Traitement des eaux usées dans l'industrie du pétrole et du gaz naturel

15 novembre 2021 (Lire 12 minutes)
Jordi Fabregas

1. Les eaux usées de l'industrie du pétrole et du gaz naturel: un défi technologique

1.1 Solutions d'économie circulaire pour la réutilisation de l'eau dans le secteur pétrolier et gazier

L'industrie du pétrole et du gaz naturel, communément appelée Oil & Gas, génère l'énergie nécessaire à la réalisation de nombreuses activités humaines et industrielles.

Le volume élevé des ressources en eau consommées par cette industrie implique la nécessité de concevoir des solutions efficaces, durables et rentables pour le traitement des eaux usées générées dans les raffineries de pétrole, pour les boues produites dans les puits d'extraction, etc., car ces effluents ont un impact direct sur la durabilité des ressources, sur l'environnement et sur le reste des industries et des secteurs.

L'un des principaux objectifs de l'industrie pétrolière et gazière est la réduction de la demande en eau, ce qui implique la mise en œuvre de solutions d'économie circulaire favorisant la réutilisation des eaux usées et l'économie de ressources et de matières premières, contribuant ainsi à la durabilité économique et environnementale de l'industrie pétrolière et gazière.

Les eaux usées correctement traitées peuvent être réutilisées de nombreuses manières différentes, par exemple :

  • Irrigation des espaces verts adjacents
  • Réseau d'écoulement du feu
  • Systèmes de refroidissement
  • Chaudières
  • Eau pour le nettoyage des camions, des voitures, etc.

Pour assurer la durabilité de l'eau et de l'industrie pétrolière et gazière elle-même, il faut appliquer les principes de l'économie circulaire de l'eau, selon lesquels les eaux usées deviennent une ressource.

Quelle est l'application des systèmes FAD dans le secteur du pétrole et du gaz ?

La flottation à l'air dissous est la technologie la plus efficace pour le traitement primaire des eaux usées dans les différentes activités du secteur pétrolier et gazier. L'objectif de ce traitement primaire est de séparer les huiles et les solides en suspension des eaux usées afin qu'elles puissent passer à une étape de traitement ultérieure.

Les systèmes DAF sont largement utilisés dans de nombreuses activités du secteur pétrolier et gazier, notamment les champs pétrolifères, les raffineries de pétrole, les usines chimiques et pétrochimiques, les usines de traitement du gaz naturel et les installations industrielles similaires.

1.2 Eaux usées du pétrole et du gaz et alternatives pour leur gestion

Les trois principales activités de cette industrie sont :

  • Extraction de pétrole brut et de gaz naturel.
  • Transformation du pétrole brut en ses fractions.
  • Production d'énergie à partir de dérivés du pétrole et du gaz naturel.

Les eaux usées de l'industrie pétrolière et gazière peuvent présenter des caractéristiques très différentes d'une usine à l'autre (extraction du pétrole brut, craquage, utilisation de combustibles et de gaz, etc :

  • Teneur élevée en graisses, huiles et hydrocarbures.
  • Matière organique dissoute.
  • Résidus d'huile.
  • Teneur élevée en matières en suspension.
  • Viscosité considérable.
  • Sels dissous.
  • Métaux lourds.

Les composants à éliminer le plus efficacement sont les huiles, les graisses, les hydrocarbures, les matières solides en suspension et les matières organiques dissoutes.

Le traitement de ces eaux usées nécessite une ingénierie capable de fournir des solutions intégrées, robustes, efficaces et optimisables.

Les technologies les plus efficaces utilisées pour la séparation des huiles, des graisses et des hydrocarbures sont les technologies API, CPI et DAF :

  • API : réservoirs spéciaux dans lesquels s'opère une séparation naturelle des sédiments les plus lourds. Les substances légères, peu denses et flottantes sont collectées par des racleurs API (conçus selon les normes de l'American Petroleum Institute) et retirées de l'eau.
  • CPI : Le CPI (corrugated plate interceptor) est un séparateur à plaques coalescentes appliqué à la séparation des huiles et des hydrocarbures.

Les technologies API et CPI peuvent être combinées dans la même cuve pour optimiser le processus.

  • DAF : l'équipement DAF permet la flottation des solides en suspension et des substances colloïdales en vue de leur séparation de l'eau, après l'application d'un processus de coagulation-floculation pour le regroupement de ces solides et colloïdes.

D'autres technologies moins courantes mais tout aussi efficaces sont les cyclones/hydrocyclones et les systèmes de filtration à membrane.

