Prétraitement de l'eau de mer dans les usines de dessalement

• 1. la prolifération d'algues dans les usines de dessalement de l'eau de mer utilisant l'osmose inverse
  • 1.1. répartition des proliférations d'eau
• 2. Prétraitement de l'eau de mer dans les usines de dessalement
  • 2.1 Configuration du prétraitement conventionnel
  • 2.2 Paramètres avancés de prétraitement
  • 2.3 Conclusions sur la configuration du prétraitement
• La technologie DAF est un élément clé du prétraitement dans les usines de dessalement.
• 4. Glossaire
• 5. Références

1. la prolifération d'algues dans les usines de dessalement de l'eau de mer utilisant l'osmose inverse

La répartition de l'eau sur notre planète n'est pas uniforme.

• 97 % de l'eau se trouve dans les océans.
• 3 % d'eau douce en surface.

3 % de l'eau douce est répartie comme suit :

• 69 % appartiennent à la glace d'eau des glaciers.
• 30 % sont des eaux souterraines.
• Moins de 1 % de l'eau se trouve dans les lacs, les marais et les rivières.

En raison de la croissance rapide de la population et de l'augmentation de la consommation d'eau, il est urgent de trouver d'autres sources d'eau douce. Le traitement de l'eau de mer par dessalement est l'une des solutions les plus courantes pour obtenir de l'eau potable et de l'eau à usage industriel.

Les algues jouent un rôle crucial dans le réseau alimentaire marin en convertissant le dioxyde de carbone (CO2) en biomasse, qui sert de base à la chaîne alimentaire.

La prolifération des algues est un phénomène courant dans les zones marines. Lorsqu'elles sont nuisibles, elles peuvent avoir un impact critique sur les écosystèmes marins et sur l'utilisation des ressources océaniques par l'homme.

Des efflorescences algales nuisibles peuvent se produire dans n'importe quelle zone côtière et avoir un impact négatif sur les usines de dessalement. La matière organique libérée par les algues au cours de ces proliférations provoque l'encrassement des membranes d'osmose inverse, ce qui complique l'exploitation et l'entretien de ces installations.

Les membranes d'osmose inverse sont conçues pour éliminer les composants dissous dans l'eau, en particulier les ions inorganiques.

L'osmose inverse est la technologie la plus efficace pour le dessalement de l'eau de mer, mais elle est également vulnérable à l'encrassement et au colmatage des membranes, qui sont causés par le dépôt de particules et le développement de bactéries et d'autres micro-organismes qui forment un biofilm à la surface de la membrane, ce qui entraîne une perte de qualité de l'eau et une dégradation de la qualité de l'eau :

• Une augmentation de la résistance hydraulique.
• Une augmentation significative de la pression transmembranaire.
• Une diminution significative du débit.

Ces effets négatifs réduisent la durée de vie de la membrane et la durée des cycles de filtration, ce qui affecte négativement ses performances.

Les sous-produits d'algues et leurs toxines peuvent également pénétrer dans le réseau de canalisations d'approvisionnement en eau, affectant ainsi la qualité de l'eau dans le réseau et causant de graves problèmes techniques et sanitaires.

Ce processus de prétraitement maintient les membranes en bon état plus longtemps, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de les nettoyer aussi souvent. C'est important, car il est préférable d'éviter les nettoyages chimiques fréquents.

La présence d'algues nuisibles dans le dessalement de l'eau de mer par osmose inverse pose les problèmes suivants :

1. Appliquer un prétraitement pour s'assurer que le dessalement par osmose inverse élimine efficacement les toxines algales de l'eau de mer.
2. Surmonter les défis opérationnels causés par la présence de solides en suspension totaux et de la charge organique associée à la biomasse algale dans l'eau brute.

1.1 Répartition des proliférations d'algues

Les efflorescences algales nuisibles sont réparties le long des côtes terrestres et ont gravement affecté les usines de dessalement dans le monde entier.

2. Prétraitement de l'eau de mer dans les usines de dessalement

La technologie des membranes est la plus efficace pour éliminer les algues, les bactéries, les virus et autres micro-organismes de l'eau. Il s'agit toutefois d'un processus gravement affecté par les problèmes d'encrassement, de sorte qu'un prétraitement est absolument nécessaire pour que les technologies membranaires soient efficaces.

2.1 Configuration du prétraitement conventionnel

Le processus de prétraitement conventionnel est classé en deux modes : physique et chimique.

• Dans le processus physique, les particules sont filtrées mécaniquement à travers des tamis et des filtres.
• Le processus chimique consiste à ajouter des inhibiteurs de calcaire tels que des oxydants, des produits chimiques d'ajustement du pH, des coagulants, des floculants et des désinfectants.

