bassin compris entre 0,3 et 0,5

Ces hypothèses expliquent la construction des séparateurs sous la forme de plusieurs bassins en parallèle et de faible profondeur pour lesquels l’API recommande aussi de ne pas excéder les proportions suivantes : -

largeur entre 1,8 et 6 m profondeur entre 0,65 et 2,4 m temps de séjour de 1 à 3 heures

• Reprise des huiles et flottants À l’origine, les déshuileurs API étaient équipés de goulottes cylindriques ou d’auges à commande manuelle ou pneumatique pour extraction périodique, ce qui provoquait un entraînement plus ou moins considérable d’eau avec les slops. Les goulottes sont réalisables à des diamètres de 200 à 300 mm, sinon 360 pour les bassins doubles. Elles doivent pouvoir être orientées vers l’aval comme vers l’amont afin de ne pas laisser une couche d’huile stagnante.

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F 3 -2

13

F 3 -2

Huile

Goulotte fixe

D MEQ 1517 A

Huile

Goulotte orientable

Goulottes fixes et orientables

De plus, une cloison siphoïde peut être installée à la sortie du décanteur, afin d'améliorer la séparation huile / eau / sédiments.

D MEQ 1518 A

Huile

Eau

Sédiments

Cloisons siphoïdes

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14

F 3 -2

Dans les régions très venteuses (mistral), l’orientation et la direction du courant d’eau dans les bassins non couverts doivent être choisies avec prudence, mais pour les ouvrages nouveaux la couverture devrait s’imposer. En l’absence de couverture, la nappe d’huile en surface est soumise à un entraînement plus ou moins important suivant la température de l’eau et l’intensité des vents. Ceci peut entraîner la pollution de l’air par les HC volatils, indépendamment des odeurs générées par les mercaptans. C’est pourquoi la réalisation d’un puisard de tête couvert (forebay), en forme de tronc de pyramide permet l’extraction simple et continue des HC ici collectés qui sont les plus légers et les plus volatils et discontinue des boues par une pompe immergée. L’API donne dans son manuel l’exemple d’arrangement général. Dans certains bassins, l'extraction des hydrocarbures est améliorée par l'utilisation de déshuileurs dynamiques tels que des tambours à oléophiles ou des vortex. • Tambours oléophiles Ils sont constitués d'un cylindre revêtu d'un matériau oléophile. En rotation continue à la surface de l'eau, ils retiennent sélectivement les hydrocarbures qui sont ensuite éliminés par un racleur fixe.

Tambour

Racleur

Huile

D MEQ 1516 A

Goulotte

Sens de circulation Tambour oléophile

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15

F 3 -2

• Vortex La séparation est réalisée selon le principe de la force centrifuge. Un vortex est créé grâce à une hélice tournant à l'intérieur d'une virole dont le fond est plat, par différence de densité, et grâce à la force centrifuge, l'huile se retrouve au centre de la virole où elle sera pompée. Quant à l'eau, plus lourde, elle sera éjectée hors de la virole.

Moteur

Huile

D MEQ 1515 A

Vers pompe

Hélice

Virole

Extracteur d'huile à vortex

• Reprise des boues de fond Les séparateurs n'étant pas en principe prévus avec un système de raclage de fond, l'API recommande la mise en place d'un second bassin parallèle disponible pendant l'entretien du premier. Un tel fonctionneent à niveau croissant des boues le long d'un trimestre ou d'une année entraîne une accélération des vitesses de transit et une décroissane des performances de séparation, indépendamment des flottations intempestives qui peuvent provenir de fermentations anaérobies en développement dans le lit de boues. Dans le schéma ci-après, le problème évoqué n'existe pas puisque la présence d'un pont rulant muni d'un racleur de fond permet l'évacuation en continu des boues décantées.