Tableau 1. Technologies appliquées à la séparation des huiles, des graisses et des hydrocarbures.

TechnologieCaractéristiquesPerformance
API distinctesA concevoir en fonction du temps de rétentionInefficace avec les huiles émulsifiées
Séparateur d'IPCIl est conçu en fonction de la densité, de la viscosité, de la température et du régime d'écoulement. Les temps de rétention sont élevésInefficace avec les huiles émulsionnées. Généralement couplé à un séparateur API.
Clarificateur DAFIntroduction d'eau sous pression contenant de l'air dissous, formant des micro-bulles qui permettent aux flocs de flotter.Efficacité de séparation très élevée des solides, des huiles, des graisses et des hydrocarbures grâce à un système de coagulation-floculation bien conçu. 
HydrocyclonesConvient pour les concentrations élevées d'huile. Coût d'entretien élevé.L'efficacité est augmentée en plaçant plusieurs hydrocyclones en série.
Filtration sur membraneTaille des pores à partir de 0,01µmExtrait efficacement les huiles et les composés aromatiques dispersés.

Les technologies les plus efficaces pour l'élimination des composés organiques dissous sont l'adsorption, l'extraction et les systèmes d'oxydation avancés.

Tableau 2: Technologies appliquées à l'élimination des composés organiques dissous.

Tableau 2.1. absorption

Composant principalCaractéristiquesPerformance
Charbon actifElimination du benzène, du toluène et des traces de curdo. Applique des temps de rétention élevés et dépend de la taille des pores de l'AC.Un processus d'activation du carbone est nécessaire. Éliminations entre 50 et 75%.
ZéoliteÉlimination des BTEX (benzène, toluène, éthylbenzène et xylène). Des modules compacts sont fabriqués.Élimination entre 70 et 80 %. Coûts de régénération élevés. Dépend de l'hydrophobie des composés.
NoyerÉlimination des huiles et des traces de tanin.Élimination entre 60 et 80 %. Faible coût des matières premières.
Nano-composésÉlimination des huiles et des traces de tanin.50 % d'élimination dans la réduction des temps de contact.
PolymèreElimination du benzène, du toluène et des traces de curdo. Ils peuvent être en PET (polyéthylène téréphtalate) ou en polystyrène.Élimination jusqu'à 99 %.

Tableau 2.2. Extraction

Composant principalCaractéristiquesPerformance
SolvantÉlimination des graisses libres et/ou dissoutes.Efficace mais coûteux en raison de la régénération du solvant. Le solvant doit être traité comme un déchet.

Tableau 2.3. Oxydation

Composant principalCaractéristiquesPerformance
PhotocatalytiqueÉlimination du COT, des phénols, des BTEX et des TPH (hydrocarbures pétroliers totaux). Grande influence du pH. Catalyseur : TiO2Élimination de >80% de BTEX, >95% de COT, >60% de phénols, >75% de TPH.
UV / 03Élimination des acides de naphte, de l'ammonium et des hydrocarbures aromatiques. Contrôle du pH, qui ne doit pas être alcalin. Défavorable avec des concentrations élevées de bicarbonate et de Cl-.Éliminations >80%.

Outre le traitement de l'eau, les boues produites doivent être gérées comme des déchets spéciaux. Des technologies de séparation performantes, telles que les filtres-presses et les centrifugeuses, sont utilisées pour la déshydratation et la stabilisation.

2. Étude de cas SIGMA : traitement des eaux dans l'unité de production thermique d'UPT à Ibiza.

2.1 Données générales du projet

LIEU DU PROJET : Ibiza Unité de production thermique.

PROPRIÉTAIRE : Endesa - OPÉRATEUR : Endesa Generación.

ANNÉE DU PROJET : 2012 - 2013

Figure 1. Unité de production thermique d'Ibiza UPT.

FONCTIONNEMENT DE LA CENTRALE : La centrale thermique d'Ibiza, ou UPT, est une installation thermoélectrique à cycle conventionnel située dans la municipalité d'Ibiza. Elle compte 13 unités thermiques actives d'une puissance totale de 270 MW (six moteurs, quatre turbines à gaz et trois doubles turbines à gaz), utilisant le gaz naturel comme combustible principal et le diesel comme combustible auxiliaire :

2 moteurs de 216 MW

4 moteurs de 18,4 MW

1 turbine à gaz de 25 MW

1 turbine à gaz de 14 MW

2 x 25 MW turbine à gaz

3 x 25 MW double turbine à gaz

OBJECTIFS DU TRAITEMENT : élimination des huiles, des hydrocarbures et des solides en suspension des eaux usées de l'UPT. 