Les polluants à retenir dans le prétraitement sont les suivants :

• Particules et matières en suspension.
• Contaminants microbiens.
• Algues et OMA.
• Matière organique dissoute.

Le traitement conventionnel peut être adapté aux besoins spécifiques de chaque projet en modifiant l'une ou l'autre des étapes décrites.

Désinfection, tamisage mécanique et ajustement du pH

La désinfection par chloration est appliquée pour empêcher la croissance biologique qui provoque l'encrassement des filtres et des membranes. Il est nécessaire de procéder à une déchloration ultérieure pour éviter la présence de chlore résiduel dans le flux.

Le processus de dégrillage utilise des grilles pour retenir les objets flottants, les plantes et autres gros débris, les empêchant ainsi de pénétrer dans l'équipement de prétraitement et de causer des dommages ou des blocages. Les divers débris retenus sur les grilles sont enlevés par un râteau mécanique installé sur les grilles.

Le pH de l'eau de mer est toujours alcalin en raison de la présence de sels, qui provoquent la formation de tartre sur les membranes d'osmose inverse. L'ajustement du pH est également bénéfique pour l'élimination des algues et du carbone organique total (COT).

Les performances des membranes d'osmose inverse sont optimales lorsque le pH est bas. Il est donc nécessaire de maintenir le pH de l'eau entre 5,5 et 6,0 en ajoutant de l'acide sulfurique ou un autre type d'acidifiant qui optimise la formation des flocs. Il n'est pas recommandé de travailler à un pH inférieur à 5,5, car les cellules se décomposent et libèrent des substances intracellulaires qui peuvent ne pas être complètement éliminées au cours de la phase de prétraitement.

Coagulation et floculation

L'objectif principal du processus de coagulation et de floculation est l'élimination de la turbidité et des solides. Pour ce faire, on ajoute à l'eau un coagulant qui neutralise les particules chargées négativement. Le type de coagulant et sa quantité optimale sont déterminés en effectuant un test en bocal sur l'eau. Les coagulants les plus couramment utilisés sont les composés d'aluminium et les sels ferriques, tels que le sulfate de fer et le chlorure de fer. Les processus de coagulation et de floculation permettent d'éliminer les impuretés colloïdales, les particules en suspension, les algues, les OMA et certaines bactéries de l'eau de mer.

Les cellules d'algues doivent être complètement déstabilisées pour permettre au traitement d'atteindre son efficacité maximale. Pour ce faire, il convient de doser correctement le coagulant et le floculant, et d'ajuster le pH (pour un dosage donné de coagulant, il existe un pH optimal pour lequel l'élimination des algues est maximale).

Flottation à l'air dissous

Un système DAF sépare les particules, les cellules d'algues, l'huile et la graisse qui ne peuvent être éliminées par sédimentation. Les flocs produits lors de l'étape de coagulation-floculation sont également éliminés.

Dans les usines de dessalement d'eau de mer, les systèmes DAF sont constamment exposés à des atmosphères salines, à une forte humidité et à des conditions de fonctionnement agressives.

Les systèmes DAF en acier au carbone revêtu de SIGMADAF sont spécialement conçus pour garantir une fiabilité et des performances optimales à long terme dans des conditions d'exploitation difficiles, offrant d'excellentes performances en matière de séparation des solides en suspension.

Le réservoir de l'équipement est fabriqué en acier au carbone revêtu, tandis que les autres composants sont en acier inoxydable superduplex.

De plus, nos équipements DAF destinés aux usines de dessalement d'eau de mer sont traités à l'aide de systèmes de revêtement haute performance certifiés pour les environnements marins. Avant l'application du revêtement, toutes les unités sont soumises à un traitement de surface, garantissant une adhérence optimale et une protection anticorrosion à long terme.

Filtration

Ce procédé permet d'éliminer les particules en suspension qui n'ont pas été éliminées lors de la flottation à l'air dissous.

Les types de filtres les plus courants sont les filtres à gravité (sable ou sable et anthracite) et les filtres-presses.

Les filtres par gravité sont utilisés pour les usines de dessalement de grande et moyenne capacité, car ils offrent une meilleure rentabilité. Le système de filtration par gravité élimine l'argile, la silice colloïdale, les hydroxydes métalliques précipités, les acides humiques et fulviques, les algues et les bactéries.

Ajout d'un anti-tartre

La précipitation des sels et des minéraux de l'eau de mer à la surface de la membrane d'osmose inverse peut réduire ses performances et diminuer la récupération de l'eau.

L'acide sulfurique ajouté pour ajuster le pH peut également contrôler l'entartrage causé par le carbonate de calcium. Récemment, certains polymères ont également commencé à être utilisés comme agents antisalissures.

