CHIMIE DES EAUX
Mme F. Dermouche
INTRODUCTION
"L'eau pourrait bientôt être plus convoitée que le pétrole" Ce constat d'un expert de l'Unesco sonne comme une mise en garde. Car l'accès à l'eau douce menace d'être le problème majeur du XXIe siècle. Aujourd'hui, une personne sur cinq, soit plus d'un milliard d'êtres humains, n'a pas accès à l'eau potable. Un manque croissant est déjà source de conflit. L'ONU recense environ 300 zones potentielles de conflits pour le contrôle de l'eau dans le monde. Pourtant la "planète bleue" ne manque pas de ressources. L'eau couvre les trois quarts de la surface de notre planète. Il s'agit essentiellement d'eau de mer (97,5%) et des glaces des pôles. L'eau douce liquide ne représente que 0,03% des réserves. L'eau ne disparaît pas mais elle ne se crée pas non plus et la demande d'eau ne fait qu'augmenter sur tous les continents. Le cycle de l'eau passe toujours par les mêmes phases (voir schéma):
Répartition des eaux douces & salées
Quatre grands réservoirs d’eau de l’hydrosphère ¾les mers et océans, ¾les eaux continentales (superficielles et souterraines), ¾l’atmosphère, ¾la biosphère, L’échange d’eau est permanent et forme le cycle externe de l’eau. Le moteur de ce cycle
le soleil
Grâce à l’énergie thermique qu’il rayonne, il active et maintient constamment les masses d’eau en mouvement. Ce cycle se divise en deux parties intimement liées : - une partie atmosphérique: circulation de l’eau dans l’atmosphère, sous forme de vapeur d’eau essentiellement, - une partie terrestre: écoulement de l’eau sur les continents, superficiel ou souterrain. La dynamique du cycle de l’eau: En moyenne sur l’année et sur l’ensemble du globe terrestre, 65% des précipitations arrivent à terre s’évaporent, 24% ruissellent et 11% s’infiltrent.
Cycle de l’eau stationnaire: Des échanges d’eau se produisent également entre l’hydrosphère et le manteau terrestre. Dans la haute atmosphère, des molécules d’eau sont constamment décomposées par les rayons ultraviolets solaires et l’ hydrogène ainsi créé, trop léger pour être retenu par la gravité, s’échappe dans l’univers. Mais ces phénomènes restent suffisamment négligeables pour que globalement la quantité totale d’eau dans l’hydrosphère reste constante : l’analyse des sédiments marins a en particulier révélé que le volume des eaux océaniques avait très peu varié depuis un milliard d’années. On peut donc considérer que le cycle de l’eau est stationnaire. Toute perte d’eau par l’une ou l’autre de ses parties, atmosphérique ou terrestre, est compensée par un gain d’eau par l’autre partie.
Le cycle naturel 1. L'évaporation : l'eau des océans, des rivières et des lacs s'évapore et monte dans l'atmosphère. 2. La condensation : dans l'atmosphère, la vapeur d'eau se condense en minuscules gouttelettes formant des nuages. 3. Les précipitations : les nuages déversent leur contenu sous forme de pluie, neige ou grêle. La majeure partie de l'eau tombe directement dans les océans. 4. Le ruissellement et l’infiltration: l’eau qui tombe sur les continents rejoint les torrents et rivières qui se jettent à leur tour dans les océans ou s’infiltre dans le sols et alimente les nappes phréatiques qui donneront naissance à des sources Et le cycle recommence… L’intervention humaine a. Les prélèvements : les activités humaines prélèvent l’eau dans les rivières ou dans les nappes et la traitent avant usage. b. Les usages : l’homme utilise l’eau pour des activités domestiques et industrielles. c. L’épuration : après usage, l’eau subit une épuration. d. Le rejet dans le milieu naturel : après épuration, l’eau retrouve le milieu naturel.
4 Phénomènes naturels entretiennent le cycle de l’eau
L’eau se retrouve partout sur la Terre, elle peut se présenter sous différentes formes et chacune de ses formes correspond à un état physique de l’eau : • État solide : glace, neige, verglas... La neige est bien un état solide de l'eau, car elle est constituée de petits fragments solides de glace. • État liquide : Mers, lacs, rivières, pluie, nuages, brouillard... Les nuages correspondent à un état liquide de l'eau, car ils sont constitués de fines gouttelettes d'eau qui sont en suspension. • État gazeux : vapeur d’eau.
Chutes d'eau LIQUIDE
Iceberg SOLIDE
Nuages VAPEUR
L’eau potable : son cheminement jusqu’à la maison
L’eau usée : son cheminement quittant la maison
Dans les grandes villes, l'eau utilisée par la famille chaque jour s'écoule dans les tuyaux d'évacuation des eaux usées . Ces tuyaux aboutissent à une canalisation plus grosse, elle-même reliée, à l'extérieur de la maison, à un système de collecte d’égouts. Celui-ci dessert toute la communauté et collecte l'ensemble des eaux usées des habitations. À leur sortie des maisons, les eaux impropres sont dirigées vers une station d'épuration où elles sont traitées avant d'être rejetées dans l’environnement (rivières, lacs, mers, etc.) Cette situation idéale ne concerne cependant qu'une faible partie de la population.
Eau saine Eaux usées
Deux habitations sur trois ne sont pas raccordées à des systèmes d’égouts, où celles-ci sont déversées directement dans une rivière ou en nature. Dans les petites municipalités, la solution au problème de la pollution par les eaux usées est l'assainissement de ces eaux par l’utilisation de fosses septiques familiales.
UTILISATION DE L’EAU
Utilisation des propriétés thermodynamiques : •Fluide caloporteur : apport ou extraction d'énergie thermique des locaux, des process, ... •Production d'électricité par turbinage de vapeur. Utilisation des propriétés chimiques : •Milieu réactionnel : traitements de surface, teinturerie, ... •Solvant : lavage de récipients, de matières premières, de produits finis, de gaz/fumées ... Utilisation de l'énergie mécanique : •Entraînement de machines : turbinage •Transport ou déplacement de matières : pâtes à papier, déchets, récupération de pétrole ... •Découpe hyperbare, décalaminage, grenaillage, ...
Utilisation en tant que matière première : •réponse aux besoins hydriques : arrosage, irrigation, boisson, ... •fabrications de jus, boissons, conserves, ... •humidification de l'air, •préparation de solutés en pharmacie, cosmétologie, ... et aussi les loisirs... piscines, complexes nautiques, bains, ...
Principales utilisations industrielles de l’eau et sources disponibles
Eaux de process Eau de process c’est l'eau brute prélevée dans la nature et destinée aux besoins d'une usine pour : - sa production de vapeur - ses circuits de réfrigération - son procédé de fabrication
Alimentation des chaudières Une chaudière a besoin d’eau pour produire de la vapeur. L’eau d’alimentation de la chaudière est constituée d’eau d’appoint, qui sert à compenser les pertes, et des retours éventuels des condensats de vapeur. Pour garantir un fonctionnement optimisé de la chaudière, la qualité des eaux condensées et d’appoint doit être optimisée. En effet les condensats contiennent des impuretés provenant du primage de la chaudière, des produits de corrosion présents dans les tuyauteries de retour, des fuites éventuelles des échangeurs calorifiques. La qualité de l’eau d’appoint est dépendante de la pression de fonctionnement de la chaudière.
Schéma du circuit de l’eau dans une chaudière
L'eau brute provient de sources variées telles que: - une rivière, - un lac, - une nappe phréatique, - la mer, - un réseau urbain.
Les principales causes d'ennuis dans les trois postes ci-dessus peuvent se résumer comme suit: CHAUDIERES @ Variations des caractéristiques de l'eau utilisée @ Mauvais fonctionnement du matériel d'épuration @ Dosage incorrect des produits de conditionnement @ Contrôles d'eaux erronés ou insuffisants Ceci a généralement pour conséquences: @ L'entartrage des surfaces de chauffe des chaudières et l'encrassement par des dépôts divers @ La corrosion en chaudière et sur les lignes de vapeur condensée @ La dégradation du matériel ( chaudière et lignes de condensats) @ L'arrêt de production si la chaudière doit être arrêtée pour réparation.
CIRCUITS DE REFROIDISSEMENT @ Variations des caractéristiques de l'eau utilisée @ Mauvais fonctionnement du pré-traitement d'eau d'appoint @ Problèmes d'injection des produits dans l'eau recirculée @ Problèmes de déconcentration de l'eau recirculée @ Développements bactériens importants @ Contrôles d'eaux erronés ou insuffisants Ceci a généralement pour conséquences: @ L'entartrage ou la corrosion de certains organes du circuit @ Les encrassements, en particulier au niveau des échangeurs @ Mauvais rendements d'échange, d'où perte de production @ Arrêts pour nettoyages ou remises en état du matériel.
EAUX RESIDUAIRES @ Changement de caractéristiques de l'eau à traiter avant rejet @ Augmentation du débit des rejets @ Nouvelles normes de qualité d'effluent @ Contrôles d'eaux erronés ou insuffisants Ceci a généralement pour conséquences: @ Non conformité des eaux de rejet @ Sous dimensionnement des ouvrages de la station de traitement @ Surconsommation des additifs chimiques ( coagulants,…)
Les eaux, toujours minéralisées, et parfois polluées biologiquement ( par nature ou par apport extérieur) contiennent souvent des impuretés qui peuvent conduire logiquement à trois principaux types de problèmes: - la corrosion - l’entartrage - les proliférations organiques L'eau de rivière contient souvent beaucoup plus de solides en suspension que l'eau stagnante. L'eau de lac favorise les développements d'algues. L'eau de nappes souterraines contient généralement de grandes quantités de matières en suspension. Le degré de traitement dépend de l'usage final qui en est fait.
GENERATEURS DE VAPEUR Les qualités demandées par les constructeurs sont très variables en fonction du timbre de la chaudière : la qualité devra augmenter avec le timbre. On devra aussi veiller au cahier des charges de l'utilisateur : la vapeur doit pour certains usages, être d'une qualité irréprochable sur le plan chimique ou physique (cas des industries agro-alimentaires par exemple).
Caractéristiques des eaux pour les chaudières à tubes de fumée jusqu'à 25 bars Pression de service
<10bar
10-15 bar
15-25 bar
Eau d'alimentation conditionnée (eau d'appoint épurée + retours) pH
> 8,5
> 8,5
> 8,5
TH (°F)
< 0,5
< 0,5
< 0,2
02
Élimination physique de l'oxygène dissous par dégazage thermique et/ou utilisation de réactifs réducteurs ou inhibiteurs de corrosion.
Matières huileuses
absence Eau de chaudière
TAC (°F)
<120
<100
<80
TA (°F)
TA~0,7.TAC
TA~0,7.TAC
TA~0,7.TAC
SiO2 en mg.l-1
< 200
< 200
< 200
[1]
<2,5
< 2,5
<2
Salinité totale en mg.l-1
<5000
<4000
<3000
Cl-
<1000
<800
<600
PhosphatesPO43- (mg.l-1)
30 à 100
30 à 100
30 à 100
pH
10,5 à 12
10,5 à 12
10,5 à 12
SiO 2 TAC
[1]
Ce rapport doit être équivalent à celui de l'eau d'alimentation
Caractéristiques des eaux pour une chaudière à tubes de fumée (Steambloc Junior 100 kW, timbre de 10 bars) Eau d'alimentation pH
8,5
Dureté totale TH (°F)
0
Teneur en huile
Néant
Teneur en silice
La plus faible possible
02
<0,10 mg.l-1 Eau de chaudière
Dureté totale TH (°F)
0
TAC (°F)
40
TA (°F)
TA>0,7.TAC
SiO2 en mg.l-1
< 100
Salinité totale en mg.l-1
<3500
Cl- en mg.l-1
<700
PhosphatesPO43- (mg.l-1)
Entre 15 & 30
Pathologies : vues générales Non adéquation de la qualité de l'eau et du métal utilisé, Hétérogénéités, Mauvaise conception, réalisation ou maintenance.
Corrosions
Modification de l'équilibre calcocarbonique par : - élévation de température, - modification des pressions partielles - ajout d'alcalins Dépassement du produit de solubilité par : - évaporation/concentration, - modification de la température, Sédimentation déshydratation de boues
Incrustations
Dégradation des matériaux
Embouage Présence de sédiments qui peuvent provenir : - de la ressource, - de mauvaises conditions de réalisations ou de mise en service.
Autres dégradations pH trop élevé pour certains élastomères, eau agressive avec béton.
Accumulation de matières Présence de gaz qui peuvent provenir : - de la ressource et de modifications de la pression et/ou de la température, - de réactions au sein de l'eau.
Développement d'organismes
Apports de nutriments, Température et pH, Stagnation, Luminosité.
Accumulation de gaz
Dégradation de la qualité
Dysfonctionnement des utilisations
Pathologies : entartrages. Précipitation des sels minéraux par dépassement du produit de solubilité.
Dépôts
Dépôts non incrustants : boues
Dépôts incrustants : tartres
Isolation thermique
Réduction des sections de passage
Diminution des débits si maintien de la pression.
Augmentation des pertes de charge si maintien du débit.
Augmentation des températures locales
Chute de la puissance transférée.
Augmentation des températures locales
Augmentation de la puissance consommée par les pompes. Fatigue du métal
Diminution de la puissance transférée. Augmentation de la puissance consommée pour le maintien en température.
Augmentation du niveau acoustique.
Dilatation différentielles des dépôts
Pathologies : cas de la vapeur.
Présence d'oxygène dissous, pH trop faible ou trop élevé, présence de métaux (cuivre) dans les condensats. Corrosions Présence de CO2 dans le réseau. Présence d'alcalino-terreux (calcium, magnésium), dépôts des boues.
Incrustations
Présence de boues qui peuvent être issues : - de la séquestration des alcalino-terreux, - de produits de corrosions, de pollution des condensats.
Embouage
Variations de charge brutales, présence de matières en suspension, présence de tensio-actifs, concentration en sels trop élevée, TAC trop élevé.
Primage
Présence de gaz qui peuvent provenir de : - la dissolution des gaz atmosphériques, - la décomposition du CO2 en chaudière.
Accumulation de gaz
Dégradation, destruction des équipements. Dysfonctionneme nt des utilisations
CHIMIE DE L’EAU
Introduction à la chimie de l'eau • Qu'est-ce que l'eau • Unités de mesure • Polluants et impuretés
EAU ¾Eau: H2O + polluants ¾Caractéristiques remarquables: •Densité plus faible à l'état solide •Tension de surface élevée •Solvant universel •Chaleur de vaporisation élevée •Tension de surface élevée
La molécule d'eau
L'eau, solvant universel
Classes d'impuretés
Les composants peuvent changer ¾Au contact avec l'air: Oxygène, CO2, acidité/alcalinité, Radon, Fer ¾Par activité biologique: composants organiques sont dégradés en CO2, CH4, NO2-, NO3-, NH3, H2S, avec ou sans consommation d'oxygène ¾Dans le sol: dissolution de rochers
La mesure des polluants •Turbidité •Coloration •SDI •pH •Potentiel redox •Conductivité •Dureté •Concentrations (ppm, mg/l)
Évaluation du contenu en calcaire: points de repère De l'eau en provenance de régions avec des roches calcaires est saturée en calcaire, donc pas corrosive, mais précipite facilement du calcaire L'eau de pluie, ou de l'eau adoucie, déminéralisée ou additionnée d'acide n'est pas saturée en calcaire, donc corrosive. Utiliser de l'acier inoxydable ou des matières plastiques pour la tuyauterie. Ne précipite pas facilement du calcaire. Si une eau non saturée est chauffée ou concentrée, un calcul devient nécessaire pour déterminer si elle est saturée après.