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16

Collecte des huiles Tambour oléophile

F 3 -2

Pont racleur

Collecte des huiles

Grille +

Déversoir

CANAL DE TRANQUILISATION

EAU DÉSHUILÉE D SEC 232 A

Arrivée d'eau brute

Baffle

Extraction des boues

Grille de rétention Batardeaux pour isolement d'un bassin

Alimentation

Collecte d'huile Concentrateurs à boues

Goulotte orientable ou tambour Canal de sortie

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D SEC 2028 A

Fosse à hydrocarbures

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F 3 -2

b - Déshuileurs circulaires • Principe L’API signale également la possibilité de construire des déshuileurs circulaires dont le profil épouse celui des clarifieurs d’eaux d’appoint avec toutefois l’adjonction d’une paroi siphoïde périphérique et très profonde. Cette technique, bien qu’exigeant un génie civil plus coûteux, est à nouveau en développement parce qu’elle peut résoudre plusieurs des problèmes posés par les séparateurs longitudinaux : - un raclage complet du radier et partiel du concentreur central de boues, par un pont racleur à entraînement central ou périphérique permet d’éviter les zones mortes ou difficiles à extraire - le déversoir périphérique a un développement maximal de 3,14 D qui définit des variations de hauteur de lame d’eau de quelques centimètres pour des variations considérables du débit traversant. Des charges hydrauliques de 3 à 15 m 3 .h –1 par mètre de déversoir sont en effet maintenues suivant la croissance du diamètre D du déshuileur - le puits central d’adduction d’eau brute peut être couvert et équipé d’un soutirage continu des huiles. Ce puits, en un temps de séjour de 2 à 5 min, peut rassembler les nappes d’huiles et les plus gros globules des huiles les plus légères. L’extraction de ces huiles se fait à l’abri du vent et le dégagement d’odeurs est considérablement freiné - la zone périphérique est donc utilisée à la décantation des boues et à la flottation des huiles les plus lourdes ou enrobant des MES Le volume défini pour cette séparation secondaire, entre siphoïde et puits central, peut représenter un séjour moyen de 30 à 40 min et correspond à des charges superficielles de 3 à 6 m3 .h –1 par mètre carré

EB

ED

Boues

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D MEQ 1470 A

Huiles

18

L’admission d’eau brute pose toutefois un problème : si elle est aérienne, il faut éviter une chute d’eau génératrice d’émulsion. Si elle est enterrée, le profil de l’admission doit être étudié de façon à éviter le risque de bouchage ou permettre l’entretien sans la construction coûteuse d’une galerie d’accès souterraine. c - Déshuileurs lamellaires L’application du principe de la séparation des huiles à travers des plaques est ancienne et des déshuileurs PPI (Parallel Plates Interceptors) ont été installés dès les années 1950 par Shell. Cette technique a ensuite connu, en clarification d’eaux turbides ou d’ER, un développement accru grâce à la manufacture d’ensembles monoblocs de plaques en matériau plastique. Un regain d’intérêt en est aussitôt résulté quant à l’application de la séparation lamellaire aux eaux huileuses. • Principe La théorie de ces appareils étant exposée dans les ouvrages spécialisés de traitement, on se limite à rappeler quelques caractéristiques de cette construction. L’insertion d’un ensemble de plaques parallèles, généralement inclinées à 45° ou à 60° dans un séparateur déshuileur, apporte une triple amélioration du fonctionnement. En divisant la hauteur du parcours moyen de remontée des globules d’huile en autant de fois qu’il y a d’intervalles de plaques occupant la hauteur utile du décanteur. Ces intervalles de plaques sont de 10 cm pour les PPI, 2 ou 4 cm pour les CPI (Corrugated Plates Interceptors) et les TPS (Tilted Plates Separators). Il en résulte une diminution considérable du chemin parcouru par un globule avant sa capture et une compacité des ouvrages, du moins quant à leur surface au sol, trois à quatre fois moindre que celle de séparateurs normaux. On peut ainsi comparer un API d’une profondeur d’eau moyenne de 1,6 m à un PPI ou à un CPI qui offre sous la même hauteur utile huit étages de séparation ou près d’une cinquantaine. En favorisant un processus de coalescence, c’est-à-dire de grossissement des globules d’huile par contact entre l’eau et un film huileux développé sur une surface considérable. Cet effet bénéfique n’est pas procuré par les séparateurs longitudinaux ou circulaires. Réciproquement une densité élevée des plaques, avec des eaux froides et sales, surtout si elles sont chargées de paraffines, favorise un développement de dépôts important ou “engraissement” sur ces plaques qui entraîne une réduction de la section libre de passage et peut doubler la vitesse d’écoulement dans les appareils à intervalles de 2 cm. Il en résulte une détérioration des performances du séparateur. Ainsi avec des EAH relativement plus froides et plus sales, le nettoyage de blocs, qui exige leur démontage hors ouvrage, peut intervenir tous les trois à quatre mois. Avec des eaux de procédé chaudes (condensats, etc.) le problème du figeage n’apparaît pas et la croissance des dépôts ne nécessite qu’une intervention préventive annuelle. Les intervalles de 2 cm deviennent alors possibles. Une deuxième limite d’emploi provient du caractère modulaire de cette construction. Avec des espacements de 4 cm et une capacité nominale de bloc de 30 m3 .h –1 , une dizaine de blocs préfabriqués sont mis en œuvre pour traiter un débit maximal de 300 m3 h–1 d’EAH. Pour aligner un tel nombre de modules en parallèle, il y a des problèmes consécutifs : -