Décoration

Lorsque le chlore est utilisé comme désinfectant, le chlore résiduel présent dans l'eau d'alimentation peut endommager les membranes d'osmose inverse. L'agent le plus couramment utilisé pour le processus de déchloration est le bisulfite de sodium ou le charbon actif.

2.2 Paramètres avancés de prétraitement

Certaines usines de dessalement ont utilisé des membranes de microfiltration (MF) et/ou d'ultrafiltration (UF) comme processus de prétraitement autonome. Ce processus est connu sous le nom de prétraitement avancé, mais il s'est avéré ne pas être une solution efficace, car l'encrassement affecte tous les types de membranes.

Le prétraitement avancé peut faire partie du prétraitement conventionnel, mais ne peut pas être un prétraitement autonome. Il a été démontré qu'une combinaison de prétraitement conventionnel et de prétraitement avancé peut fournir une solution rentable pour la production d'eau douce dans les processus de dessalement de l'eau de mer.

Une installation pilote à l'échelle industrielle située à Barcelone a comparé un filtre à double média (DMF) et des membranes d'ultrafiltration dans le cadre du prétraitement après l'équipement DAF.

Les membranes d'ultrafiltration présentent une excellente stabilité et offrent une grande qualité de perméat. La combinaison d'une unité DAF suivie d'une membrane UF sépare presque 100 % de la contamination par les algues et une grande partie du contenu bactérien.

Il s'agit d'un exemple clair de la manière dont la combinaison de technologies de prétraitement conventionnelles et avancées offre d'excellents résultats dans le prétraitement de l'eau de mer.

2.3 Conclusions sur la configuration du prétraitement de l'eau de mer dans les usines de dessalement

Le principal avantage du processus de prétraitement conventionnel est qu'il s'agit d'un processus éprouvé, qui peut être optimisé par des technologies de pointe à chaque étape. Le système élimine à la fois les matières organiques et les matières en suspension de l'eau de mer traitée.

Le prétraitement conventionnel peut être adapté en modifiant ou en ajoutant des étapes telles que la filtration sur membrane UF/MF.

Récemment, la recherche s'est concentrée sur l'amélioration de l'efficacité du prétraitement conventionnel de l'eau de mer avec les variations suivantes :

• Perturbations aux points de captage de l'eau de mer.
• Introduction de la technologie DAF pour le processus de flottation.
• Procédés dynamiques de lavage à contre-courant et de nettoyage de filtres ou de membranes
• Modification des dosages de produits chimiques dans le système.

3. Flottation à l'air dissous dans le prétraitement des usines de dessalement

Le système de prétraitement de l'eau de mer qui s'est avéré le plus efficace, le plus fiable et le plus rentable est le suivant :

• Coagulation-floculation et ajustement du pH.
• Peroxydation.
• Flottation à l'air dissous (DAF).
• Filtration par gravité.

Cette combinaison de procédés permet d'éliminer les graisses, les huiles, les solides en suspension, la turbidité, la couleur, certaines bactéries, les algues, le fer, le manganèse, le phosphore et le carbone organique total.

L'efficacité de l'élimination des algues varie entre 99 % et 99,9 %, même en cas de forte prolifération d'algues nuisibles.

La flottation à l'air dissous s'applique aux particules dont la densité est inférieure à celle du liquide dans lequel elles se trouvent. Au cours du processus, les particules coagulées, telles que les algues, adhèrent aux bulles produites à l'intérieur du système DAF et flottent jusqu'au sommet de la colonne d'eau, où elles sont éliminées mécaniquement ou hydrauliquement.

Dans les usines de dessalement produisant de l'eau potable, la tendance actuelle est au développement de systèmes DAF avec des lits de microbulles denses et une capacité de débit élevée. Ce procédé offre les avantages suivants :

• Réduit l'encombrement.
• Il réduit les coûts d'exploitation.
• Réduit les coûts de maintenance.
• Améliore les résultats de l'épuration.

Les systèmes DAF fabriqués par SIGMADAF offrent les avantages suivants :

• Amélioration de la qualité de l'eau traitée.
• Démarrage rapide.
• Fonctionnement à grande vitesse.
• Une boue plus épaisse (moins de production de boue).
• Réduction de l'empreinte écologique.
• Facile à utiliser.
• Capacité à protéger les stations de traitement de l'eau de mer des dommages causés par les HAB.

Tableau 2. Efficacités comparatives d'élimination des algues en utilisant différentes lignes de traitement dans des conditions optimisées. Réf. : Mouchet et Bonnelye 1998.

