Traitement et réutilisation des eaux usées dans les raffineries de pétrole

• 1. polluants dans les eaux usées des industries pétrochimiques et des raffineries de pétrole                                                                   
• 2. Stations d'épuration des eaux usées des raffineries de pétrole 
• 3. Utilisation de systèmes de flottation à air dissous (DAF)
• 4. Conclusion

Les usines pétrochimiques et les raffineries de pétrole consomment d'importantes quantités d'eau. Voici les principales utilisations de l'eau dans ces installations :

• Refroidissement des équipements et des processus.
• Production de vapeur.
• Injection dans le réservoir.
• Lavage des réservoirs et des équipements.
• Traitement du pétrole brut et d'autres matériaux au cours du processus de raffinage.

L'industrie pétrochimique est très exigeante en matière de contrôles environnementaux, de normes et de protocoles, car les eaux usées qu'elle produit ont une charge polluante élevée. C'est pourquoi les raffineries de pétrole disposent d'usines de traitement des eaux sur site qui atténuent l'impact environnemental de leurs effluents. Ces usines utilisent divers procédés physiques, chimiques, biologiques, de filtration et autres pour éliminer les polluants des eaux usées avant leur rejet ou leur réutilisation ailleurs dans la raffinerie.

En outre, la rareté de l'eau autour de certaines raffineries de pétrole implique que des mesures soient prises pour réutiliser autant que possible les eaux usées.

1. polluants dans les eaux usées des industries pétrochimiques et des raffineries de pétrole

Les raffineries de pétrole produisent d'importants volumes d'eaux usées au cours de leurs activités. Ces effluents contiennent divers types de polluants, notamment des composés organiques, des métaux lourds et d'autres substances toxiques.

Une raffinerie de pétrole produit différents types d'effluents :

• Eau de dessalement (lavage du pétrole brut)
• Eau acide (eau de traitement contenant du pétrole brut)
• Eau de traitement (lavage des produits, régénération des catalyseurs)
• Caustiques usés (difficiles à traiter)
• Fonds de cuve (sédiments)
• Eau de purge (des tours de refroidissement)
• Sous-produits de traitement (boues, rejets d'osmose, régénération des résines)
• Eaux pluviales (qui peuvent être réutilisées)
• Eau de ballast (nécessite un traitement pour prévenir les maladies et les espèces envahissantes)

Les principales sources d'eaux usées dans les raffineries de pétrole sont les suivantes :

• Refroidissement des équipements et des machines.
• Lavage des réservoirs et autres équipements.
• Traitement du pétrole brut et d'autres matières.
• Les eaux usées peuvent également contenir des sous-produits du processus de raffinage, tels que des boues, qui nécessitent un traitement et une élimination supplémentaires.

Les rejets des raffineries de pétrole contiennent des concentrations élevées d'hydrocarbures, d'huiles et de graisses, ce qui entraîne une DCO élevée et donc un déficit en O₂ dans l'eau.

Les composés présents dans ces eaux usées sont les suivants :

• Le benzène, le toluène et le xylène, qui sont des composés organiques volatils (COV) utilisés dans les processus de raffinage et que l'on peut trouver dans les eaux usées provenant des équipements de réfrigération et de traitement. Ces composés sont cancérigènes et peuvent provoquer des problèmes respiratoires et d'autres problèmes de santé chez l'homme.
•  Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), qui sont des composés organiques formés au cours du processus de raffinage et que l'on retrouve dans les eaux usées provenant des équipements de réfrigération et de traitement. Ils sont cancérigènes et peuvent nuire à la vie aquatique en perturbant les systèmes reproductifs et immunitaires des poissons et d'autres organismes.
• Les métaux lourds tels que le plomb, le mercure, le cadmium et le chrome, que l'on trouve dans les eaux usées provenant du nettoyage des équipements et des eaux de traitement. Ils peuvent s'accumuler dans les organismes aquatiques et causer des problèmes neurologiques et de développement chez l'homme.
• Ammoniac et composés azotés, qui sont présents dans les eaux usées provenant des équipements de réfrigération et de traitement. Ils peuvent nuire à la vie aquatique en réduisant les niveaux d'oxygène dans l'eau.
• Sulfuresprésents dans les eaux usées provenant des processus de raffinage. Ils peuvent être toxiques pour la vie aquatique, entraînant la mort et réduisant les taux de croissance.
• Les composés chlorés, tels que les polychlorobiphényles (PCB), les dioxines et les furannes, présents dans les eaux usées provenant des équipements de réfrigération et de transformation. Ces composés sont très toxiques et peuvent provoquer des cancers et d'autres problèmes de santé chez l'homme et l'animal.

2. Stations d'épuration des eaux usées des raffineries de pétrole

Raffineries de pétrole Elles nécessitent des procédés complexes pour traiter leurs effluents. L'objectif est de réduire les charges polluantes aux niveaux requis par la loi, ou de réutiliser l'eau traitée au sein même de l'industrie, comme eau de service ou même comme eau de process.