d’équirépartition à l’entrée, c’est-à-dire d’ouvrages qu’il est souhaitable mais difficile de couvrir - de raclage de radiers d’ouvrage assez profonds - de coût d’exploitation lié aux nettoyages périodiques - de couverture générale 01040_B_F


F 3 -2

SORTIE

Lame ajustable

soutirage des sédiments

goulotte de récupération hydrocarbures

SEPARATEUR CPI

Hydrocarbures

soutirage des sédiments

ENTREE

Lame ajustable

19

F 3 -2

• Réalisations

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D MTE 2124 A

20

V-

F 3 -2

ÉPURATION PHYSICO-CHIMIQUE DES EFFLUENTS PRÉDÉSHUILÉS Cette épuration est la phase intermédiaire entre le prédéshuilage (séparateurs API ou séparateurs lamellaires) et l’épuration biologique. Elle a à traiter des effluents contenant encore : - de 30 à 100-150 mg.l–1 d’hydrocarbures en émulsion fine - des matières colloïdales ou en suspension - des métaux dissous ou en suspension - éventuellement des sulfures Elle implique la floculation de ces effluents par des produits chimiques et une séparation physique solideliquide des boues formées par la floculation.

1-

BUT DE L’ÉPURATION PHYSICO-CHIMIQUE D’abord éliminer les hydrocarbures insolubles jusqu’à des teneurs résiduelles possibles de 2 à 30 mg.l –1 suivant les législations et les méthodes. Ensuite, assurer plusieurs opérations importantes, conjointes et nécessaires soit pour un rejet direct, soit pour alimenter l’épuration biologique : -

neutralisation du pH précipitation des métaux lourds toxiques oxydation ou précipitation des sulfures en excès par un sel de fer clarification des eaux

Pendant de nombreuses années, cette épuration a été réalisée en trois étapes, par analogie d’ailleurs avec la clarification des eaux de rivière : - coagulation à partir de sels d’aluminium ou de fer, avec appoint éventuel de chaux (coprécipitant, afin de densifier le floc et d’un polyélectrolyte anionique (floculant) - séparation du floc huileux d’hydroxyde métallique par décantation lente, initialement, puis exclusivement par flottation à l’air dissous - épaississement, déshydratation et incinération de boues hydrophiles volumineuses Dès les années 70, la maîtrise de la flottation à air dissous (FAD) et la disponibilité de coagulants organiques ont modifié et simplifié les conditions de la flottation : - en supprimant le recours à la chaux, réactif de manipulation délicate - puis en remplaçant le coagulant minéral par un coagulant organique qui génère des boues moins hydrophiles et peu abondantes. L’exploitation des FAD a ainsi été rendue plus simple et moins coûteuse PRINCIPE Modalités

Coagulation et séparation de floc Coagulant :