Tabla 3. Eficiencias de eliminación de Sigma DAF modelo FPAC-CW®. La unidad incluye ajuste de pH, sistema de coagulación-floculación más sistema DAF, que se muestra en la Figura 12 (a). La calidad del agua utilizada para esta estimación es: Tipo de afluente: agua de mar más agua de río; caudal = 10500 m3 / h dividido en tres líneas de operación de 3500 m3 / h promedio cada una; sólidos totales disueltos <40000 mg / L; pH = 8.2-8.3, temperatura = 17-39ºC; algas: 5 Mcélulas / L; sólidos suspendidos totales <200 mg / L; turbidez = 5-30 NTU; aceite y grasa <3 mg / L.

Paramètre	Efficacité de l'élimination
Total des solides en suspension	95%
Huiles et graisses	98%
Algues marines	98%
Concentration de la boue flottante	> 2%

Tabla 4. Eficiencias de eliminación de Sigma DAF modelo FPHF®, que se muestran en la Figura 12 (b). El proceso instalado también incluye ajuste de pH, sistema de coagulación-floculación más sistema DAF. La calidad del agua utilizada para esta estimación es: Tipo de afluente: agua de mar; caudal = 832 m3 / h dividido en dos líneas de operación de 416 m3 / h promedio cada una; sólidos suspendidos totales <50 mg / L; pH = 8.0, temperatura = <34.6ºC; algas <100000 células / ml; aceite y grasa <3 mg / L.

Paramètre	Valeur de l'effluent
Total des solides en suspension	< 10 ppm
Turbidité	< 5 NTU
Carbone organique total	< 7 ppm
Élimination des algues	> 98%
Élimination des huiles et des graisses	> 90%

En raison de la nature flottante des algues, les systèmes DAF sont de plus en plus utilisés pour le prétraitement de l'eau de mer. Les taux élevés d'élimination des algues obtenus avec un système DAF empêchent l'encrassement et le blocage des membranes d'osmose inverse, évitant ainsi l'arrêt complet de l'usine en cas de prolifération d'algues nuisibles.

Les membranes d'osmose inverse sont très sensibles à l'encrassement des membranes :

• Colloïdes.
• Encroûtements inorganiques.
• Développement du biofilm.
• Etc.

Avec une prise d'eau de mer ouverte, les membranes seraient exposées à différents types de contamination : algues, métaux précipités, matières organiques, hydrocarbures, particules, turbidité, etc.

Le prétraitement doit être conçu pour faire face au pire scénario et continuer à fournir une qualité d'eau constante aux unités d'osmose inverse, même en cas de prolifération d'algues nuisibles. Le prétraitement doit également contribuer à réduire les coûts de nettoyage des membranes d'osmose inverse.

L'importante prolifération d'algues nuisibles dans le golfe d'Oman en 2008 et 2009 a entraîné la fermeture de plusieurs usines de dessalement dans la région, ce qui a précipité la recherche de nouvelles solutions de prétraitement de l'eau de mer, notamment la flottation à l'air dissous.

La technologie DAF est régulièrement appliquée dans les nouvelles usines SWRO du Golfe Persique :

• À l'usine d'Al-Dur, une installation pilote équipée d'un système DAF et d'une coagulation-floculation avant le milieu filtrant GMF a été mise en place. Ce procédé permet d'éliminer plus de 99 % des cellules d'algues.
• L'usine de dessalement d'Al-Shuwaik au Koweït est équipée d'un système DAF et de membranes UF pour le prétraitement. Cette usine produit constamment une eau d'alimentation de qualité optimale, même dans des conditions dégradées lors de la prolifération d'algues.
• L'extension de l'usine de Fujairah intègre la technologie DAF en tant qu'élément essentiel du système de prétraitement.

Pour une conception correcte et optimale de la station de prétraitement de l'eau de mer, il est nécessaire d'effectuer une analyse en bocal avec des échantillons d'eau de mer couvrant toute la gamme de qualité à laquelle on peut s'attendre : de l'eau de mer la moins concentrée au pire scénario de prolifération d'algues nuisibles.

SIGMADAF réalise ces analyses ainsi que la conception et la fabrication de systèmes DAF et d'unités de coagulation-floculation.

4. Glossaire

MOA : matière organique algale : matière organique générée par les algues

DAF : flottation à air dissous : flottation à air dissous

DMF : filtre à double média : double média filtrant

FMG : filtres à média granulaire : filtres à média granulaire

HAB : efflorescence algale nuisible : efflorescence algale nuisible

MF : microfiltration : microfiltration

RO : osmose inverse : osmose inverse

SWRO : osmose inverse de l'eau de mer : osmose inverse de l'eau de mer

COT : carbone organique total

UF : ultrafiltration : ultrafiltration

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