Principales analyses chimiques effectuées sur les eaux industrielles
Définition
Remarques
pH
Notions d'acidité et d'alcalinité de l'eau
Mesure nécessitant un matériel de contrôle en parfait état et étalonné.
Conducti vité
État de charge ionique de l'eau
Donne une idée de la salinité totale d'une eau
TH
Dureté totale de l'eau
Total des sels de calcium et de magnésium d'une eau
Ca
Teneur en ions calcium
Mg
Teneur en ions magnésium
TA
Titre alcalimétrique
mesure OH- + 1/2 CO 3-- + 1/3 PO4---
TAC
Titre alcalimétrique complet
mesure OH- + CO 3-- + 2/3 PO4--+ CO3 H-
TaOH
Titre basique
Cl
Teneur en ions chlorures
SO4
Teneur en ions sulfates
SiO2
Silice
Mesure importante pour les eaux déminéralisées et de chaudières.
PO4
Phosphates
Mesure faite sur circuits de refroidissement et chaudières
Fe
Fer
Permet de suivre la corrosion de l'acier
MO
Matières organiques
S'exprime en mg/l d'oxygène consommé .
Matières en suspension
Mesure importante sur les eaux avant osmose inverse ou tout traitement sur membranes.
MES
= 2 TA - TAC
La précision des analyses est le point le plus important. Des solutions titrées fraîchement préparées et des appareils de contrôle étalonnés régulièrement avec des solutions étalon d'excellente qualité sont des impératifs à respecter. Mais pas de crédibilité concernant les analyses d'eaux que si les prélèvements ont été effectués correctement.
Exemple: analyses des eaux des chaudières: Le schéma de prélèvement des différentes eaux est le suivant:
Valeurs types de l'indice de colmatage
Type d'eau
Valeurs
Eau souterraine ou eau d'un puits de plage
<2
Eau de surface
>6
Eau du robinet (venant d'eau de surface)
souvent > 5
Eau d'alimentation d'un module spiralé
<3à5
Eau d'alimentation d'un module de fibres creuses (fines)
<2 à 3
Ces systèmes doivent être traités pour éviter la corrosion et les dépôts, qui provoquent des pertes de chaleur et des réparations ainsi que des pertes de production.
Les impuretés qui provoquent la corrosion sont: - les acides - les bicarbonates - le dioxyde de carbone - les chlorures - l'oxygène - l'hydrogène sulfuré Les encrassements sont le fruit: - du Calcium - du Magnésium - de la Silice - du Fer - du Manganèse
Constat: Importantes corrosions sans percement. Origine bactérienne.
Constat: Entartrage d'une chaudière à tubes de fumée ( P= 15 bars).
Constat: Dépôt de slime bactérien, hydrocarbures et oxydes métalliques dans un échangeur de chaleur eau hydrocarbures ( Raffinerie de pétrole).
Ces phénomènes sont généralement simultanés. Puisque les circuits de refroidissement ont pour mission de "refroidir" des "produits" ou des unités de process par l'intermédiaire d'échangeurs de chaleur, l'on conçoit que le rendement d'échange soit un point important au niveau du rendement global des unités, donc de la production. Ainsi, tout phénomène ou processus capable de diminuer ce rendement doit être maîtrisé: c'est le cas de l'entartrage et des proliférations organiques. Ainsi également, toute action de l'eau susceptible de dégrader les matériaux constitutifs des installations, c'est à dire essentiellement les échangeurs de chaleur, doit être également maîtrisée : c'est le cas de la corrosion chimique ou bactérienne.
L'EAU : "H2O" + ... matières en suspension
sables argiles débris végétaux débris animaux
matières en émulsion
graisses huiles hydrocarbures goudrons
matières colloïdales
argiles silice composés organiques
matières organiques dissoutes
débris végétaux et animaux décomposés produits de synthèse pesticides fongicides herbicides
matières minérales dissoutes
roches solubilisées apports liés à l'activité humaine gaz atmosphériques naturels gaz liés à l'activité humaine
gaz dissous organismes vivants
(*) : les virus ne sont pas classables dans cette catégorie.
vers insectes et larves algues champignons bactéries virus (*)
Microscope électronique 0,1 nm
1 nm
Ions
10 nm
Microscope optique 100 nm
1 mm
Visibilité à l'œil nu 10 mm
100 mm
1 mm
1 cm
Molécules
Etat dissous
Etat colloïdal
Solides décantables
Silice colloïdale
Dimensions des particules et techniques séparatives utilisables.
Sables fins
Argiles
Limons
Virus
Bactéries
Pyrogènes Sucre s Colorants
Globules rouges
Echange d'ions
Cheveux
Poussière de charbon
Brouillards
MICROFILTRATIO N
Techniques séparatives sur membranes Dialyse
Résin es
Pollens
Pigments de peinture
ULTRAFILTRA TION
Charbon actif
Algues
Fumée de tabac
Fumées
OSMOSE INVERSE
Sables moyens
Pluie
CLARIFICATION
EXTRACTI ON
Filtration : Tamisage, dégrillage Filtration sur cartouche
Coagulation & floculation
Filtration sur lit Décantation
ANALYSE DES EAUX: SIGNIFICATION DES TITRES CHIMIQUES pH, TH,TA et TAC,Conductivité, DBO et DCO Le pH (potentiel hydrogène) : C'est une échelle logarithmique qui varie de 0 à 14 et qui traduit l'acidité ou l'alcalinité d'une solution, la neutralité étant à pH 7. - Le pH des eaux naturelles varie entre 6,5 et 8,2 en moyenne - Les solutions de bases faibles comme l'ammoniaque ont un pH variant entre 9 et 12. - Les solutions de bases fortes comme la soude ont un pH variant entre 12 (à 0,4 g/l) et 14 (à 40 g/l) voire plus. - Les sels d'acide fort et de base forte comme le chlorure de sodium (sel de table) ou le sulfate de calcium n'ont pas d'influence sur le pH. - Les sels d'acide faible et de base forte comme le carbonate de soude se comportent comme des bases faibles. Le pH est un des paramètres importants influençant la tendance entartrante ou agressive d'une eau naturelle: d'une manière générale une baisse du pH favorisera la tendance agressive et une élévation du pH, le caractère entartrant.
Le TH (Titre Hydrotimétrique) ou dureté de l'eau Le TH indique la teneur globale en sel de calcium et de magnésium qui sont responsables de la dureté de l'eau, dans la plupart des eaux naturelles, le calcium contribue au TH dans la proportion de 70 à 90 %. L'unité de mesure du TH est le degré français ( °f) 1°f = 4 mg/ l de calcium ou = 2,4 mg/l de magnésium, = 10 mg/l de Ca CO3 (carbonate de calcium ou "tartre" ) Pour fixer les idées on considère que : - de 0 à 5 °f eau très douce. - de 5 à 15 °f eau douce. - de 15 à 25 °f eau moyennement dure. - de 25 à 35 °f eau dure. - à plus de 35 °f eau très dure.
On distingue : • TH total : Totalité des sels de calcium et magnésium = dureté • TH calcique :
Totalité des sels de calcium.
• TH magnésien : Totalité des sels de magnésium. • TH temporaire : Ou dureté carbonatée correspond aux carbonates et bicarbonates de calcium susceptibles de précipiter par ébullition, • TH permanent : Ou dureté non carbonaté correspond au sulfate et au chlorure de calcium stables, il est égal à la différence entre le TH et le TAC. Nota: il est également utilisé le degré anglais, le degré américain et le degré allemand ou °dH. 1° français = 0.7° anglais = 0,58° américain = 0,56° allemand 1° anglais = 1.44° français = 0,83° américain = 0,8° allemand 1° américain = 1,72° français = 1.20° anglais = 0,96° allemand 1° allemand = 1,79° français = 1.25° anglais = 1,04° américain
Le degré français valant 10 mg /l de CaCO3 est donc l'unité la plus petite et la plus précise, De plus par une heureuse coïncidence, le calcium bivalent ayant une masse molaire de 40 g , on abouti à la relation simple de: 1 °f = 0.2 meq/l ( milli-équivalent / litre, qui est l'unité internationale ) relation plus aisé à retenir que dans les autres unités.
le TA et le TAC (Titre alcalimétrique et titre alcalimétrique complet) : Ces deux valeurs permettent de connaître les concentrations en bicarbonates, carbonates et éventuellement en hydroxydes (bases fortes) contenues dans l'eau:
TA = OH- + 1/2 CO3TAC = OH- + CO3- + HCO3Le TA et le TAC s'expriment généralement en degré français (°f). - 1°f = 3,4 mg/l OH(hydroxyde) - 1°f = 6,0 mg/l CO3 -(carbonate) - 1°f = 12,2 mg/l HCO3- (bicarbonate)
Le TA dose la totalité des hydroxydes et la moitié des carbonates qui sont alors entièrement transformés en bicarbonates à un pH de 8,3. Le TAC correspond à la totalité des bicarbonates et des carbonates. L'alcalinité se mesure à l'aide d'une solution étalon d'acide fort en présence d'indicateurs colorés de pH : - La phénolphtaleine pour le TA, virant du rouge à l'incolore à un pH de 8,3. - L' hélianthine pour le TAC, virant du jaune à l'orangé à un pH de 4,3.
Répartition de ces trois familles en fonctions des valeurs respectives du TA et du TAC Hydroxyde
Carbonate
Bicarbonate
TA = 0
0
0
TAC
TA
0
2TA
TAC - 2TA
TA = TAC/2
0
2TA
0
TA >TAC/2
2TA - TAC
2 (TAC - TA)
0
TA = TAC
TA
0
0
Remarque : On ne peut avoir à la fois présence d'hydroxydes et de bicarbonates, la réaction des deux formant des carbonates. Le tableau ci-dessus est applicable pour des eaux de composition courante. La présence significative d'autres anions particuliers ( Phosphates, Borates, etc...) fausserait les relations établies par ce tableau.
La conductivité : Elle dépend de la concentration en sels dissous conducteurs, sa mesure qui est simple et rapide est très utile pour le suivi dans le temps d'une même eau car elle permet de déceler immédiatement une variation de sa composition, par exemple : - Baisse de conductivité de l'eau d'un réseau de chauffage due à l'entartrage. - Réglage de la purge d'une chaudière ou d'un circuit de refroidissement pour limiter la concentration des sels dissous. - Contrôle de la production d'une chaîne de déminéralisation. Il est indispensable de préciser la température de référence à laquelle se rapporte la mesure, la conductivité augmentant avec la température. La conductivité est généralement mesurée en micro-Siemens par cm (µS/cm), approximativement la valeur en µS/cm correspond à la salinité en mg/l. On utilise également la résistivité, inverse de la conductivité, mesurée en ohms.cm : Résistivité (ohms.cm) = 1 000 000 / conductivité (en µS/cm)
DCO et DBO: La DCO, Demande Chimique en Oxygène, représente la quantité de dioxygène nécessaire à l'oxydation de l'ensemble des matières organiques et minérales contenues dans l'eau, par oxydoréduction. Cette donnée est représentative de la pollution organique et chimique. La DBO, Demande Biochimique en Oxygène, représente le besoin en dioxygène d'une eau pour assurer la dégradation biochimique des matières organiques. Si la DBO est trop élevée, cela peut aboutir à une désoxygénation de l'eau.
Toutes les eaux sont vulnérables à la pollution par des micro-organismes. •Les bactéries et les virus: Les bactéries qui sont des indicateurs de la pollution fécale sont introduit dans l'environnement par le déversement des eaux usées municipales qui ont ou non été traitées au préalable. La croissance des germes peut être à l'origine de nombreux problèmes dans le système de distribution : consommation d'oxygène dissout, corrosion, mauvais goût de l'eau. •Les phytoplanctons et les zooplanctons L'eau de surface contient de nombreux organismes tels que les Phytoplanctons et les Zooplanctons. Certains de ces organismes comme les Actinomycètes et les Cyanophycée secrètent des composés qui donne à l'eau un mauvais goût et une mauvaise odeur. D'autres sont pathogène pour l'homme. La présence d'algues et de micro organismes dans le système d'alimentation en eau est déplaisant pour la consommation et leur croissance peut s'accompagner de perturbations du milieu naturel. En plus, lors de leur mort ou lors de leur croissance, certains microorganismes secrètent des métabolites toxiques pour les animaux.
•Turbidité: Avec la couleur, la turbidité de l'eau c'est à dire sa transparence est un facteur prépondérant pour la consommation de l'eau. La turbidité doit être contrôlée: - pour permettre une désinfection efficace de l'eau - pour enlever tous les polluants adsorbés par les solides en suspensions tels que les métaux lourds. - pour lutter contre la sédimentation dans le système de distribution. •Couleur: Les couleurs de l'eau peuvent résulter de la présence d'impuretés minérales ou organiques. On doit enlever ces particules dans le but de rendre l'eau plus agréable à la consommation. Enlever des couleurs indésirables d'eau revient à enlever des particules organiques indésirables. •Minéralisation: L‘alcalinité de l'eau et sa dureté contribue au même titre que le pH et les acides carboniques dissous à l'équilibre carbonate de l'eau. Une tentative est faite pour atteindre cet équilibre de manière à éviter la formation de calcaire et de corrosion. Si la quantité de sulfate présente dans l'eau est trop importante cela a des conséquences sur le goût et le caractère laxatif de l'eau. Pour une quantité de chlorure trop importante en plus du goût l'eau devient corrosive.
pollution minérale •Certains métaux: Le fer et le manganèse peuvent colorer l'eau et être à l'origine d'un phénomène de sédimentation dans l'eau. cela peut aboutir à un phénomène de corrosion. Qui plus est, ces métaux affectent les qualité organoleptiques de l'eau comme d'autres métaux tels que le cuivre, l'aluminium et le zinc pour ne citer qu'eux. •Gaz dissout: La présence d' H2S dans l'eau est un indicateur de conditions anaérobiques et montre que le potentiel d'oxydo-réduction de l'eau est trop faible ce qui provoque la formation de mauvaises odeurs et contribue à rendre l'eau plus corrosive. H2S doit être enlever de l'eau. •Ions ammonium (NH4+): Les ions ammoniums n'ont pas de conséquences sanitaires importantes sur la santé du consommateur mais leur présence dans l'eau est un indicateur de pollution de cette eau. Les ions ammoniums doivent être enlevés de l'eau car ils constituent un nutriment pour la croissance de certaines bactéries.
Impuretés affectant la santé du consommateur: · Métaux: En particulier le cadmium, le chrome, le plomb, le mercure, l'arsenic et le sélénium doivent être enlevés de l'eau. Généralement ils sont adsorber dans des solides en suspension et il suffit d'enlever ces solides en suspension pour enlever ces métaux. On a également recours à des traitements chimiques pour détruire les complexes qui peuvent être formés par ses métaux. · Dureté: Même si une eau trop dure n'est très nocive pour la santé il ne faut pas perdre de vue que cela peut être synonyme d'absorption par le corps humain d'une grande quantité de sodium et de risque d'hypertension. · Fluor: Trop de Fluor n'est pas bon pour les os. dans certain cas il est important de réduire la concentration en fluor de l'eau avant consommation.