Séparateurs

Filtres granulaires Émulsion mécaniques

Organique C n+

Flottateur à air dissous

Émulsion chimiques

Décanteurs + Densifiant CaCO3 -Ca(OH)2

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D SEC 1315 A

Minéral AL3--Fe2+

21

2-

PROCÉDÉS D’ÉPURATION a - Phénomène de coagulation Il s’agit de transformer les fines matières en suspension et les colloïdes d’une solution pour qu’elle puisse s’agglomérer entre elles (floculation) et devenir séparable de la solution. Pour ce faire, on va jouer sur les charges électriques des particules, l’expérience prouve en effet que les fines particules portent des charges électriques négatives qui les repoussent les unes les autres et les empêchent de s’agglomérer. On recherche donc des produits chimiques qui en solution dans l’eau donnent naissance, par hydrolyse, à des charges électriques positives neutralisant les charges des particules et permettant leur agglomération. Il existe actuellement deux types de coagulants : -

les coagulants minéraux : • sels d’aluminium : sulfate d’aluminium, chlorure d’aluminium ou polymères d’aluminium • sels de fer : chlorure ferrique, sulfate ferrique, chlorosulfate ferrique • sulfate de cuivre • ozone

-

les coagulants organiques de synthèse de forte masse molaire (104 à 105 g) qui produisent des boues plus denses que les coagulants organiques et donc un volume moindre. On peut citer le mélamineformaldéhyde et l’épichlorhydrinediméthylamine

On ajoute souvent une base, principalement de la chaux, aux coagulants minéraux car leur hydrolyse dans l’eau conduit à une apparition d’acidité qui serait nuisible à la floculation. b - Phénomène de floculation Les charges négatives des particules ayant été neutralisées par l’agent coagulant, on ajoute un second produit chimique jouant un rôle de promoteur dans le rassemblement des particules, il s’agit d’un floculant. Un bon résultat de coagulation est obtenu avec une forte agitation pour favoriser la rencontre des particules à coaguler et le coagulant, par contre la floculation demande une agitation modérée pour éviter la destruction du floc en cours de formation. Comme les deux procédés sont le plus souvent développés dans le même bassin, il faut réaliser une agitation modérée qui permette le développement parallèle des deux phénomènes chimiques. Les adjuvants de floculation sont de trois types : - les floculants minéraux : essentiellement la silice activée éventuellement associée au sulfate d’aluminium. Le taux de traitement est de 0,5 à 4 mg/l exprimé en SiO2 - les floculants organiques extraits de substances animales ou végétales ; en traitement des eaux on trouve essentiellement des alginates ou des amidons -

les floculants organiques de synthèse qui sont classifiés en floculants anioniques lorsqu’ils comportent des charges électriques positives, les floculants neutres (polyacylamides) et les floculants cationiques portant des charges électriques négatives (MADAM ou ADAM). La concentration d’injection est de 0,5 à 5 mg/l

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F 3 -2

22

F 3 -2

Il est à noter que les phénomènes de coagulation - floculation dépendant énormément des conditions de température et d’acidité du milieu ambiant. Lorsque l’agent de coagulation est un sel d’aluminium, les meilleurs résultats sont obtenus pour un pH compris entre 6 et 7,4. Pour les sels de fer il faut s’assurer d’avoir un pH supérieur à 8 (pH compris entre 8,4 et 8,8). Des injections d’acide ou de base sont souvent nécessaires pour contrôler la fourchette de pH à maintenir. Cette fourchette optimum de pH est déterminée en laboratoire sur des échantillons d’eau à traiter. La floculation est également favorisée par une présence importante de boues dans le bassin de floculation. Pour augmenter le taux naturel de boues on peut : -

soit recirculer les boues à débit régulier sans turbulence excessive

- soit maintenir un lit de boue dans un décanteur à flux ascendant. Le lit maintenu à mihauteur joue alors le rôle de promoteur de floculation, mais aussi de filtre à particules fines qui augmente les performances de floculation. Dans ces procédés les débits d’eau à traiter ne doivent pas être augmentés brutalement sous peine d’entraînement des boues en surface