Une station d’épuration des eaux usées d’une raffinerie de pétrole comprend généralement plusieurs étapes :

• Traitement préliminaire: à ce stade, les solides et les déchets surdimensionnés sont retirés des eaux usées, tels que les roches, les graviers et les grosses pièces d'équipement. Des tamis, des dessableurs et des bassins de sédimentation sont souvent utilisés à cette fin.                                                     
• Traitement primaire : cette phase consiste à éliminer les solides en suspension et une partie de la matière organique des eaux usées. Cette opération est généralement réalisée à l'aide de séparateurs d'hydrocarbures, de systèmes de flottation à l'air dissous (DAF) ou de bassins de sédimentation, où les solides flottent à la surface pour être séparés sous forme de boues.
• Traitement secondaire : consiste à éliminer les matières organiques dissoutes et d'autres polluants des eaux usées. Cette opération est généralement réalisée par des procédés de traitement biologique, tels que les boues activées, les filtres à ruissellement ou les systèmes MBR, qui utilisent des micro-organismes pour décomposer les polluants.                                                          

• Traitement tertiaire: dans cette phase, un traitement avancé de l'effluent est effectué, dans le but d'atteindre la qualité nécessaire pour le rejet, ou pour pouvoir réutiliser l'eau. C'est à ce stade que sont appliquées les technologies les plus sophistiquées, telles que la filtration à différents niveaux (micro/ ultra/ nano), y compris l'osmose inverse, les résines échangeuses d'ions ou l'évaporation pour les eaux les plus exigeantes.       
• Stérilisation des rejets : avant le rejet final, les effluents sont généralement soumis à un traitement de stérilisation, soit par des oxydants, soit par des rayons UV.
• Traitement des boues : les boues générées lors des différentes étapes du traitement préliminaire et primaire sont généralement traitées séparément des eaux usées. Ces boues peuvent être épaissies et déshydratées, puis soumises à un traitement supplémentaire tel que la digestion, le compostage ou l'incinération. Les boues issues du traitement biologique sont généralement traitées séparément (digestion, séchage mécanique ou thermique).

SCHÉMA DE PROCÉDÉ DE TRAITEMENT DES EFFLUENTS DE L'INDUSTRIE PÉTROCHIMIQUE

Ligne de traitement des eaux usées de raffinerie de pétrole avec récupération d'eau

Ci-dessous, une ligne de traitement pour la réutilisation des eaux usées d'une industrie pétrochimique. Cette solution minimise la consommation d'eau brute et l'impact environnemental.

DIAGRAMME DE FLUX

Le système a été conçu pour un débit de 100 m³/h, à partir duquel l'eau est destinée à être récupérée pour les services généraux et les processus industriels.

La flottation à air dissous (DAF) est essentielle pour la séparation des solides en suspension (TSS), des huiles et des graisses, qui présentent un risque pour le bon fonctionnement des systèmes de récupération d'eau par membrane (UF/NF/RO).

Comme on peut le constater, il existe différentes étapes de filtration. Le choix des membranes appropriées dépend de la taille et des caractéristiques des contaminants présents dans l'effluent. Il est généralement recommandé d'inclure une étape de microfiltration avant l'ultrafiltration et l'osmose inverse, afin de séparer les résidus de solides dissous susceptibles d'encrasser les membranes.

PARAMÈTRES ATTENDUS DANS LA LIGNE DE TRAITEMENT DES REJETS DE L'INDUSTRIE PÉTROCHIMIQUE AVEC RÉCUPÉRATION D'EAU

Le tableau suivant indique, à titre indicatif, les valeurs des différents polluants à chaque étape du processus de traitement.

Paramètre	Unité	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
Débit	m3/h	100	98	95	95	90	5	10	105	25	130	125	10	100	15
pH	-	6,5-8	6,5-8	7-7,5	6,5-7	6,5-7	7,5	8	7-8	7-8	7-8	7-8	7-8	6-7	7
TSS	mg/l	600	450	≤50	≤100	≤40	-	200	≤50	≤10	≤5	≤1	≤1	≤0,1	≤5
Turbidité	N.T.U.	≥500	≤300	≤50	≤100	≤20	-	40	≤30	≤5	≤2	≤0,1	≤0,1	≤0,1	≤0,5
Huiles et graisses	mg/l	450	≤100	≤10	≤5	≤2	-	≤10	≤2	≤1	≤1	≤0,1	≤0,1	≤0,1	≤0,1
COD	mg/l	≤10000	≤8000	≤5000	≤1000	≤500	20	≤500	≤500	≤10	300	≤100	≤10	≤1	≤5
NTK	mg/l	20	20	20	10	10	≤10	≤10	≤10	≤5	≤10	≤10	≤10	≤5	≤20
Conductif.	µS/cm	3000	3000	3000	3000	3000	6000	3000	4000	1500	3000	3000	3000	≤200	≤15000
Phénols	mg/l	60	≤50	≤30	10	10	-	50	15	≤1	≤10	≤1	≤5	≤0,1	≤10
Ca++	mg/l	90	90	90	90	90	180	90	100	50	90	90	90	≤5	≤400
Mg++	mg/l	40	40	40	40	40	80	80	50	20	40	40	40	≤2	≤200
HCO3–	mg/l	150	150	150	150	150	300	150	200	100	150	150	150	≤20	≤600
SO4-2	mg/l	300	300	300	300	300	600	300	400	200	300	300	300	≤20	≤1000
Cl-	mg/l0	500	500	500	500	500	1000	500	400	250	500	500	500	≤50	≤3000