Impuretés organiques De nombreuses impuretés organiques se retrouvent dans l'eau souterraine et de surface. Ces impuretés organiques sont classées en 6 catégories: · Acides humiques · Acides hydrophiles · Acides carboxyliques · Amino - acides · Hydrocarbures · Carbones hydratés Concentration totale en Carbone Organique: COT
LES POLLUANTS DES EAUX RESIDUAIRES
La pollution de l'eau provient essentiellement des villes, de l'industrie et de l'agriculture. La pollution générée par les deux premières est localisée (pollution "ponctuelle"), et peut être partiellement traitée, tandis que l'agriculture provoque une pollution "diffuse", dispersée dans les champs, qui atteint les nappes souterraines et les rivières progressivement.
La pollution vient des villes, de l'industrie et de l'agriculture.
Les principales familles de polluants •Les matières en suspension (plancton, débris végétaux fins, minéraux, matières organiques et minérales ) •La pollution organique (polluants biodégradables: DCO et DBO) • La pollution micro biologique (virus, bactéries, parasites) limite les usages de l’eau (baignade élevage de coquillages). • Les matières fertilisantes( azote et phosphore entraînant la prolifération d’algues qui diminuent la luminosité et consomment l’oxygène dissous dans l’eau d’où eutrophisation) • Les polluants métalliques et chimiques persistants (pesticides, résistant à la dégradation chimique, biologique et par la lumière. Avec les métaux lourds ils forment une famille de polluants très dangereux : s'accumulant et se concentrant tout au long de la chaîne alimentaire •Les sels minéraux (chlorures ou sulfates de calcium, de magnésium, de sodium ou de potassium) peuvent voir leur concentration s'élever à la suite de rejets industriels.
Types de pollution La contamination des eaux est principalement provoqué par : •les polluants chimiques •les polluants organiques (matières organiques fermentescibles, micro-organismes) •les polluants thermiques et radioactifs Plus grave que la pollution des eaux superficielles : la pollution des nappes souterraines par infiltration de contaminants car l'auto-épuration n'y est pas possible(absence d'oxygène) Pratiquement, on peut par ailleurs distinguer trois formes de pollutions : •celles qui amènent des désagréments (goût, odeur, bruit) •celles qui occasionnent des dangers immédiats et graves •celles qui peuvent présenter des dangers à long terme (effets cumulatifs) Les effets directs et indirects des pollutions. Celles-ci peuvent induire des changements de pH de l'eau et amener des dépôts de substances toxiques et également provoquer une dystrophisation de l'eau.
NATURE
PARAMETRES
SYMB.
EFFETS
ORIGINE
MECANIQUE
Matière en suspension Turbidité
MES
Colmatage du lit de la rivière, des zones de reproduction des poissons (frayères).
Érosion des sols (orages), travaux en rivière, vidanges de retenues
ORGANIQUE
Oxygène dissous
O2 dissous DBO5
Diminution de la photosynthèse Consommation d'oxygène dissous au détriment des poissons
Rejets domestiques et industriels
Demande biochimique en oxygène Demande chimique en oxygène
Élevages intensifs
DCO
THERMIQUE
Température
T°
Diminution de l'oxygène dissous Perturbe les poissons
Eau de refroidissement des grosses usines
AZOTE
Azote organique
N-org
Rejets domestiques et industriels
Ammoniaque
NH4
Perturbe la production d'eau potable Toxique pour les poissons Toxique pour les poissons Perturbe la production d'eau potable si fortes concentrations Contribue à l'eutrophisation
Nitrites
NO2
Nitrates
NO3
Élevages intensifs excès d'engrais, rejets domestiques
PHOSPHORE
Phosphore total Phosphates
P PO4
Augmente les risques d'eutrophisation = asphyxie de la rivière par prolifération d'algues
Rejets domestiques essentiellement Élevages et excès d'engrais
TOXIQUES & MICROPOLLUANTS
Cyanures
CN
Inhibiteur de la vie aquatique
Rejets d'industries : - traiteurs de surfaces - utilisateurs de solvants divers
Métaux lourds : cadmium, mercure, chrome, plomb, ...
Cd, Hg, Cr, Pb métaux
Compromettent la fabrication d'eau potable si normes réglementaires dépass ées
Solvants et divers : phénols, fluor, solvants chlorés
P-OH, F
Micro polluants organiques : organohalogénés (ex : chloroforme)
AOx
Risques d'effets mutagènes et cancérogènes
Pesticides (atrazine, lindane, ...) (La mesure des toxiques se fait parfois par des tests biologiques globaux (ex : test daphnie))
Risque de toxicité immédiate et/ou de toxicité différée par accumulation dans les chaînes alimentaires
équitox
Résultat de l'action du chlore sur les matières organiques
Rejets diffus provenant du traitement des cultures, des abords des routes et voies de chemin de fer.
RADIOACTIVI TE
Activité globale Analyses spécifiques
Bq
Risques mutagènes et cancérogènes
Rejets des hôpitaux, activités nucléaires
BACTERIOLOGIQUE
Analyses micro biologiques : - Bactéries - Virus
MES
Turbidité Contamination qui nécessite une stérilisation de l'eau potable Limite l'usage de la baignade
Rejets domestiques Elevages intensifs
L’INDUSTRIE PETROLIERE
Les activités de l’industrie pétrolière et gazière comprennent: ¾l’exploration ¾l’exploitation ¾le transport Le pétrole et le gaz, dont la gestion exige tout un réseau d’installations et de distribution, sont transformés en produits intermédiaires et finis dans les raffineries et distribués aux acheteurs consommateurs. Les activités du secteur pétrolier ont de nombreuses répercussions sur l'environnement.
Raffinage du pétrole Le pétrole brut est un mélange de nombreux hydrocarbures. Les deux principaux constituants du pétrole sont: ¾ le carbone (84-87 %) ¾ l'hydrogène (11−14 %) et, à des niveaux moindres, ¾le soufre (0-3 %), ¾l'oxygène (0-2 %), ¾l'azote (0-1 %). Le pétrole brut peut aussi contenir certains métaux lourds à l'état de trace.
L'objectif premier d'une raffinerie est de fractionner le pétrole brut, qu'il soit de provenance naturelle (formation géologique) ou dit synthétique (sable bitumineux) et de le convertir en différents produits de consommation tels les essences, le carburant diesel, les mazouts légers et lourds, les bitumes, le kérosène ou des produits intermédiaires alimentant l'industrie pétrochimique (naphta, distillat). Les procédés unitaires du secteur du raffinage du pétrole sont nombreux. Les principaux sont: le dessalage, la distillation atmosphérique, la distillation sous vide, le craquage et le reformage catalytique, et l'hydrotraitement.
On peut définir le raffinage du pétrole comme la séparation physique, thermique et chimique du pétrole brut en composantes majeures de distillation ou fractions. Ces fractions de distillation peuvent à leur tour être transformées ou valorisées en produits pétroliers finis. La raffinerie de pétrole est l’installation où se déroule ce processus. Les installations de raffinage distillent ou séparent le pétrole brut en plus petites fractions (ou groupes de molécules) pour fabriquer plus de 2 500 produits différents que nous utilisons dans nos véhicules, nos maisons et nos industries.
On peut répartir ces produits entre trois grandes catégories: ¾carburants (comme l’essence automobile, le carburant diesel, le carburant aviation, le mazout léger et lourd) ¾produits hors combustibles (comme les huiles et les graisses lubrifiantes, l’asphalte) ¾matières premières pour l’industrie chimique
Étapes des processus des industries pétrolières
La première étape obligatoire dans le traitement du pétrole est le dessalage qui consiste à préchauffer le pétrole brut et à le mélanger avec de l'eau. Différents additifs sont ajoutés afin de dissoudre les sels minéraux présents. L'eau contaminée est dirigée vers le système de traitement des eaux résiduaires huileuses. Tout le pétrole brut dessalé est ensuite chauffé et dirigé dans la colonne à distillation atmosphérique. Il est ensuite séparé, par distillation et épuisement à la vapeur, en diverses fractions de plages d'ébullition différentes; les fractions sont retirées en continu de la colonne et dirigées vers d'autres unités pour un traitement ultérieur.
Le résidu en provenance de la colonne de distillation atmosphérique (environ 30 % du brut) est acheminé dans une colonne à distillation sous vide pour produire des gazoles légers et lourds et du brai (asphalte). Les gazoles lourds (environ 25 % de l'alimentation) provenant de la colonne de distillation sous vide subissent une conversion par craquage catalytique pour produire des essences de meilleure qualité. Les gazoles sont alimentés en pied de colonne et se vaporisent au contact du catalyseur chaud dans un lit fluidisé. Les vapeurs sont séparées du catalyseur et les produits sont récupérés dans une colonne de fractionnement.
L'hydrotraitement (désulfurisation), dont la capacité représente environ 30 % de la distillation, est un procédé catalytique par hydrogénation utilisé pour la purification du naphta, du distillat et des gazoles. Il permet de convertir les oléfines en paraffines en les saturant avec l'hydrogène et de purifier les produits pétroliers en réduisant approximativement 90 % des sulfures et 80-90 % des composés azotés. Il permet, de plus, de réduire les composés oxygénés ainsi que les halogénures et les métaux traces. Ce procédé convient parfaitement à la production de carburant diesel et de mazout domestique à faible teneur en soufre.
Le reformage catalytique est le procédé de réarrangement le plus utilisé (environ 15 à 30 % de la capacité totale de raffinage) et sert à augmenter l'indice d'octane de l'essence extraite du pétrole brut. La réaction prédominante est la déshydrogénation des naphtènes, tandis que l'isomérisation et la déshydrocyclisation des paraffines sont aussi d'importantes réactions secondaires. Le catalyseur utilisé dans la réaction doit être remplacé périodiquement ou régénéré. Les raffineries choisissent cependant, de plus en plus, de régénérer le catalyseur en continu afin d'éviter les arrêts de production.
Nature des effluents Le pétrole brut est un mélange complexe constitué d'hydrocarbures et d'impuretés tels des composés azotés, sulfurés et oxygénés, des sels inorganiques et des traces de métaux; ces contaminants se trouvent à l'effluent en plus ou moins grande concentration. Les produits utiles à la raffinerie et les bruts sont stockés avant d’être utilisés. Durant le stockage des bruts, l’eau se sépare de l’huile et il en résulte une eau résiduaire contenant de l’huile libre et de l’huile émulsionnée, des matières en suspension et des boues de fond.
Les principaux procédés de la raffinerie tels que le dessalage et la distillation du brut ainsi que les unités de craquage et d'hydrotraitement contribuent à la contamination des eaux; on y trouve des débits importants d'eaux usées de même que des concentrations élevées de contaminants. De plus, les eaux de ballast qui servent à la stabilité des navires constituent une charge importante au système de traitement des eaux, principalement en huiles, en phénols, en matières en suspension et en solides dissous.
Il existe beaucoup d'autres sources de contamination des eaux dans une raffinerie de pétrole, mais elles sont de moindre importance: ¾ eaux pluviales qui ruissellent sur les terrains de la raffinerie, ¾ eaux usées domestiques, ¾ eaux de service (purge des chaudières, purge de l’eau d’alimentation, eaux de refroidissement et purge des tours de refroidissement indirect); ¾ nombreux produits chimiques utilisés dans les procédés tels la soude caustique, les acides, les solvants, les inhibiteurs de corrosion, les détergents, etc. peuvent contribuer aussi à contaminer l'effluent à la suite d'un déversement, lors des purges ou des nettoyages d'équipements.
Ainsi, les paramètres les plus représentatifs pour assurer une surveillance adéquate d'un effluent d'une raffinerie de pétrole sont: •les huiles et graisses (H&G), •les phénols, •les sulfures, •l’azote ammoniacal (NH3-N) •les matières en suspension (MES). •Le pH doit aussi être mesuré en continu.
Émissions atmosphériques des raffineries de pétrole Le processus de raffinage du pétrole entraîne le rejet de plusieurs polluants atmosphériques, dont les oxydes de soufre, les oxydes d’azote, les composés organiques volatils, les particules, le monoxyde de carbone et le benzène, de même que de nombreux gaz à effet de serre (GES). L’industrie du raffinage est à l’origine d’une émission de polluants en raison de ses besoins propres en énergie thermique et des émissions spécifiques dues aux processus de traitement ou de fabrication employés. En quantités variables, selon les unités considérées, elle est émettrice de monoxyde et de dioxyde de carbone, de dioxyde de soufre, d’oxydes d’azote, de poussières, de composés organiques volatils (COV), etc.
Différents types de déchets générés par les industries pétrolières: Pollution Système de refroidissement
Eau résiduaires polluées
Déchets solides et boues Émissions de COV Autres émissions
Quantité approximatives 3.5-5 m3 de déchets par tonne de brut DCO 300-600 mg/l phénol 20-200 mg/l huile-pétrole 100-300 mg/l (eau sans sels) huile-pétrole 5000 mg/l benzène 1-100 mg/l métaux lourds 0.1-100 mg/l de 3 à 5 kg par tonne de brut (80 % doit être considéré comme produits dangereux en raison de la présence de métaux lourds et des produits toxiques).
de 0.5 à 6 kg/tonne de brut BTX (Benzène, Toluène et Xylène) de 0.75 à 6 g/tonne de brut Oxydes de soufre 0.2-0.6 kg/tonne de brut Oxydes d'azote 0.006-0.5 kg/tonne de brut
Les industries pétrochimique doivent faire face à plusieurs problèmes Sels dans les réservoirs d'alimentation (problèmes de corrosion et de bouchage ) et présence d'aromatiques (source de COV): Les raffineries de pétrole font tout pour éviter la présence de sels dans les réservoirs d'alimentation en raison des problèmes de corrosion et de bouchage. La première étape du raffinage est le dessalage où une eau chaude extrait les sels. De manière générale il est assez commun d'utiliser un anti-rouille ou un anti-corrosion dans le fuel. Si les réservoirs d'alimentation contiennent des aromatiques ayant une bonne solubilité tels que le Benzène ou le Toluène ils peuvent se retrouver dans l'effluent dessalés ce qui constitue une source majeur de production de composé organique volatil (COV).
Enlever les aromatiques, le pétrole, les graisses et les composés organiques Un traitement direct des eaux résiduaires avec du charbon actif permet de réduire la concentration en aromatiques jusqu'à des limites plus acceptables. De plus, le charbon actif capture aussi les huiles, graisses et les autres matières organiques. Le charbon actif est aussi utilisé pour enlever les hydrocarbures et les courants de gaz organiques de la raffinerie. Une autre application du charbon actif est d'améliorer les boues activées de la raffinerie en leur ajoutant du charbon actif en poudre
Enlever le Phénol et l'azote ammoniacal avec un traitement biologique Dans le but d'éliminer le phénol et l'azote, la meilleure solution est d'utiliser un traitement biologique à l'aide de peroxyde d'hydrogène. En utilisant un catalyseur en combinaison avec H2O2 il est possible d'éliminer ou diminuer la DCO, DBO5 et la toxicité de l'eau résiduaire. De plus, les phénols sont transformés en composés moins dégradables qui peuvent être éliminés par coagulation ou précipitation.
Les contaminants organiques et inorganiques des eaux résiduaires des raffineries: Un procédé d'élimination des produits organiques et inorganiques solubles ou insolubles des courants d'eaux résiduaire des raffineries met en oeuvre les procédés d'ultrafiltration et d'osmose inverse. Avant l'étape d'ultrafiltration l'eau résiduaire doit être passée dans un système adoucisseur pour enlever les cations métalliques divalents et trivalents de manière à prévenir tous phénomène de bouchage lors de l'osmose inverse.