c - Bassins de coagulation - Floculation Il s’agit le plus souvent de bassins cylindriques lorsqu’ils ne sont pas compartimentés ou de bassins parallélépipédiques lorsque les injections de produits sont séparées de la zone de floculation. Pour le développement d'un floc cohérent, il est nécessaire d'avoir un écoulement suffisamment lent mais avec un brassage interne pour permettre la rencontre des particules. Dans le cas d'un bassin d'injection unique pour le coagulant et le floculant il faudra trouver un compromis sur la vitesse d'agitation qui permette une bonne coagulation sans destruction du floc.

Chaux coagulant Eau à floculer

floculant

Eau + Floc vers décanteur

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D MTE 2118 A

vers pH mètre

23

F 3 -2

d - Récupération des flocs après coagulation et floculation : formation - décantation • Décanteur cylindrique Ce procédé de moins en moins utilisé utilisait la chaux ou le carbonate de calcium pour densifier le floc et le récupérer en fond de bassin. L’appareil est identique à celui décrit au paragraphe I-1. Il est à noter que le coagulant et le floculant peuvent être introduits directement dans le cylindre central du décanteur ce qui évite le bassin d’injection. ENTRAINEMENT RACLEUR

Eau à clarifier

Boues

Evacuation surnageants

D MTE 2119 A

Eau Eclaircie

• Flottation à air dissous C’est aujourd’hui le procédé de récupération des flocs le plus largement répandu pour le traitement des eaux huileuses d’usines pétrochimiques. Il consiste à injecter de l’air dissous sous pression dans un mélange eau-floc et ainsi diminuer la densité apparente du floc qui va remonter à la surface où il peut être recueilli par raclage. Le floc plus lourd s’accumule sur les parois du flottateur et finit par se déposer au fond de l’appareil sous forme de boues qu’il faut également évacuer. PRODUITS CHIMIQUES DE FLOCULATION ET DE NEUTRALISATION

Pont racleur

Écumes

Eau traitée

SORTIE

Écumes FLOTTATEUR FLOCULATEUR EAU DÉSHUILÉE PAR DÉCANTATION

Boues Eau coagulée

AIR FC

PC

BALLON DE SATURATION

Schéma de principe de la floculation/flottation 01040_B_F


POMPE DE RECYCLAGE

D SEC 233 A

LC

24

L’eau floculée est admise à la base de la partie cylindrique centrale du décanteur. Également à cette base est injectée un mélange d’eau et d’air gazeux. Le mélange eau + air + floc est distribué dans la partie annulaire du décanteur. L’air va se trouver piégé par le floc et abaisser ainsi notablement sa densité apparente, le phénomène est amplifié du fait que la pression chutant en cours de remontée les bulles d’air ont tendance à grossir et à ainsi “alléger le floc”. Le floc est ramené par un racleur sur un secteur de la surface libre et est évacué par gravité dans une goulotte conique. L’eau épurée est recueillie quelques centimètres en dessous de la surface libre et est évacuée par une couronne circulaire autour du décanteur. Pour obtenir les fines bulles d’air nécessaires au procédé, on prépare dans un ballon de pressurisation une eau saturée en air sous une pression d’environ 6 bar relatifs. L’eau provient de la sortie du décanteur de floculation constituant ainsi un recyclage partiel et l’air sous pression peut être soit prélevé à un réseau de distribution, soit amené par un compresseur spécifique à l’installation. Entre le ballon de pressurisation et le bassin décanteur est installée une vanne automatique au travers de laquelle une détente instantanée de 5 bar environ de l’eau saturée est réalisée. Cette détente donne naissance à des bulles d’air d’un diamètre de quelques dizaines de microns remontant dans le courant d’eau recyclée détendue et rejoignant le débit d’eau floculée à traiter. Le floc allégé par l’air remonte ainsi dans le bassin de décantation à une vitesse supérieure d’environ 10 m/h à celle de remontée de l’eau éclaircie ce qui permet une bonne récupération du floc en surface. À la sortie de ce traitement la teneur en hydrocarbure est inférieure à 10 mg/l et, en l'absence d'autres polluants, l'eau peut être restituée à l'environnement. La présence de matières organiques non hydrocarburées ou de phénol pourra nécessiter un traitement biologique en aval (voir paragraphe suivant). • Dimensionnement et conditions opératoires d’une flottation à air dissous : - hauteur de décantation : - surface de décantation : - consommation d’air : - production de boues :