3. UTILISATION DE SYSTÈMES DE FLOTTATION À AIR DISSOUS (DAF)

La flottation à l'air dissous (FAD) est un procédé couramment utilisé dans les raffineries de pétrole, les usines pétrochimiques et chimiques pour la séparation des polluants dans leurs effluents.

Agissant comme une unité de clarification primaire, les systèmes DAF offrent les performances suivantes :

• 90 à 95 % d'élimination des MES.
• 95 à 99 % d'élimination des huiles et des graisses.
• Excellents résultats dans la réduction de la demande chimique en oxygène (DCO), présente dans les graisses, les huiles, les boues biologiques, les matières organiques colorées et les matières colloïdales.

La flottation à l'air dissous peut également être utilisée :

• Épaississement des boues.
• Clarification secondaire après le traitement biologique. Dans ce cas, le système DAF est utilisé pour éliminer les solides, les huiles et les graisses qui n'ont pas été éliminés lors des étapes de traitement primaire et secondaire.

Pour qu'un système DAF fonctionne efficacement, les eaux usées doivent subir un processus de coagulation-floculation avant d'entrer dans l'équipement de flottation à l'air dissous. Si ce prétraitement physico-chimique n'est pas effectué, ou s'il n'est pas conçu correctement, les performances de l'unité DAF seront affectées négativement.

L'étape de flottation à l'air dissous du traitement des eaux usées d'une raffinerie de pétrole suit les étapes suivantes :

• Prétraitement : les eaux usées des raffineries sont d'abord soumises à des étapes de traitement préliminaire afin d'éliminer les gros solides. Les eaux usées sont ensuite dégrillées pour éliminer les grosses particules restantes. Cette étape est généralement suivie d'un système de prétraitement de type API ou CPI dans lequel la plupart des hydrocarbures et des huiles facilement séparables sont séparés par densité.
• Conditionnement chimique : pour améliorer les performances du système DAF, un processus de coagulation-floculation est mis en œuvre pour lier les polluants et des agents chimiques sont utilisés pour optimiser les niveaux de pH. En fonction de la nature des polluants présents dans les eaux usées, différents produits chimiques peuvent être utilisés, tels que le chlorure ferrique, le sulfate d'aluminium ou les polymères. De cette manière, les huiles, les graisses et les matériaux dispersés dans l'eau, qui sont sous forme colloïdale ou finement peptisée, sont liés.            
• Opération DAF : les eaux usées sont ensuite pompées dans un système DAF, où de l'air comprimé est injecté dans le réservoir, provoquant la formation de microbulles qui s'attachent aux particules floculées, lesquelles flottent à la surface et forment une couche de boue. 
• Élimination des boues : la couche de boues à la surface du réservoir DAF est balayée par un mécanisme d'écrémage et collectée dans un réservoir de boues séparé en vue d'un traitement ultérieur. L'eau clarifiée est ensuite acheminée vers l'étape suivante du processus de traitement.

TYPES DE SYSTÈMES DAF

Sigmadaf fabrique différents modèles de systèmes DAF pour le secteur pétrolier.

Les modèles FPHF et FPBC peuvent fonctionner comme une unité à charge hydraulique élevée en raison d'une surface de flottation plus faible. Ils comprennent un pack de lamelles pour améliorer le processus de séparation. Le FPBC peut traiter de 10 à 250 m3/h, tandis que le FPHF fonctionne dans une plage de 300 à 1000 m3/h.

Le modèle FPAC est une unité sans lamelles pour le traitement des charges solides élevées. Il est idéal pour traiter les eaux à forte concentration de solides. Ces modèles peuvent être construits dans des réservoirs en béton si la capacité de traitement dépasse les limites pouvant être traitées avec des unités construites en acier inoxydable.

4. Conclusion

Les eaux usées des industries pétrochimiques contiennent une forte concentration de matières organiques et des traces d'hydrocarbures, d'huiles et de graisses. La tendance croissante à la réutilisation de l'eau dans les raffineries rend nécessaire la conception de stations d'épuration efficaces et fiables.

Une partie importante de ces contaminants est sous forme colloïdale (MES), ce qui nécessite un conditionnement chimique de coagulation/floculation, avec l'ajustement du pH correspondant. Le système DAF, et en particulier l'équipement fourni par SIGMADAF, est spécialement conçu pour faciliter la séparation et l'élimination de ces agents, avec un niveau d'efficacité qui minimise le risque de fuite.