Séparation de l’eau et du pétrole
Un problème principal de l'industrie pétrochimique est l'élimination des résidus et sous produits du pétrole des eaux résiduaires. Cette situation apparaît par exemple lors d'une fuite dans le réseau de distribution de brut. Dans le but de réaliser cette séparation il est possible d'utiliser une séparation par membrane. Lors du nettoyage alcalin des réservoirs le niveau de pollution des émulsifiants peut être très élevés. Il est alors important de réaliser une correction du pH et il peut être nécessaire d'utiliser un coagulant minéral par exemple.
Eau de pluie chargées en dérivés du pétroles
Le pétrole et les matières grasses sont éliminés par filtration ou flottation tout dépend de DBO5 et des concentrations en phénol. L'eau peut être biologiquement purifiée. Après cela un traitement tertiaire peut être utiliser pour enlever les solides en suspension et les phénols résiduels.
Eau de processus
Cette eau a une concentration plus importante en matière émulsifiante et peut contenir une pollution à base de sulfure S2Deux procédés sont largement utilisés: purification physico-chimique Cette technique combine une filtration rapide des eaux résiduaires et une flottation aidée. recyclage Le recyclage utilise un traitement biologique à deux étapes.
Les raffineries et les métaux lourds Les métaux lourds sont présent dans tous les types d'eau des raffineries: processus, eaux résiduaires, ... Le tableau ci-dessous montre quels sont les métaux lourds les plus présents: Cd
Cr
Cu
++
++
+
Hg
Pb
Ni
++
+
Sn
Zn
++
Rejets d'eau dans le milieu naturel
* Le chiffre de 2000 a été révisé à la baisse car dans la passé les volumes d'eau réinjectés dans les puits étaient comptabilisés, ce qui n'a pas lieu d'être. ** Contrairement à la Chimie, les rejets d'eau dans le milieu naturel du Raffinage n'incluent pas les eaux utilisées en circuit ouvert.
Rejets de matières en suspension (MES)
Rejets d'hydrocarbures
Rejets de demande chimique en oxygène (DCO)
* Les chiffres de 2000 et 2001 ont été révisés à la baisse car ils comprenaient les rejets de DCO de l'usine de Crosby (Etats-Unis) alors que ceux-ci sont réinjectés en totalité en puits profonds.
L'évolution des rejets industriels en Provence-Alpes-Côte d'Azur (France)
Principales activités pétrochimiques: Vapocraquage de naphta ou de gazole avec les productions d’éthylène, propylène, butadiène, styrène, puis de polymères et de caoutchoucs, etc. Reformage catalytique de naphta vers la production d’aromatiques, puis de phénols, Nylons, détergents anioniques, etc Ces activités sont situées en dérivation de l’industrie du raffinage d’où la similitude dans les caractéristiques des rejets, mais, dans ses productions diverses et nombreuses, la pétrochimie présente souvent des rejets spécifiques dont il faut citer les originalités et donner des schémas applicables de traitement.
1. Originalités des effluents de la pétrochimie Analogie entre effluents du raffinage et de la pétrochimie Pollution principalement organique avec des HC sous leurs trois états de dispersion dans l’eau Présence, moins fréquente, de phénols, de sulfures ou de produits intermédiaires d’oxydation de ceux-ci. Des paramètres particuliers interviennent, susceptibles de modifier la traitabilité des effluents et d’exiger des pré traitements spécifiques autres que ceux du raffinage ou un schéma d’organisation du traitement différent.
Paramètres particuliers de la pétrochimie •Irrégularité d’émission dans le temps de rejets provenant de productions, par campagnes relativement courtes, ce qui peut soumettre une masse bactérienne de BA à des aléas d’accoutumance. •Absence de nutriments N et surtout P dans les effluents, sauf productions telles qu’urée et acrylonitrile ou de réactions mettant en œuvre des amines ou NH4+ (alkylation par exemple) •Débits plus élevés qu’en raffinage, dû à la taille importante des complexes qu’à la diversité des productions, car de fortes compressions des consommations d’eau ont déjà été réussies en pétrochimie.
•Salinités fortes, fréquentes, liées à certains procédés ( alkylations, copolymérisation de latex, procédé à la chlorhydrine, etc…) et pouvant évoluer entre 5 et 25 g.l-1 de sel à base de NaCl ou CaCl2, plus rarement NH4Cl. Ces salinités seront affaiblies si on les mélangent avec 50% d’eaux de purges de réfrigération (salinité de 0.6 à 3 g.l-1) qui peuvent participer à l’épuration biologique générale. •Présence de composés chlorés lors de certaines synthèses (PVC, acétone, acétaldéhyde). •Températures élevées (40 à 60 °C) qui exigent le refroidissement de l’eau avant l’épuration biologique, sinon avant la FAD •Grandeur du rapport DCO/ DBO5, mesuré après épuration physico-chimique et ne caractérisant que la pollution organique dissoute.
•Pollution dissoute faible et chargée de MES et d’HC surtout dans les effluents de production de polymères, au contraire, lorsque interviennent dans les procédés des solvants ou des alcools ou la fabrication de produits fins et d’additifs destinés à l’industrie pharmaceutiques, la DBO5 dissoute devient la fraction principale et peut atteindre 500 à 1500 mg.l-1. •Volatilité des polluants à prendre en compte afin d’éviter un transfert de pollution à l’atmosphère lors d’une épuration biologique.
Étapes de Traitement des Eaux Résiduaires
Traitement des rejets L’objectif du traitement des eaux résiduaires est l’obtention d’une eau épurée qui satisfait aux normes de rejet édictées par la législation et pouvant par suite être évacuée sans danger dans le milieu naturel ou bien être utilisée dans le cadre des mesures nécessaires à une bonne gestion de l’eau (recyclage), plus particulièrement en milieu industriel. Des analyses technico-économiques adaptées à la nature des besoins en matière de traitement des eaux usées industrielles permettent à l’industriel d’apporter des réponses optimisées dont : · la mise en conformité des rejets en milieu urbain ou naturel · le recyclage vers les eaux de process Une combinaison d’équipements modulaires est la base des divers traitements correspondant aux différentes exigences de qualité :
Le choix d'un traitement d'eau n'est pas une opération évidente. Il faut distinguer 3 types de traitement d'eau: Épuration d'eau ( Filtration, déminéralisation, osmose inverse etc.) Traitement chimique de l'eau ( antitartre, anticorrosion, etc.) Traitement des eaux résiduaires. L'eau étant un fluide utilisé pour la transmission de calories ou de frigories, il convient, pour l'étude du traitement d'avoir préalablement des réponses précises à certaines questions, dont notamment: De quelle qualité d'eau ai-je besoin ? Qu'ai-je comme qualité d'eau disponible et en quelle quantité ? Quel peut être le traitement physique ou chimique le mieux adapté techniquement et économiquement à mon problème ?
Sur les deux premières interrogations, il y a une pré-étude à effectuer dans les domaines suivants: -
Définition exacte de la qualité de l'eau nécessaire ( caractéristiques physiques, chimiques et bactériologiques) - Étude et bilan de l'eau disponible ; campagne d'échantillonnage durant une période qui est fonction de l'origine de l'eau ( surface ou nappe) - Étude des variations des caractéristiques dans le temps et des interférences climatiques ou autres. Concernant la troisième interrogation, il s'agit de l'affaire du traiteur d'eau qui doit théoriquement ne pas avoir de mal à concevoir un matériel ou un traitement chimique performants, puisque la technique à mettre en œuvre est directement fonction des différences entre l'eau à traiter et l'eau dont a besoin.
En ce qui concerne les eaux résiduaires, il y a également une approche systématique et essentielle des points suivants: -
Définition de la pollution et de ses variations dans le temps. Éventuelle intégration des modifications qui seront apportées par des projets d'extension. - Standards des rejets (Normes). - Possibilités des recyclages.
Traitement des eaux : l’épuration des eaux usées
L'eau recueillie par les égouts doit être traitée, c'est-à-dire purifiée avant d'être rejetée dans le milieu naturel. Le traitement des eaux est un procédé complexe qui nécessite plusieurs opérations et se fait à une station d'épuration. Les eaux usées traversent d'abord des grilles (l): Dégrillage, qui retiennent les objets flottants (papiers, gros déchets...). Elle s'écoule ensuite dans un grand bassin: Décanteur primaire (2) au fond duquel se déposent les boues. L'eau débarrassée des matières épaisses est encore impropre à l’environnement. L’eau passe dans un bassin d'aération (3): Boues activées où des bactéries dégradent la matière organique en décontaminant l’eau. L'eau passe ensuite dans un décanteur secondaire (4): Décanteur secondaire dont le rôle est de permettre aux micro-organismes de se déposer. L'eau épurée reste en surface et elle est rejetée à la rivière (5): Rejet où le travail d’épuration se continue.
•Eaux ¾Dégrillage grossier, ¾Relèvement des eaux brutes, ¾Dégrillage fin, ¾Dessablage-déshuilage, ¾Traitement biologique en 2 étapes : •1ère étape réacteur biologique associé à une décantation lamellaire •2ème étape filtration biologique ¾Traitement de finition •Boues ¾Épaississement, ¾Digestion anaérobie, ¾Déshydratation mécanique par centrifugation. • Traitement de l'air ¾Ventilation et extraction de l'air vidé, ¾Traitement physico-chimique.
Pré Traitements : •dégrillage, •dessablage, •déshuilage. Traitement primaire •décantation Traitement secondaire, le plus souvent biologique par : •boues activées, •lits bactériens, •bio disques, •lagunage (comprenant une décantation) ; Traitement tertiaire : •biologique d'élimination de l'azote et du phosphore, •chimique de précipitation et de décantation du phosphore, •physico - chimique de désinfection.
Bâche d'arrivée/dégrillages. Bâche d'arrivée - Dégrillage grossier : Les eaux usées arrivent gravitairement à la station par un collecteur, les effluents traversent un dégrilleur grossier qui les débarrasse des matières volumineuses (cartons, plastiques, chiffons, etc...) qui pourraient nuire à l'efficacité du traitement en aval.
Relèvement - dégrillage fin : Les eaux usées sont relevées par 4 pompes immergées. L'effluent passe au travers d'un dégrilleur fin qui retient les matières en suspension flottantes ou semi-flottantes.
Dessablage - Déshuilage. Les eaux sont introduites dans un dessableur - déshuileur, qui sépare les huiles et les graisses préalablement émulsionnées par insufflation d'air, des sables et graviers par simple sédimentation physique. Traitement des refus : Les déchets provenant du dégrillage et du déshuilage sont compactés puis évacués dans des bennes. Les sables sont lavés, essorés et transportés en décharge. Matières de vidange : Une cuve de stockage des matières de vidange d'une capacité de 150 m3 reçoit les produits des fosses d'aisance des particuliers.
Prétraitements Les traitements physiques comprennent : •Dégrillage •Tamisage ou micro-tamisage •Débourbage •Dessablage Rappelons qu'il existe une limite supérieure de la teneur en matières en suspension, généralement de 1 à 5g/l, au-delà de laquelle il est indispensable de prévoir en amont de l'étape de clarification, un étage de débourbage ou de dessablage (suivant la taille des particules à éliminer et variable suivant le modèle de décanteurs, ).
Dégrillage. Le dégrillage est la première étape d'une filière de traitement, qui consiste à retenir tous les gros déchets (branches d'arbres, bouteilles, ). Pour ce faire, on met en place un système de grilles, dont l'espacement est d'environ 50 mm.
Dés que les grilles sont encombrés par les déchets, un racleur (râteau) monte le long des grilles et fait tomber ces déchets dans un benne (pleine > décharge).
Dégrilleur courbe statique Le pré traitement par séparation physique (dégrilleur, décanteur, débourbeur, flottation simple)
Tamisage: Après une éventuelle étape de dégrillage, l'eau traverse un tamis constitué de mailles fines, qui permettent d'arrêter les petits déchets. Lorsque celui-ci est bouché, il est nettoyé à l'eau sous-pression (manuellement ou automatiquement). Puis les déchets (refus) sont envoyés en décharge.
Il existe plusieurs types de tamis : Tamis statique, (principe de fonctionnement) •Un système de réglage permet d'orienter le produit au déversement sur une grille. •Une filtration gravitaire s'effectue et une séparation du produit solide et du produit liquide est alors réalisée. Tamis rotatif, •Après avoir traversé un caisson de répartition, le liquide arrive sur un déversoir sur le quart supérieur d'un tambour. En traversant la grille, les solides se déposent, puis dans un réservoir externe, par l'intermédiaire d'un grattoir. •Le liquide filtré traverse le tambour à contre-courant et assure le nettoyage du filtre. •Un déflecteur interne permet d'éviter la projection du liquide sur les parties solides.
Nota : Les vis convoyeuses et compacteurs sont utilisés pour les applications suivantes : • Transport de refus de dégrillage, • Transport de boues déshydratées par filtres à bandes, centrifugeuses, filtres à plateaux, • Toute application de convoyage de matières solides
Débourbage / Déssablage. Lorsque la ressource est très fortement chargée en M.E.S (matières en suspensions) et/ou matières décantables, tels que boues et/ou sables par exemple, il doit être procédé à un pré-traitement pour éliminer (avant la phase de clarification) ces charges importantes. Les débourbeurs, comme leurs nom l'indiquent, permettent d'enlever les boues, en laissant dans les eaux traitées une charge en M.E.S de l'ordre de 100 à 1000 g/l selon les cas. Les dessableurs, dont la fonction est de retenir les sables entraînés avec l'eau, permettent d'éliminer spécifiquement ceux-ci. Il est possible également de procéder à un lavage et une classification de ces sables.
Schéma général d’une station de traitement des eaux
Les techniques suivantes peuvent être utilisées : - Traitement physico-chimique - Traitement aérobie / anaérobie - Filtration à disque et à tambour - Filtration par membrane (osmose inverse) - Systèmes d’oxydation avancée Elles permettent: - Réduction de la Demande Chimique en Oxygène (DCO), de la Demande Biologique en Oxygène (DBO) - Dégraissage des eaux résiduaires -Déminéralisation - Suppression des pesticides - Décoloration - Assèchement des boues - Nitrification et dénitrification.
Traitements physiques Méthodes
But
Débarrasser l'eau des matières insolubles
Décantation, Filtration sur sable ou D + F Décarbonatation partielle de l'eau ( à la chaux car procédé économique) Décarbonatation par vaccination acide.
Déminéraliser partiellement l'eau
Traitements chimiques But Alimenter le circuit en eau brute et travailler en pH libre Alimenter le circuit en eau brute avec pH contrôlé Alimenter en eau volontairement incrustante Alimenter en eau volontairement agressive
Méthodes Conditionnement mixte antitartre et anticorrosion Conditionnement mixte AT et AC. Conditionnement antitartre Conditionnement anticorrosion
Le traitement bactériologique a pour but de débarrasser l'eau des bactéries responsables du processus de corrosion de certains métaux et également responsables de dépôts organiques importants dans les circuits ( slimes en pétrochimie). Les principes d'un traitement bactériologique sont les suivants: 1. Définir qualitativement les biocides actifs sur les bactéries du milieu infecté par réalisation d'antibiogrammes sur site ( travail d'un spécialiste). 2. Définir les dosages optimaux. 3. Le traitement s'effectue toujours selon le principe suivant: - Injection d'un dispersant dans l'eau du circuit - Après 2 ou 3 heures ( selon volume en eau du circuit et débit recirculé), faire une injection choc d'un bactéricide - après 24 ou 48 heures, faire une injection d'un autre bactéricide en alternance. L'injection de bactéricide en continu est vivement déconseillée car elle crée le phénomène de bactériorésistance des germes que l'on souhaite détruire.