2à4m 0,2 m 2 par m 3 /h à traiter 300 NM 3 pour 1000 m3 d’eau de 0,5 à 3 m3 pour 1000 m3 d’eau selon le coagulant utilisé

• Consommation de produits chimiques : - coagulant : - coagulant organique : - floculant organique :

Fe Cl 3 50 kg à 100 kg pour 1000 m3 d’eau 1 à 2 kg pour 1000 m3 d’eau de 0,5 à 1 kg pour 1000 m3 d’eau selon le coagulant utilisé

On peut retenir que les coagulants organiques présentent par rapport aux coagulants minéraux les avantages suivants : -

doses à injecter beaucoup plus faibles production de boues plus faible du fait de la meilleure compacité des boues consommation de floculant plus faible

Les coûts unitaires des coagulants organiques étant beaucoup plus élevés, il est souhaitable de mener parallèlement aux essais pilotes une étude économique globale pour la sélection du coagulant à mettre en œuvre.

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F 3 -2

25

F 3 -2

VI - STRIPAGE DES EAUX DE PROCÉDÉS Dans ce réseau de collecte en tuyauterie fermée on trouvera les principaux polluants suivants : -

hydrocarbures légers non décantables riches en H 2S et mercaptans

-

de la soude diluée provenant des sections de neutralisation des gaz

-

du phénol, sous-produit des réactions de craquage

-

une demande chimique en oxygène (DCO) très au-dessus de la norme autorisée du fait de la présence de produits chimiques très réducteurs tels que les bactéricides des eaux de cooling towers, les désémulsifiants antimoussage, la DEA et la MEA, le MEROX, la morpholine, etc.

Une analyse des eaux de procédés avant traitement est présentée ci-dessous :

Hydrocarbures (mg/l)

10 à 100

pH

7,5 à 9,5

H 2 S (mg/l)

300 à 10 000

NH3 (mg/l)

100 à 7 000

DCO (mg/l)

2 000 à 10 000

Phénols (mg/l)

100 à 1 000

Le traitement de ces eaux hautement toxiques est réalisé en quatre étapes : -

une étape de décantation dans un bac ou un ballon afin de recueillir les hydrocarbures décantables

-

une section d'injection d'acide afin de neutraliser la soude et l'ammoniaque contenues dans les eaux procédés

- une section de stripage à l'air ou à la vapeur pour éliminer les hydrocarbures légers, l'H2S et les mercaptans. Le schéma d'une section de stripage à la vapeur est donnée ci-dessous

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26

104

0,3

F 3 -2

GAZ vers UNITÉ DE CONVERSION ou D'INCINÉRATION

25

Pression (bar rel.)

STRIPPER D'EAU DE PROCÉDÉ

Température (°C)

0,42

Vapeur BP

110

EAU DE PROCÉDÉ DÉCANTÉE NEUTRALISÉE

EAU vers TER

EAU vers STOCKAGE D SEC 234 A

1

Le ballon de reflux permet de renvoyer l'eau en tête de colonne et de déshumidifier le gaz de tête dirigé vers une unité de production de soufre. Le taux de phénol retenu dans les gaz de tête par rapport au phénol présent dans la charge est assez faible (25 à 30 %) selon la nature des phénols et les conditions d'exploitation. L'eau effluente en fond de colonne est dirigée vers la section suivante (bassin biologique) ou lorsque cela est possible recyclée sur le site (pour le dessalage du brut, par exemple, dans le cas d'une raffinerie). Ce recyclage permet un allégement de la charge du bassin biologique en aval de la section.

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F3-2.pdf

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