Rappel de quelques notions de chimie de l'eau Eau agressive: L'agressivité d'une eau est sa tendance à dissoudre du carbonate de calcium. Une eau agressive est généralement corrosive mais l'inverse n'est pas vrai. Corrosivité: La corrosivité d'une eau est définie par rapport à un métal; entre l'eau ( électrolyte) et le métal se produit un processus électrochimique qui conduit à la dissolution du métal et sa transformation en oxydes insolubles ( dans le cas de l'acier, c'est la "rouille"). Il ne faut donc pas confondre agressivité et corrosivité d'une eau. Eau incrustante: C'est la tendance qu'a une eau de déposer des sels alcalinoterreux, en général des sels de calcium. Le "tartre" commun est le carbonate de calcium; toutefois il existe d'autres tartres, lesquels sont les sels de calcium insolubles.
SELS INSTABLES DE L'EAU L'eau contient des sels stables et instables et les difficultés essentielles, en particulier au niveau de l'entartrage proviennent des sels instables. En résumant, l'on peut schématiser la répartition des sels comme suit: Sels stables: Chlorures, sulfates, nitrates. Sels instables: Bicarbonates, carbonates. Dans une eau, la répartition des sels instables est quantifiée par les valeurs ( relatives ) des TA et TAC TA = Titre alcali métrique TAC = Titre alcali métrique complet Les valeurs des TA et TAC sont les suivantes:
Traitement physico-chimique: Les traitements physico-chimiques lors du traitement des eaux usées et résiduaires ont pour objectif la séparation des particules solides, des huiles, des acides gras... Les techniques suivantes peuvent être utilisées : •Filtres •Coagulation et Floculation •Flottation •Centrifugation •Précipitation •Décantation •Oxydation •Désinfection •Neutralisation •Électrolyse Le traitement physico-chimique de l'eau est souvent une étape intermédiaire, suivie la plupart du temps par un traitement biologique.
Le traitement physico-chimique qui associe un traitement chimique par réactifs à une séparation physique sur filtre, décanteur ou flottateur
Coagulation-Floculation Les composants de l'eau sont divisés en trois catégories: • solides en suspension, • particules colloïdales (moins de 1 micron) • substances dissoutes (taille inférieure au millimètre). Le processus de coagulation-floculation facilite l'élimination des solides en suspension et des particules colloïdales. On l'utilise dans l'étape d'une séparation solide-liquide : •
clarification,
•
flottation ,
•
filtration.
La coagulation est la déstabilisation de particules colloïdales par addition d'un réactif chimique appelé coagulant.
La Floculation est l'agglomération de particules déstabilisées en micro floc et ensuite en flocons plus volumineux que l'on appelle flocs. On peut rajouter un autre réactif appelé floculant ou adjuvant de floculation pour faciliter la formation de flocs. Les facteurs qui peuvent améliorer la coagulation-floculation sont: • le gradient de vitesse, • le temps, • le pH. Le temps et le gradient de vitesse sont importants pour augmenter la probabilité de chocs entre les particules. Le pH est un facteur très important pour l'élimination des colloïdes.
principe de la floculation
Type de réactifs
Exemples
Application au traitement de l’eau
Coagulants inorganiques
• Sels d’ aluminium • polymères d’aluminium • Sels de fer • autres coagulants inorganiques
Clarification de l'eau de surface Traitement de l'eau résiduaire Clarification de l'eau de surface Élimination des phosphates Élimination des algues Eau contenant de la matière organique Pour ignitier la coagulation de l'eau de mer
Adjuvants de floculation naturels
-Floculants inorganique -Floculants organiques (polymère naturel)
Eau froide Sels ferrique Sels d'aluminium
Coagulants organiques synthétiques
Clarification Coagulation en ligne : pour la filtration de l'eau de mer Eau résiduaire industrielle:C'est le principale champ d'application des coagulants organiques.
Adjuvants de floculation synthétique organique
Eau de Surface Eau résiduaire industrielle Eau résiduaire municipale Séchage de boues
Les coagulants les cations trivalents : la neutralisation des charges négatives à la surface des colloïdes est réalisée par addition de cations dans l'hypothèse où l'on utilise un coagulant inorganique. Les ions trivalents sont 10 fois plus efficaces que les ions divalents. Les ions trivalents de sels de fer et d'aluminium sont très largement utilisés dans les traitements par coagulation. L' influence du pH : les coagulants inorganiques changent les propriétés physico-chimiques (pH, conductivité,..) de l'eau à traiter en raison de leur hydrolyse. M 3+ + 3 H2O
<=>
M(OH)3 + 3 H+
Le pH nécessaire pour la coagulation peut être ajusté en ajoutant une base ou un acide. Cation
pH optimum pour la CoagulationFloculation
Al 3+
6.0 – 7.4
Fe 3+
>5
Production de boues : La formation d'hydroxyde métallique va de paire avec la production de boues. Ces boues peuvent être enlever dans le processus final de séparation solide-liquide. Des coagulants organiques peuvent être utilisés. L'avantage de ces cations polyéléctroniques provient du fait qu'ils neutralisent directement les charges négatives des colloïdes. Ce qui à pour conséquence de fortement réduire la production de boues. Les adjuvants de floculation Polymères organiques (silice activée) et polymères naturels (starches, algues) sont les premiers à avoir été utilisés. Mais l'utilisation d' adjuvants de floculation synthétiques permet de minimiser la production de boues. Si l'on combine ces adjuvants de floculation avec des techniques de séparations modernes, on peut produire des boues denses qui seront directement traitées dans des unités de déshydratation.
La centrifugation: C’est un procédé de séparation qui utilise l'action de la force centrifuge pour permettre un dépôt accéléré des particules d"un mélange solide-liquide. Il y a deux principales phases distinctes qui sont formées dans l'enceinte durant la centrifugations: Les sédiments: En général sa structure n'est pas uniforme. Le concentrât: (parfois appelé centrifugat) c'est à dire le liquide surnageant. Il est souvent clair mais parfois trouble due au fait de la présence de particules colloïdales très fines, qui ne sont pas facilement déposées. Cependant il peut aussi se composer de plusieurs phases si le liquide contient des éléments de différentes densités comme des huiles par exemples.
Application dans le traitement des eaux
Flottation: Contrairement à la clarification, la flottation est un processus de séparation liquide-liquide ou solide-liquide que l'on applique à des particules dont la densité est inférieure à celle du liquide dans lequel elles sont contenues. Il y a trois types de flottation : flottation naturelle Applicable si la différence de densité est naturellement suffisante pour la séparation. flottation aidée On utilise ce terme lorsque des moyens extérieurs sont utilisés pour faciliter la séparation de particules qui flottent naturellement. flottation induite Lors d'une flottation induite on diminue artificiellement la densité des particules pour leur permettre de flotter. Cette opération est basée sur la capacité qu'on certains liquides ou solides à se lier avec des bulles de gaz pour former des particules gazeuses ayant une densité inférieure au liquide.
DAF(Dissolved air flotation) est un processus de flottation induite avec des bulles d'air très fines ou des micro bulles de taille comprise entre 40 et 70 microns. La flottation mécanique est un terme utilisé dans l'industrie du minerai pour décrire l'utilisation de DAF pour produire des bulles d'une taille de 0.2 à 2 mm de diamètre.
La décantation: La décantation, tout comme la flottation est une technique de séparation des particules et des matières en suspension, des colloÏdes rassemblés en floc. Cette technique est très répandue dans les usines d'épuration et de traitement des eaux. Principe: Lors de la décantation les particules dont la densité est supérieure à l'eau vont avoir tendance à s'accumuler au fond du décanteur sous l'effet de la pesanteur. Les particules seront éliminées du fond du bassin périodiquement. L'eau clarifiée se situant à la surface du décanteur est ensuite redirigé vers un filtre. Paramètres de la décantation: La vitesse de chute des particules est proportionnelle aux diamètre, masses volumique (de la particule et du liquide) et à l'accélération de la pesanteur tandis qu'elle inversement proportionnelle à la viscosité dynamique du liquide selon l'équation de stokes. Influences:Un certains nombres de paramètres doivent être également pris en compte car ils modifient le processus de la décantation. Les courants de densité sont un des facteurs à surveiller, ils peuvent être une conséquence d'une variation de la température ou de la turbidité de l'eau. Différents types de décantation: ¾ décantation statique ¾ lamellaire ¾ à contact de boues ou en compression de boue ¾ à floc lesté.
Décantation physicochimique
décanteur lamellaire
Sorties des décanteurs lamellaires
Biofiltres
Oxydation Avancée (AOPs) : Les produits chimiques d'oxydation avancée utilisent des composés (chimiques) d'oxydation afin de réduire les niveaux de DCO/DBO, et de détruire les composés organiques et inorganiques oxydables. Le procédé permet d'oxyder totalement les composés organiques (sous forme de CO2 et d'eau), même s'il n'est pas toujours nécessaire d'opérer à un tel niveau de traitement. Une large gamme d'équipements d'oxydation avancée est disponible : Procédés d'oxydation chimiques, utilisant le peroxyde d'hydrogène, l'ozone, le peroxyde et l'ozone combinés, l'eau de Javel, le procédé Fenton, etc. Procédés UV améliorés, tel que UV/Ozone, UV/Peroxyde d'hydrogène/UV/Air. Oxydation à l'air humide, Oxydation catalytique à l'air humide (l'air est utilisé comme oxydant).
Les procédés d'oxydation avancée sont particulièrement appropriés pour le traitement des effluents contenant des composés récalcitrants, toxiques ou non-biodégradables. Ceux-ci offrent de nombreux avantages, en comparaison avec les procédés biologique ou physicochimiques : - Fonctionnement du procédé - Fonctionnement sans surveillance - Pas de déchets secondaires - Capacité à traiter des débits et compositions variables. Cependant, les procédés d'oxydation avancée demandent souvent un investissement et des coûts opérationnels plus élevés que pour un traitement biologique. L'équipement le plus approprié est déterminé à partir des caractéristiques chimiques de l'effluent.
Désinfection: Il existe de nombreuses techniques de désinfection des fluides et des surfaces Désinfection à l'ozone Désinfection par rayonnement UV Désinfection utilisant le dioxyde de chlore Le chlore l'hypochlorite de sodium (eau de Javel) Chaque technique possède ses propres avantages et domaines d'application. Le tableau ci-dessous résume les avantages et inconvénients de chaque procédé :
Technologie
Préserve l'environ nement
Sousproduits
Efficaci té
Investiss ement
+
+
++
-
UV
++
++
dioxyde de chlore
+/- +/-
Ozone
++ -/+
coûts opérationnels
Fluides
Surfaces
+
++
++
++
+
++
--
++
+
++
--
Chlore gazeux
--
--
--
+
++
+/-
--
Eau de Javel
--
--
--
+
++
+/-
--
domaines d'application:
Technologie
Applications
Désinfection à l’ozone
industrie pharmaceutique, eau potable, eau de process , eau ultra pure, désinfection des surfaces
UV
Eau de process industriel, eau potable, destruction d'ozone, eau ultra pure, Désinfection des surfaces
Dioxyde de chlore
eau potable, Désinfection des canalisations
Traitement secondaire: Traitement biologique L’épuration biologique des eaux résiduaires est basée sur l’utilisation de bactéries qui sont utilisées pour détruire les composés organiques contenus dans l'eau. On distingue 2 types de traitements : • Traitement aérobie • Traitement anaérobie La dégradation biologique à effectuer est caractérisée par le souhait de réduction de la Demande Biologique en Oxygène (DBO). Dans les systèmes aérobie, l'eau est aérée avec de l'air comprimé (dans certain cas avec de l‘oxygène). Les systèmes anaérobies fonctionnent en l'absence d'oxygène. On associe généralement à un réacteur... aérobie
anaérobie
une aération
une digestion
une décantation
une méthanisation
une clarification
un stockage et une utilisation des gaz
une nitrification
Les turbines d'aération apportent de l'oxygène aux eaux usées et résiduaires L'aération est nécessaire pour apporter de l'oxygène à l'effluent à traiter. Il existent des systèmes à fixer à une base en béton ou en métal, ainsi que des systèmes flottants pour les bassins et stations d'épuration. Les turbines d'aération à des puissances de 1.5 à 110 kW, permettent ainsi des vitesses de rotation basses (36 tr/min) ou hautes (1420 tr/min). L'avantage des turbines d 'aération est que celles-ci, en plus d'aérer l'eau à traiter, permettent de la mélanger, créant ainsi un milieu homogène. Une règle empirique approximative indique que la quantité d'oxygène apportée dans un bassin est égale à deux fois la puissance de la turbine. Par exemple, une turbine haute vitesse de 11kW apportera 22 kg/h d'O2 dans l'eau. Les données importantes à prendre en compte pour le dimensionnement sont : - les réduction de DBO et DCO souhaitées - les dimensions du bassin (profondeur également)
EPURATION AEROBIE
Installation Bio D (Procédé SBR : Sequential Biological Reactor )
Le traitement biologique par boues activées ou lit bactérien pour permettre le rejet des eaux usées en milieu naturel
Station d'épuration biologique
Procédés biologiques spéciaux pour le traitement efficace et économique des eaux résiduaires
Les procédés biologiques sont les méthodes les plus économiques et écologiquement les plus favorables pour l’élimination des matières polluantes. Le système d’épuration d’eaux résiduaires le plus répandu est le procédé par boues activées. Ce système comporte essentiellement un bio réacteur, un clarificateur, des installations pour la recirculation des boues et pour l’extraction des boues en excès. Dans le bio réacteur (bassin d’aération) les eaux polluées sont mises en contact avec une biomasse (boues activées) et l’oxygène de l’air fourni par des aérateurs. Ainsi les matières polluantes sont converties en composés inorganiques simples comme l’acide carbonique, l’eau, l’ammonium, le nitrate, le sulfate etc. ou assimilées pour la synthèse de biomasse. Dans le bassin de décantation (clarificateur) la biomasse est séparée de l’eau épurée par sédimentation gravitaire. Les eaux traitées sont enlevées du système tandis que les boues sont en partie recirculées dans le bassin d’aération et en partie extraites du système comme boues en excès.
Malgré son utilisation universelle pour une gamme d’effluents urbains et industriels, ce système simple n’est pas toujours une solution idéale et l’application d’autres procédés est nécessaire. Les raisons suivantes sont déterminantes: - nécessité d’un terrain de très grande surface en cas de grandes quantités d’eau et de charges polluantes. - coûts d’investissement et d’exploitation très élevés - consommation d’énergie élevée - problèmes d’odeurs - épuration insuffisante due à la surcharge ou la composition défavorable d’effluents - production élevée de boues en excès - rendement réduit en raison d’éléments toxiques p. e. métaux lourds Très souvent le système à boues activées n’est pas une solution suffisante mais on peut quand même réaliser une épuration satisfaisante par modification du procédé ou, le cas échéant, par combinaison avec d’autres systèmes, toujours biologiques. Ci-après sont présentées quatre solutions développées et testées à l’échelle industrielle .
Principe de fonctionnement d’un bioréacteur LINDOX®
C’est un procédé par boues activées, utilisant des bioréacteurs couverts fonctionnant à l’oxygène pur
Installation LINDOX® pour l‘épuration de l’eau usée municipale à Duisburg/Allemagne
Principe de fonctionnement d’un réacteur LINPOR®-CN avec chambre de dénitrification en amont
C’est un système, adaptable selon les exigences, basé sur un procédé par boues activées utilisant des cubes poreux en mousse plastique comme supports mobiles pour fixer la biomasse Malgré son utilisation universelle pour une gamme d’effluents urbains et industriels, ce système simple n’est pas toujours une solution idéale et l’application d’autres procédés est nécessaire.
Système LINPOR®-N à Aachen-Eilendorf /Allemagne
Principe de fonctionnement d’un réacteur LARAN®
C’est un procédé anaérobie pour le prétraitement des eaux résiduaires à haute charge organique utilisant un réacteur à lit bactérien immergé
Réacteur LARAN® dans une usine d’équarrissage allemande
Principe de fonctionnement d’un système METEX®
C’est un procédé pour l’élimination et la récupération des métaux lourds par biosorption dans un lit bactérien anaérobie
Système METEX® dans l’industrie électronique à Munich/Allemagne
Traitement tertiaires: Filtration fine / Adsorption / Concentration La première étape consiste souvent à éliminer les solides en suspension. Ceci est obtenu d'abord par décantation gravitaire pour éliminer les particules les plus grosses, puis par filtration sur des éléments filtrants poreux pour éliminer les particules les plus fines. Après filtration, les impuretés dissoutes sont ensuite éliminées. C'est la déminéralisation. La déminéralisation peut être faite en deux étapes: - déminéralisation partielle sur membrane par osmose inverse ou électrodialyse - déminéralisation totale par évaporation ou échange d'ions La déminéralisation par évaporation est très consommatrice d'énergie et l'utilisation de résines échangeuses d'ions est la plus employé pour des volumes importants.
CAG (Charbon Actif en Grain)
Le traitement tertiaire ou de finition dans le cas d’abattement de la DCO, DBO5 ou des MES par adsorption sur charbon actif, ozonation, post filtration.
Filtration Filtre à sable: Filtration des eaux sur un matériau (sable ou sable plus anthracite dans le cas des filtres bi-couches) de différentes granulométries . On distingue des filtres lents ou filtres ouverts et des filtres rapides ou filtres fermés. ·
Les filtres lents sont utilisés pour des eaux moyennement et fortement chargées en matières solides en suspension, l'eau dans ce cas percole par gravité à travers le lit de sable disposé dans des grands bassins ouverts à l'air libre.
·
Les filtres rapides, dont la vitesse de filtration est comprise entre 30 et 70 m/h, sont utilisés pour des eaux faiblement chargées de matières solides en suspension, l'eau dans ce cas est envoyé sous pression à travers le lit de sable disposé dans des réservoirs clos réalisés par chaudronnerie ou en résine armée de fibres de verre.
Le lavage de ces filtres est effectué par inversion du courant d'eau avec éventuellement injection d'air comprimé et les impuretés sont rejetées à l'égout avec l'eau de lavage. Le temps de nettoyage est déterminé par les facteurs suivants: • Volume • Chute de pression due au filtre.
Exemple de filtre (coupe schématique)
1 Entrée d'eau brute 2 Vasque de répartition 3 Entrée d'air de lavage 4 Masse filtrante 5 Plancher crépiné 6 Collecteur de sortie d'eau filtrée 7 Sortie des eaux de lavage 8 Vanne de vidange 9 Évacuation d'air
Filtre conventionnel •hauteur de matériau entre 0,8 et 1 m, •niveau constant, •goulotte latérale d'évacuation des eaux sales de lavage
Filtre de grande hauteur •hauteur de matériau entre 1,2 et 1,4 m •niveau d'eau jusqu'à 1,5 m permettant par exemple •dégazage de l'eau • niveau variable ou constant •goulotte centrale mixte pour l'admission de l'eau à filtrer et l'évacuation des eaux sales de lavage
Filtre à balayage de surface •analogue au filtre grande hauteur •balayage de surface continu par courant d'eau en phase de lavage
Filtre double couche •deux couches de matériaux différents • hauteur totale de matériau entre 1,2 et 1,4 m •niveau constant •goulotte latérale d'évacuation des eaux sales de lavage
Filtres sous pression mono ou bi-couches •enceinte fermée •arrivée d'eau sous pression •particulièrement adapté pour des petites et moyennes capacités
Le filtre à sable purifie l'eau de trois manières différentes: 1.
Filtration pendant laquelle les particules sont séparées de l'eau à traiter
2.
Adsorption chimique pendant laquelle les contaminants collent à la surface du sable et viennent grossir la taille de ce dernier
3.
Assimilation par des micro-organismes aérobiques qui se nourrissent des polluants de l'eau.
L'eau qui est purifiée grâce à un filtre à sable est généralement prétraitée au préalable.
Application de la filtration par sable: • Préparation des eaux de refroidissement • Traitement d’eaux potable • Production d’eaux potable • Filtration des eaux de piscines ( filtre à sable bi-flux) • Pré filtration pour les systèmes à membrane • Filtration des eaux de surface • Filtration continue
Filtres à tambour: Conçus dans les systèmes ou il est essentiel d’éviter la fragmentation des particules Le liquide n'est soumis à aucune pression, et le filtre est conçu de façon robuste, avec un minimum de pièces en mouvement, assurant ainsi une durée de vie prolongée et un faible coût de maintenance. Le liquide est filtré à travers les parois périphériques du tambour, celui-ci tournant à petite vitesse. Grâce à la structure particulière du filtre, les particules sont soigneusement séparées du liquide. Les particules solides ainsi récupérées sont, après rinçage, collectées dans un bac et évacuées. Pour de gros débits, la filtration par disque est plus appropriée. Les filtres à tambours sont idéals pour le recyclage de l’eau, et également lorsque ceux-ci sont intégrés à un système de retraitement des eaux résiduaires.
Filtre à disque : La technologie des disques est particulièrement avantageuse lorsque qu'une grande surface de filtrage est nécessaire. Grâce à la compacité élevée des filtres, la surface filtrante est 2 à 3 fois supérieure à celle d'un filtre à tambour de mêmes dimensions extérieures.
Par effet de gravité, l'eau coule à travers les filtres depuis le centre du tambour. Les particules solides sont séparées du liquide grâce aux toiles micro filtrantes fixées sur les 2 faces des disques. Lorsque le filtre est encrassé, un cycle de nettoyage peut être lancé, les particules solides étant ainsi évacuée dans un bac. La filtration par disque est idéale pour le recyclage de l'eau et pour assurer la phase d'affinement lors du traitement des eaux résiduaires.
Filtre à cartouche: Ce type de filtre est constitué d'une enveloppe sous pression contenant une ou plusieurs cartouches filtrantes destinées à retenir les impuretés. Les finesses de filtration sont variables, le plus souvent de 5 à 80 microns, selon la texture du matériau qui constitue la cartouche (papier plissé, feutre, fils bobinés). Les cartouches doivent être remplacées régulièrement, en fonction de leur état d'encrassement qui font augmenter la perte de charge.
Filtre à charbon actif: Le charbon actif a le pouvoir de retenir par adsorption (c'est-à-dire en concentrant à sa surface les substances dissoutes) les molécules organiques qui donnent à l'eau des odeurs et des saveurs désagréables. Utilisé également comme catalyseur, il permet d'éliminer le chlore résiduel et les chloramines. Grâce à ces propriétés, les filtres à charbon sont utilisés pour désodoriser l'eau et supprimer les traces et les goûts de chlore. Le charbon actif se présente sous forme de poudre ou de grains : · Sous forme de poudre, il est utilisé dans des cartouches (filtres à cartouches ) . · Sous forme de grains, il est utilisé dans des filtres classiques lavables (type filtre à sable). Lorsque la limite de capacité d'absorption est atteinte, la cartouche ou la masse de charbon actif doit être remplacée, sauf dans le cas de très grosses installations industrielles où une régénération à la vapeur peut être économiquement envisageable.
Filtre de neutralisation: La neutralisation permet d'ajuster le pH d'eau trop acide et, donc, souvent corrosive. Ce type d'eau se rencontre dans les terrains acides. Pour réaliser cette neutralisation, l'eau percole dans un filtre contenant du calcaire d'origine marine et offrant une grande surface de contact ; le gaz carbonique est ainsi neutralisé et l'eau atteint son pH d'équilibre. Ce procédé est aussi utilisé pour neutraliser des eaux de rejet trop acides . Dans ces filtres de neutralisation, on peut également employer du marbre concassé à la place du calcaire marin.
Filtration à membrane: La surface des filtres détermine les performances et la capacité de filtration de la membrane. Les membranes à spirales ont la plus grandes surfaces et sont en générales plus économiques à utiliser. Les surfaces des membranes tubulaires sont plus petites. Installer une pré-filtration a les avantages suivants: •long vie •augmentation de la production de l'installation •entretien simplifié Après la pré-filtration une dose de produits chimiques peut être ajoutée de manière à prévenir l'apparition du calcaire et les problèmes de précipitation à la surface des membranes. Une membrane est constituée de: •pompe d'alimentation •les éléments de la membrane assemblés en chambre de pression. •Tuyaux système de nettoyage
Ultra Filtration: L' Ultra filtration est utilisée pour enlever des particules flottantes, des colloïdes, bactéries ou autres virus. Cette technique utilise des membranes entre 5 et 500 nm. Il y a trois types de membranes ·Membranes en spirale, les moins chères mais plus sensible à la pollution ·Membranes tubulaires / en forme de pailles, les membranes les plus utilisée par leur rapport coût/efficacité, difficilement difficile à polluer. ·Membranes en céramique, plus chère mais extrêmement résistant aux pollutions lourdes.
On peut nettoyer le matériel de 3 façons différentes: ·Nettoyage mécanique avec des balles éponge ·Nettoyage grâce à des remous appliqués aux éléments de la membrane ·Nettoyage chimique
Nanofiltration La technique de nanofiltration est principalement utilisée pour enlever les ions tels que les métaux lourds. Cette technique peut être perçu comme une filtration membranaire de type osmose inverse et de piètre qualité. En effet, la nanofiltration utilise des membranes moins fines, la pression d'alimentation d'un système de nanofiltration est généralement faible comparée à celle d'une osmose inverse. De plus le taux d'encrassement est plus faible qu'un système d'osmose inverse.
Applications pour la nanofiltration: •adoucissement •Enlever les métaux lourds des effluents pour réutiliser l'eau •réduction de la teneur en ions sodium Les résultats classiques d'une nanofiltration sont une élimination de 50% des ions NaCl et 90% pour les ions CaSO4
Il y a deux types de membranes: •Les membranes spirales, moins chères mais plus sensible à la pollution. •Les membranes tubulaire/paille, les membranes les plus utilisées en considérant le coût et l'efficacité, difficilement en défaut face à la pollution.
PROCÉDÉ
PROCÉDÉS DE SÉPARATION PAR MEMBRANES
DOMAINE D'APPLICATION
GRADIENT MOTEUR DE LA SÉPARATION
PRODUIT RÉCUPÉRÉ
Osmose inverse
solution aqueuse avec soluté de faible poids moléculaire
différence de pression < 100 bars
solvant
Ultrafiltration
solution de macromolécules émulsions
différence de pression < 10 bars
solvant
Micro filtration tangentielle
suspension, émulsions
différence de pression < 5 bars
phase continue
Perméation des gaz Pervaporation
mélanges gazeux
différence de pression < 80 bars
un composé en particulier
mélange de solutions organique, organique-aqueuse
un composé en particulier
Osmose
solution aqueuse
rapport des pressions partielles aux pressions de saturations différence de concentration
Dialyse
solution aqueuse
différence de concentration
soluté (ions)
solution aqueuse
différence de potentiel électrique
soluté (ions)
Electrodialyse
solvant
Sélection du procédé. La figure simplifiée suivante permet de mieux comprendre comment sélectionner le meilleur procédé à membranes selon des critères de qualité et de traitement donnés
L’ELECTRODIALYSE
Le procédé de traitement des eaux par électrodialyse est une technique qui permet d'éliminer la salinité contenue dans l'eau au même titre que la déminéralisation totale sur résines, l'osmose inverse, etc. L'électrodialyse est une méthode électrochimique dans laquelle le sel est séparé de l'eau par un simple transfert d'ions. Les sels, dissous dans l'eau sont ionisés, c'est-à-dire, constitués d'atomes qui ne sont plus neutres mais qui portent un charge positives (cations) ou négatives (anions), ces atomes sont alors appelés des ions. Le sel (ou chlorure de sodium NaCl à l'état solide) est dissous dans l'eau de mer. Il est donc présent ici en solution aqueuse. On trouve alors dans cette eau des ions sodium Na+ (anions) et des ions chlore Cl- (cations)
PRINCIPE L'eau est soumise à un courant électrique continu dans une enceinte où sont disposées des membranes anioniques et cationiques qui ont pour mission de ne laisser passer à travers elles que les anions et les cations. Le schéma suivant montre, sur le plan théorique comment sont disposées ces membranes ainsi que le cheminement des ions. MA: membranes anioniques qui sont traversées seulement par les anions contenus dans l'eau ( matériau: dérivés du polystyrène contenant des ammonium quaternaires). MC: Membranes cationiques qui sont traversées seulement par les cations contenus dans l'eau ( matériau: dérivé du polystyrène ) Saumure ou Concentrât : c'est une eau plus chargée ioniquement que l'eau brute à traiter, car elle a récupéré les anions et cations extraits de l'eau brute; c'est donc, dans le cas d'un poste d'électrodialyse destinée à produire de l'eau déminéralisée ( ce qui est sa vocation première), le rejet produit par l'installation.
Schéma d'un poste d'électrodialyse à 2 étages
Remarque: Seuls les ions ( particules chargées électriquement) sont éliminés dans l'électrodialyse; les MES ne sont pas arrêtées par le procédé, mais contribuent à encrasser les membranes. Le problème est que l'électrodialyse a été jusqu'ici envisagée pour le simple dessalement des eaux saumâtres, dont la salinité n'excède pas 1%. Donc le procédé n'est pas rentable pour des liquides ayant une teneur en sel supérieure. Cette pratique ne s'applique pas non plus à des eaux ayant une salinité inférieure à 0.04%. Malgré ces quelques limitations, plusieurs petites usines de dessalement par électrodialyse sont en activités dans le monde sur des bases commerciales.
Prétraitement de l’eau Il est préférable d'éliminer certains composants contenus dans l'eau avant de la traiter par électrodialyse, en particulier les matières en suspension ( MES). - Produits colloïdaux - Oxydes métalliques - Matières organiques. En principe une filtration préalable, bien exploitée, est suffisante. Elle peut être précédée d'une floculation, ceci étant fonction des caractéristiques physico-chimiques de l'eau à traiter. Il est donc nécessaire, pour procéder à une étude fiable d'installation d'un poste d'électrodialyse, de connaître précisément l'analyse de l'eau à traiter; de plus, une analyse ponctuelle est insuffisante, et il est nécessaire de travailler sur les bases d'une campagne d'échantillonnage dont la durée et la fréquence des prélèvements sont à fixer au cas par cas.
Mini station de dessalement par électrodialyse
LA DISTILLATION Le principe de la distillation est le plus ancien et le plus simple: On transforme l'eau de mer en vapeur qu'on condense par la suite. L'eau ainsi obtenue est de grande pureté mais nécessite une reminéralisation. Cependant, si elle est utilisé sous sa forme la plus primitive, la distillation s'avère très coûteuse car il faut beaucoup d'énergie pour amener toute cette eau à ébullition mais aussi pour condenser la vapeur. Afin de remédier à ce problème, deux solutions: • distillateur à compression de vapeur • distillateur multiflash. Dans les deux cas c'est la température de l'eau qui va servir de condenseur.
Distillateur à compression vapeur Le compresseur aspire la vapeur produite dans la chaudière et en élève la température par compression au-dessus de la température régnant dans celle-ci; la chambre peut donc servir de condenseur à la vapeur comprimée qui cède ainsi à l'eau les calories de condensation qui sont réutilisées dans un nouveau cycle.
Distillateur multiflash L'eau de mer traverse deux fois les étages successifs de distillation. 1. A contre-courant, elle assure la condensation de la vapeur produite dans chaque étage tout en récupérant les calories de condensation. 2. Après avoir reçu un complément de calories provenant de la chaudière, elle fournit par évaporation instantanée (flash) la vapeur produite dans chaque étage, maintenu chacun à une pression inférieure à la pression saturant correspondant à la température de l'eau dans chaque étage. On récupère ensuite l'eau distillée séparée de la saumure (eau+sel).
comparaison avec les techniques classiques : coagulation/floculation, décantation, filtration sur sable et chloration
comparaison avec l’irradiation par rayonnement U.V. (Ultra Violet)
comparaison avec les systèmes utilisant des membranes organiques
Sélection du procédé. La figure simplifiée suivante permet de mieux comprendre comment sélectionner le meilleur procédé à membranes selon des critères de qualité et de traitement donnés
Les conditions de rejet applicables en Allemagne pour les effluents des installations d'épuration des eaux et des systèmes de refroidissement, conformément à l'article 7a de la loi sur la gestion de l'eau (WHG), annexe 31, sont présentées dans le tableau ciaprès. Conditions de rejet pour les effluents des installations d'épuration des eaux et des systèmes de refroidissement Centrales électriques
Processus industriels
Autres sources d'effluents de la production de vapeur
Echantillon ponctuel Matières décantables
mg/l
0,3
0,3
0,3
Chlore actif
mg/l
-
0,3
-
Hydrazine
mg/l
-
-
5,0
Echantillon composite sur 2 h Demande chimique en oxygène (DCO)
mg/l
30
40
-
Phosphore (Ptot)
mg/l
3
5
8
Vanadium
mg/l
-
-
3
Fer
mg/l
-
-
7
Échange d’ions Les échangeurs d'ions sont des macromolécules insolubles portant des groupements ionisables, qui ont la propriété d'échanger de façon réversible certains de leurs ions, au contact d'autres ions provenant d'une solution. Résine cationique : qui échange réversiblement des cations. Une résine cationique est chargée négativement.
Résine-G- / X+ + cation+ <=> Résine-G- / cation+ + X
Résine échangeuse de cations (résine cationique).
Résines anioniques : qui échange réversiblement des anions. Une résine anionique est chargée positivement.
Résine-G+ / Y- + anion- <=> Résine-G+ / anion- + Y-
Résine échangeuse d'anions (résine anionique).
Propriétés des échangeurs d'ions : Le support peut être minéral, mais il est le plus souvent organique (résine de copolymérisation, polyosides : dextrans ou celluloses ). Les groupements fonctionnels chargés des résines sont fixés par covalence sur le support. Les groupements fonctionnels des résines cationiques (résines classées d'après leurs aptitudes à l'ionisation) : •Résines cationiques fortes : 9sulfoniques (très fortement ionisées, quel que soit le pH) : Résine sous forme acide : Résine-SO3- / H+ (contre-ion : H+) Résine sous forme sodique : Résine-SO3- / Na+ (contre-ion : Na+) •Résines cationiques intermédiaire : 9à groupement phospho : Résine-H2PO4- / H+
Résine-H2PO4- / Na+
•Résines cationiques faibles : 9carboxyliques (non ionisées en milieu fortement acide) : Résine-COO- / H+
Résine-COO- / Na+
9à groupement carboxyméthyl : Résine-CH2-COO- / H+
Résine-CH2-COO- / Na+
• Résines cationiques très faibles : 9phénoliques (uniquement ionisées en milieu alcalin) : Résine-O- / H+
Résine-O- / Na+
Les Groupements fonctionnels des résines anioniques : •Résines anioniques fortes : 9résines à groupements aminés quaternaires. 9résines à groupements aminés tertiaires. •Résines anioniques faibles : 9résines à groupements aminés secondaires et primaires.
Capacité de rétention d'un échangeur d'ions : C'est le nombre de millimoles (mmol) d'ions que la résine peut échanger par unité de masse. On l'exprime par gramme de résine sèche (ou moins souvent par unité de volume : par ml de résine humide). Élution : L'élution consiste à déplacer l'ion fixé par un autre, de densité de chargé et de concentration plus élevée on utilise de petits ions fortement chargés : Cl-, HO-, Na+, H+... Radicaux : Les principaux radicaux R sont : •le radical [SO3H], comme acide fort (cation fort), •le radical [COOH], comme acide faible (cation faible), •les ammonium quaternaires [-R3N+OH-], comme base forte (anion fort), •les amines [-RNH], comme base faible (anion faible).
Sélectivité : Propension à fixer certains ions préférentiellement dépend du type de résine
En général, les échangeurs d'ions usuels ne sont pas sélectifs vis à vis d'un seul ion et pour des mélanges contenants des ions métalliques et du calcium, ce dernier sera fixé de préférence aux métaux : Ba2+>Pb2+>Sr2+>Ca2+>Ni2+>Cd2+>Cu2+>Co2+>Zn2+>Mg2+>Ag+>K+>NH4+>Na+>H+
Cycle : Un cycle complet comprend 4 phases : •la saturation ou production : la solution passe à travers le lit de la résine jusqu'à saturer cette dernière. Au point de percement ou lorsque la valeur limite de la fuite est atteinte, on arrête la phase de production. •le soulèvement : permet d'éliminer les particules qui ont pu se déposer à la surface du lit à l'aide d'un courant d'eau ascendant. •la régénération : se fait par introduction de la solution régénérante par percolation (ascendante dans le cas d'un contre courant ; descendante dans le cas d'un co-courant). Les colonnes peuvent être utilisées pour des régénérations soit à co-courant soit à contre-courant. Dans une régénération à co-courant, la solution régénérante est mise du même coté que la solution à traiter. Cette technique est la moins chère des deux en terme d'investissement initial. Mais la technique à contre courant utilise plus efficacement les produits chimiques régénérants, de plus les fuites sont plus importantes avec une technique à co-courant. •le rinçage : on déplace le régénérant à l'eau, à faible débit, jusqu'à ce que la résine ne contienne plus que de faibles traces de régénérant : phase de rinçage lent. Puis il y a une étape de rinçage rapide à débit plus élevé de façon à éliminer les dernières traces de régénérant.
Cinétiques : Un échangeur fonctionne de façon similaire à une colonne d'adsorption et après échange de tous les ions potentiellement échangeables, il est nécessaire de procéder à une régénération de l'échangeur à l'aide d'une solution chimique, concentrée en ions [A-] ou [C+] et récupérer ainsi l'ion B. La saturation des sites actifs dans un échangeur en forme de colonne sous percolation, s'effectue selon un front de saturation qui s'étend progressivement dans le sens du flux :
Par ailleurs, selon que la régénération a été effectuée à co ou contre-courant du sens de saturation (sens du flux en phase de fixation des ions de l'eau), les fronts de saturation n'ont pas le même profil et la fuite ionique en sortie de colonne est différente.
Capacités : On distingue plusieurs capacités d'échanges ioniques selon l'usage : 1.la Capacité totale (quelquefois appelée pouvoir d'échange), 2.la Capacité utile de base, 3.la Capacité utile spécifique. 1 - Capacité totale C'est le nombre maximum d'ions que la résine peut fixer. Elle est fonction du type de résine. En général les capacités totales des cationiques sont supérieures aux anioniques. S'exprime, selon les cas, en : · équivalents par litre (de résine), eq/l, · milli-équivalents par litre (meq/l), · équivalents par mètre-cube (eq/m3), · degré français par litre ou m3 (°F/l ou °F/m3), · gramme (d'un ion) par litre ou m3. 2 - Capacité utile de base C'est le nombre d'ions qu'une résine peut fixer en fonction du type de résine et du taux de régénération. 3 - Capacité utile spécifique C'est la quantité d'un ion donné qu'une résine peut fixer, en fonction du type de résine et du taux de régénération. Exemple : capacité de fixation de dureté (Ca+Mg) en fonction du régénérant NaCl,
Mise en œuvre : Type d'appareil industriel pour échange d'ions - Équipements internes, soit : A = entrée d'eau brute et sortie d'eau de soulèvement, B = entrée du régénérant, C = sortie de l'eau traitée et entrée de l'eau de soulèvement, G = purge d'air, D = résine, E = trou d'homme, F = hublot, K = plancher crépine, L = bride ou flasque d'accouplement
Exemple 1 : - Soit une résine saturée en chlorure : [R+- Cl-] , - Principaux anions présents dans l'eau : HCO3-, Cl-, SO42-, NO3- (soit au total B-), - Principaux cations présents dans l'eau : Ca2+, Mg2+, Na+, etc. (soit au total B+ ), Nous avons : [R+- Cl-] ...... + ...... [B+- B-] >>>>>> [R+- B-] ...... + ...... Cl-- B+ résine...........................eau....................ions fixés.............. ions libérés Exemple 2 : - Soit une résine cationique saturée en sodium : [R-- Na+] , - Principaux cations présents dans l'eau : Ca2+, Mg2+, Na+, etc. (soit au total B+ ), - Principaux anions présents dans l'eau : HCO3-, Cl-, SO42-, NO3- (soit au total B-), Nous avons : [R-- Na+] ...... + ...... [B+- B-] >>>>>> [R-- B+] ...... + ...... Na+- Brésine...........................eau....................ions fixés.............. ions libérés Exemple 3 : - Soit une résine cationique carboxylique : [R-- CO2H] , (CO2H ou COOH : radical carboxyl, acide faible) - Principaux cations présents dans l'eau : Ca2+, Mg2+, Na+, etc. (soit au total B+ ), - Principaux anions présents dans l'eau : HCO3-, Cl-, SO42-, NO3- (soit au total B-), Nous avons : [R-- CO2H] ... + ... [B+- B-] >>>>>> [R-- B+] ...... + ...... CO2H - Brésine...........................eau....................ions fixés................ ions libérés
Osmose inverse: Procédé de séparation par membrane semi - perméable . Les membranes ne sont perméables qu'au liquides et non aux corps dissous (sels minéraux, colloïdes) ou aux matières en suspension (bactéries,virus,etc. ..). Une pression (de 3 à 100 bars selon la salinité de l'eau à traiter) est appliquée à l'eau qui, au contact de la membrane semi-perméable, se sépare en deux courants : · le perméat (eau épurée) qui passe à travers la membrane, · le concentrât, qui s'écoule à l'égout en entraînant l'ensemble des sels et matières retenus. Pratiquement la membrane se présente sous la forme d'une feuille enroulée en spirale à l'intérieur d'un tube de pression muni de 3 raccordements ( l' entrée et les deux sorties )
Principe de l’osmose inverse
La pression osmotique P est d’autant plus importante que la concentration est élevée et que la masse molaire est faible. Nota bene : la pression osmotique de l’eau de mer est de l’ordre de 25 bars
Le procédé d'osmose inverse utilise une membrane semiperméable afin de séparer les solides dissous, la matière organique, les virus et bactéries de l'eau. Le procédé est dit "inverse" car il nécessite une pression suffisante pour 'forcer' l'eau pure à passer à travers la membrane. Ce procédé abouti à de très bons résultats, car il peut éliminer de 95 à 99% des particules solides dissoutes et 99% des micro-organismes.
1234567891011-
Entrée d’eau Sortie de concentrât Sortie de perméat Sens d’écoulement de l’eau brute Sens d’écoulement du perméat Matériau de protection Joint d’étanchéité entre module et enveloppe Perforations collectant le perméat Espaceur Membrane Structure Collecteur de perméat
interne d’une membrane à spirale
La figure suivante présente les modules par rapport à leur compacité et à la vitesse de balayage de l'eau brute, afin d'illustrer les choix de conception, selon les différents types de modules :
Montage de corps d’osmoseurs (modules) en parallèle
Montage de modules en série
En rouge: eau concentrée ( concentrât) ; en bleu: eau osmosée ( perméat). Pour l'obtention d'eau de haute qualité ( de forte résistivité ), des montages en série à 2 étages - ou plus - sont mis en oeuvre.
Nettoyage des membranes OI Le procédé d'osmose inverse, comme tous les procédés à membrane, nécessite un nettoyage régulier. Afin de conserver des performances optimales, des produits chimiques spécifiques sont nécessaires, selon le type de polluant présent dans le filtre. Matériau à enlever: 1-Carbonate de calcium, dépôts organique, métaux (Cause : eau dure) 2-Bio films (Développement de micro-organismes dans la membrane)
SCHEMA DE PRINCIPE DE L’OSMOSE INVERSE
schéma complet de traitement de l'eau par osmose inverse
Batterie d'étages d'osmose inverse à l'usine Polymetrics de Malte
Traitement des boues Plusieurs types d’installations de traitement des boues issues des pré traitements et/ou des eaux résiduaires pour l’épaississement par table d’égouttage (GDD, GDE), la déshydratation par filtre à bandes (GDPress, Superpress), centrifugation, filtre presse sont disponibles. Table d’égouttage pouvant supporter 2 types de grilles GDD (épaississement Direct) et GDE (épaississement Économique) permettant d'épaissir des boues de concentrations différentes
Ainsi traitées, les boues peuvent être destinées à l'épandage, au compost ou à l'incinération. Les traitements concernent aussi bien les boues urbaines issues d'un traitement biologique, que les boues industrielles après traitement physico-chimique.
Traitement des boues. 1- Digestion. La digestion est un procédé microbiologique transformant la boue organique chimiquement complexe en méthane, dioxyde de carbone et en un matériau non toxique semblable à de l'humus. Les réactions se déroulent dans un réservoir clos ou digesteur dans des conditions anaérobies. D'abord la matière solide est rendue soluble par des enzymes, ensuite le produit est fermenté par un groupe de bactéries acidifiantes, procédé qui le réduit à des acides organiques simples, tels que l'acide acétique. Les acides organiques sont alors transformés par les bactéries en méthane et en dioxyde de carbone (CO2). La boue épaissie est chauffée et versée le plus régulièrement possible dans le digesteur où elle séjourne entre 10 et 30 jours pour y être décomposée. Par la digestion, on atteint une réduction de la matière organique de 45 à 60 %. 2 - Séchage. Le séchage consiste à placer la boue digérée sur des lits de sable pour un séchage à l'air libre. La percolation dans le sable et l'évaporation sont les étapes essentielles du processus de déshydratation. Pour être réellement performant, le séchage à l'air requiert un temps sec et relativement chaud, certaines installations disposent de structures semblables à des serres permettant d'abriter les lits de sable. Le plus souvent, la boue séchée est utilisée comme améliorant pour les sols, parfois comme engrais en raison des 2 % d'azote et 1 % de phosphore qu'elle contient.
Épaississement. Les boues issues de la 1ère étape du traitement biologique (boues activées en excès) et de la 2ème étape du traitement biologique (lavage des biofiltres) sont envoyées dans 2 épaississeurs. L'épaississement des boues a pour objectif d'augmenter leur concentration en matières sèches.
Digesteurs
Digestion Les boues épaissies sont alors dirigées vers les digesteurs dont 1 primaire et 1 secondaire. Le processus de fermentation anaérobie nécessite, pour une bonne activité bactérienne une température des boues voisine de35°C. Le brassage du digesteur primaire ainsi que le réchauffage des boues sont assurés à partir du gaz de digestion. La quantité de gaz produit est d'environ 0,9 m3 /kg de matières volatiles éliminées pour un temps de séjour total de 23 jours.
Digesteurs
Gazomètre
Torchère
Déshydratation mécanique La déshydratation mécanique des boues digérées est effectuée par des centrifugeuses qui permet d'obtenir un amendement organique utilisé en agriculture. Cette "nouvelle terre" est stockée dans un silo d'une capacité de l60m3.
Centrifugeuses
Traitement de l'air Les ouvrages sont construits en enceinte fermée, la ventilation et le traitement de l'air vicié sont très élaborés afin d'assurer le confort et la sécurité des personnels d'exploitation ainsi que la dépollution de l'air rejeté à l'atmosphère. Les gaz odorants sont captés à l'intérieur de l'usine par un réseau d'extraction et dirigés vers la désodorisation: 1ère tour : élimination des composés azotés par solution acide, 2ème tour : élimination des composés souffres par solution basique, 3ème tour : affinage du traitement et élimination des acides et cétonnes par solution basique oxydante. L'air ainsi débarrassé de tous polluants olfactifs, peut ensuite être rejeté à l'atmosphère sans risque de créer de nuisances pour l'environnement.
Tours de désodorisation
Ventilation
Gestion centralisée Installé au coeur de l'usine, un système de contrôle centralisé IBS-BIO, développé spécialement pour la gestion d'usine de dépollution, permet une surveillance permanente et une commande générale des équipements en un lieu unique. Depuis la salle de contrôle et grâce à ce système, l'opérateur peut à chaque instant être informé sur tous les états de marche des équipements de la station. Une vidéo surveillance couleur permet de visualiser toutes les installations.
Gestion du risque de prolifération des légionelles dans les installations de refroidissement par dispersion d'eau dans un flux d'air
¾ Les pathologies des réseaux ¾Facteurs de risque de prolifération et moyens de lutte ¾Identification et gestion des facteurs de risques ¾Surveillance & méthodes d’analyses
Pathologies des réseaux Dépôts incrustants Dépôts non incrustants Dégradation/corrosion Biofilm
Quelques éléments rencontrés dans l’eau brute •Les matières en suspension ou en émulsion, responsables des boues et des dépôts. •Les matières organiques, également responsables des boues et des dépôts. •Les sels minéraux dissous, responsables des tartres et incrustations lorsqu’ils précipitent. •Les ions. A noter que le bilan ionique exprime les teneurs relatives en cations et anions, et que la silice SiO2 faiblement ionisée est mesurée à part. •Les micro-organismes, responsables du biofilm. Certains de ces micro-organismes peuvent être pathogènes
Le pH (potentiel d'hydrogène) : - caractérise la teneur en ions H+ de l'eau, - détermine son caractère acide (0 < pH < 7), - a une influence très importante sur la désinfection. La dureté de l'eau, son TH (Titre Hydrotimétrique) : - exprimé en degrés français (°f), - est fonction des concentrations en ions calcium et magnésium. L'alcalinité de l'eau, son TAC (Titre Alcalimétrique complet): - exprimé en degrés français (°f), - est fonction des concentrations en ions carbonates et bicarbonates, - caractérise le pouvoir tampon de l'eau, c'est à dire la capacité d'influence d'un produit acide ou basique sur le pH de l'eau. Plus le TAC est élevé, et plus il est difficile de faire varier le pH de l'eau.
Dégradation du béton: La dégradation est due principalement au passage en solution de la Portlandite (Ca(OH2)) du ciment hydraté. La cinétique de cette dissolution dépend de facteurs variés comme la nature du ciment utilisé, du dosage en ciment du béton, de la porosité (rapport eau/ciment au malaxage, mise en oeuvre et cure...), de la "qualité" de l'eau en contact avec le béton… Cette dégradation, outre l’altération de l’état de surface induit une élévation du TH dans l’eau avec des risques de précipitation et formation de tartre. Dégradation du bois: Le bois dans les tours est soumis aux détériorations chimique (teneur résiduelle en oxydant, variation de pH), biologique et physique (les composés naturels qui permettent au bois de résister à la pourriture sont très hydrosolubles).
La corrosion par érosion se produit lors du passage à grande vitesse d'eau chargée de sédiments. Il faut donc avoir une eau véhiculée qui contienne le minimum de sédiments, et des vitesses de circulation pas trop élevées (mais pas en régime laminaire!!). La corrosion par cavitation se produit lors de modifications locales de la pression (due à des variations de la vitesse de l'eau), qui entraîne une vaporisation de l'eau. Les bulles de vapeur ainsi produites, créent une onde de choc arrachant le métal à proximité lorsqu'elles se recondensent. Cette liaison entre la vitesse et la pression est formalisée par le théorème de Bernoulli. La limitation de vitesse permet aussi de limiter la corrosion par cavitation. Elle peut se produire en particulier dans les pompes (entraînant une destruction rapide des aubes), ou lors de modifications trop brusques de section d'écoulement. Les deux phénomènes sont difficilement différenciables. La vitesse maximale à ne pas dépasser dépend du type de matériaux, de la qualité des matériaux et de la qualité de l’eau. Une vitesse de 2 m.s-1 ne devrait jamais être dépassée dans un circuit d'eau. Pour le cuivre le Centre Technique du Cuivre préconise de ne pas dépasser une vitesse de 1,5 m/s; le Guide Technique nº1 bis propose de limiter cette vitesse à 1,2 m/s. D'autres recommandations de vitesses maximales pour le cuivre et ses alliages sont faites dans la Revue Générale du Froid, les vitesses varient en fonction de la qualité de l ’eau et de celle des matériaux.
Métaux et alliages. Les principaux métaux utilisés dans le transport des fluides sont : · le fer et ses alliages, · le cuivre et ses alliages, · le zinc en tant que protection de l'acier : acier galvanisé, · l'aluminium et ses alliages.
Tout métal se dissout en présence d'une solution aqueuse. Quantitativement cette dissolution dépend du métal et de la solution. Lorsqu'un métal se trouve au contact de l’eau, les ions métalliques chargés positivement (cations) passent en solution. Le métal lui, se charge négativement en prenant les ions négatifs venant de l’eau. Cette dissolution crée une différence de potentiel entre le métal et la solution (créée par les charges accumulées et les cations métalliques passés en solution), qui lorsqu’elle est suffisamment forte, empêche la dissolution de se poursuivre. On aboutit à un état d'équilibre entre le métal et la solution. Une corrosion électrochimique débute à partir du moment où l'état d'équilibre est rompu. En particulier si les électrons provenant de l'ionisation du métal sont captés. Trois cas sont envisageables : • les électrons sont captés en présence d'oxygène : corrosion par l'oxygène, • les électrons sont captés par les cations H+ : corrosion acide, • les électrons sont captés par un métal plus "noble" : corrosion galvanique.
La zone de métal corrodée sera appelée anode, celle où s'établira le captage des électrons : cathode. Il est ainsi créé ce que l'on appellera une pile de corrosion. On peut avoir sur une même pièce métallique des zones cathodiques et des zones anodiques du fait de l'hétérogénéité de la structure du métal. Le mécanisme de corrosion comporte trois phases : • dissolution du métal à l'anode, • transfert des électrons libérés vers la cathode, • réaction de cathode. Si les surfaces anodiques sont de grandes dimensions la corrosion sera généralisée, l’épaisseur de métal dissoute sera faible, la corrosion restera superficielle. En revanche si le nombre de sites anodiques est faible, la corrosion, pour une même surface cathodique se fera en enlevant les mêmes quantités de matière. La dissolution du métal se faisant alors sur une surface réduite, on aboutira rapidement à une corrosion perforante. La corrosion dite généralisée, sera au contraire moins dangereuse.
Formation du biofilm Les bactéries se déposent sur le support disponible et se fixent par sécrétion rapide de muccopolysaccharides : La croissance du biofilm se fait alors en épaisseur. Ce dépôt constitue une source de contamination permanente de l’eau : - détachement des bactéries - arrachement sous l’effet des forces hydrauliques (coups de bélier, marche/arrêt, usure et fragilisation du dépôt par des conditions de mise en oeuvre de traitement non optimales...) La présence de biofilm dans l’eau circulante peut expliquer certains résultats d’analyses très variables.
Biofilm
Les dépôts de tartre dégradent les performances thermiques de l’installation. Cette dégradation peut aussi affecter le fonctionnement des ventilateurs. La corrosion dégrade les matériaux et peut s’avérer dangereuse dans certains process, en provoquant des fissures dans les échangeurs. Ces « pathologies » des réseaux favorisent l’attachement du biofilm aux surfaces. De plus les résidus de la corrosion sont des nutriments essentiels pour beaucoup de bactéries.
L'ensemble des éléments intervenant dans la prolifération des légionelles dans les systèmes de transport ou de stockage d'eaux chaudes, la nature des matériaux ainsi que la composition physico-chimique de l'eau permettent l'apparition d'un biofilm qui sera une base nutritive pour des protozoaires. En particulier les amibes et ciliés servent de sites de multiplication des légionelles. On observe alors la présence de légionelles en libre circulation dans l'eau, d'autres intégrées dans des cellules amibiennes ou enfin incluses dans des vésicules résidus de l'éclatement des amibes. Le biofilm se forme sur toutes les surfaces en contact avec l’eau.
Plusieurs paramètres influencent la formation du biofilm La qualité de l’eau : • La qualité microbiologique : présence de protozoaires (amibes, ciliés), d’algues, de bactéries… • La qualité physico-chimique: - teneur en matières en suspension (nutriments pour les microorganismes, action de protection vis à vis des traitements chimiques, surconsommation des produits de traitements chimiques), -en matière organique (nutriments pour les microorganismes,surconsommation des produits de traitements chimiques) - en sels minéraux (mauvais contrôle des purges de déconcentration, entartrage), - présence de traitement d’eau dont l ’efficacité dépend des conditions de mise en oeuvre).
L’hydraulique : - nulle ou faible facilite le dépôt des micro-organismes et des matières en suspension, - lors des redémarrages, l’arrachement du biofilm est favorisé. La qualité et l’état des matériaux: Certains matériaux favorisent l’attachement du biofilm (Polyéthylène, polypropylène, polybutilène, polychlorure de vinyle sur chloré…), néanmoins l’évaluation des matériaux en fonction de ce paramètre n’a pas encore été réalisée. L’état de surface des matériaux peut favoriser la formation du biofilm (aspérités, surfaces poreuses). Ainsi, les dépôts de tartre et la corrosion altérant l’état de surface favorisent l’attachement des micro-organismes au support. De plus les résidus de corrosion sont des nutriments pour les légionelles.
La contamination de l’installation à partir du milieu extérieur est possible via l’air à l’aspiration des tours ou via l’eau d’appoint. - La contamination est directe : apport de légionelles, - La contamination est indirecte : apport de nutriments ou autres microorganismes. Les légionelles prolifèrent sur l’ensemble des surfaces de l’installation qui sont en contact avec l’eau. Elles sont disséminées dans l’environnement via les aérosols (entraînement direct de l’eau du circuit) à la sortie des tours de refroidissement. Dans l’environnement des tours, les individus peuvent être contaminés par inhalation des gouttes. Les conséquences sanitaires dépendent de la relation dose/effet/temps d’exposition et de la sensibilité de l’individu.
Attention toute détection de TH à la sortie d ’un adoucisseur présente un risque immédiat. La précipitation des sels minéraux est rapide. C’est pour cela qu’un détartrage annuel au minimum est conseillé, car le maintien d’un TH nul est un objectif rarement atteint.
Le nettoyage chimique doit concerner toutes les surfaces en contact avec l’eau. Son efficacité est dépendante des conditions de mise en oeuvre.
Mécanismes d’action des biocides oxydants : Les mécanismes d’action des agents biocides oxydants ne sont pas spécifiques aux concentrations utilisées: ils agissent globalement sur les différentes structures cellulaires par des mécanismes physico-chimiques. Ils altèrent puis détruisent la membrane cytoplasmique, dénaturent les protéines structurales ou enzymatiques ainsi que les acides nucléiques, inhibent les enzymes... Mécanismes d’action des biocides non oxydants: Les mécanismes d’action des agents biocides non oxydants ne sont pas encore clairement identifiés. Ils varient d’un composé à l’autre. Ils peuvent détruire les structures cellulaires mais aussi interférer avec le matériel génétique. Mais Attention L’activité des biocides non oxydants est dite indépendant du pH de l’eau. En réalité, la qualité physico-chimique de l’eau affecte la durée de vie de la molécule et donc de façon indirecte son efficacité désinfectante.
Les biocides oxydants détruisent la matière organique, élément nutritif des algues et des bactéries. La consommation d'oxydant par la matière organique peut être très importante.
Le pH de l’eau dans les tours de refroidissement (en France) est généralement supérieur à 8,5 La Javel n’est pas un biocide efficace dans ce cas. En revanche son utilisation est possible lors des opérations de nettoyage et désinfection (si le pH de l ’eau est adapté) ou lors de la désinfection des éléments de la tour. La Javel lorsqu’elle est utilisée dans des conditions adaptées reste un des moyens de désinfection le moins onéreux.
Le TH et le facteur de concentration affectent aussi l’efficacité de certains biocides non oxydants.
L’efficacité du biocide non oxydant dépend du temps de contact entre une concentration déterminée et le micro-organisme. Tous les paramètres qui favorisent la dégradation de la molécule vont donc réduire la concentration du biocide présente dans le circuit et de ce fait affecter l’efficacité de la désinfection.
La concentration injectée est déterminée par rapport au temps de renouvellement de l’eau dans l’installation, en admettant que: - La molécule n’est pas volatile, - La molécule est stable, - La molécule n’est pas consommée par les composants de l’eau. Ce qui n ’est pas vrai en pratique car la molécule n’est pas stable. Une fois dans l’eau la vitesse de dégradation dépend des propriétés physico-chimiques de l’eau. Il est inutile d’augmenter la dose de biocide non oxydant injecté, mais l’injection doit permette au biocide d’être efficace.
Le choix des biocides est souvent un compromis entre: - son efficacité vis à vis des légionelles, - le respect de l’environnement (rejets de purges de déconcentration), - le respect des installations : la maîtrise des risques de corrosion, les interférences entre les produits biocides et le fonctionnement de l’installation en toute sécurité (exemple : augmentation de la DCO induite par l’utilisation de biocides non oxydants sur un circuit où ce paramètre est un moyen de détecter les fuites process). Mais Attention, certains biocides non oxydants sont très corrosifs vis à vis de certains matériaux comme le cuivre.
La valeur cible en biocide oxydant dépend de la qualité de l’eau d’appoint. Généralement, les concentrations en oxydant résiduel sont de l’ordre de: - 0,2 à 0,5 mg/l en traitement continu préventif, - 5 mg/l pendant 5 heures en traitement de choc sur un circuit en fonctionnement normal. Mais Attention: la javel n’est pas efficace (même en choc) sur une eau ayant un pH >8.
REUTILISATION DE L’EAU DANS L’INDUSTRIE