CARACTÉRISTIQUES DE L'EAU : quantité élevée d'huiles et d'hydrocarbures, et matières en suspension : 1100 mg/L.

RÉSUMÉ DU TRAITEMENT : Le traitement des eaux usées se divise en plusieurs étapes, dont l'objectif principal est l'élimination des matières en suspension, des huiles et des hydrocarbures contenus dans l'eau,

  • Procédé de séparation du fioul grossier et des hydrocarbures utilisant la technologie API + CPI
  • Procédé de séparation des solides par criblage et dessablage
  • Procédé de séparation des hydrocarbures fins
  • Processus de dosage des réactifs : coagulation - floculation
  • Traitement par flottation DAF (équipement SIGMADAF FPAC-20-S)
Figure 2 : Procédé conçu et installé par Sigmadaf pour le traitement des eaux usées dans l'industrie du pétrole et du gaz. Étude de cas de l'UPT d'Ibiza.

PERFORMANCE : L 'équipement installé par Agua Sigma permet d'atteindre des concentrations inférieures à 55 mg/L de solides totaux en suspension, d'huiles et de graisses à la sortie de l'équipement DAF, ce qui signifie une performance d'élimination de 95%.

2.2 Description de la station d'épuration des eaux usées de l'UPT d'Ibiza

SÉPARATION GROSSIÈRE DU FIOUL ET DES HYDROCARBURES, TECHNOLOGIE API + CPI.

Le système conçu par SIGMA utilise la technologie des plaques séparatrices CPI pour la séparation des hydrocarbures dans le réservoir.

Il s'agit d'un réservoir rectangulaire à fond incliné, doté d'une vis d'extraction pour éliminer les solides décantés et d'un système d'écrémage pour la séparation des hydrocarbures et des huiles selon la technologie API.

Il dispose d'un circuit de chauffage de l'eau chaude. Fabriqué en acier de haute qualité.

Figure 3. équipement SIGMA CPI - API pour la séparation du fioul et des hydrocarbures installé dans la station de traitement UPT à Ibiza.
Figure 4 : Vue intérieure de l'équipement SIGMA CPI - API pour la séparation du fioul et des hydrocarbures installé dans la station d'épuration UPT à Ibiza.

SÉPARATION DES SOLIDES PAR CRIBLAGE ET DESSABLAGE

Comprend un écran incliné et une vis sans arbre pour l'élévation des solides séparés. La section de dessablage comprend une vis horizontale de transport du sable.

Figure 5 : Équipement de dégrillage et de dessablage SIGMA installé dans la station d'épuration d'UPT à Ibiza.

SÉPARATION FINE DES HYDROCARBURES

Il se compose d'un réservoir rectangulaire à fond trapézoïdal, équipé d'un ensemble de lamelles coalescentes indépendantes pour une distribution optimale de l'eau. Il comprend un système d'écrémage pour la séparation des hydrocarbures et des huiles. Il dispose d'un circuit de chauffage de l'eau chaude.

Cet équipement fait partie du train de criblage et de dessablage, complétant un système compact fabriqué en acier de haute qualité.

Figure 6 : Équipement SIGMA pour la séparation des hydrocarbures installé dans la station d'épuration d'UPT à Ibiza.

TRAITEMENT PHYSICO-CHIMIQUE ET CLARIFICATION DAF

Le traitement physico-chimique consiste en l'ajout de coagulant et de floculant qui permettent la formation de flocs qui adhèrent aux solides en suspension présents dans l'eau, qui ne peuvent être séparés naturellement par sédimentation en raison de leur faible densité. Ce procédé facilite également l'élimination partielle de la matière organique associée à ces solides et l'élimination des résidus d'huile et d'hydrocarbures qui ont pu subsister après le traitement précédent.

Figure 7 : Réacteur de coagulation et de floculation SIGMA installé dans la station d'épuration UPT d'Ibiza.

L'ajout de coagulant et de floculant s'effectue dans des cuves en série équipées d'une agitation et fabriquées en acier de très haute qualité. Un système de dosage spécialement adapté aux doses nécessaires de ces produits est fourni. Ces dosages sont établis au moyen d'essais de floculation préalables réalisés en laboratoire, après quoi le dosage est réajusté à l'échelle industrielle.

Figure 8: Tests de coagulation et de floculation réalisés sur un échantillon d'eaux usées de l'UPT Ibiza. Les résultats des tests sont appliqués à la conception du dosage du coagulant et du floculant à l'échelle industrielle.

Les flocs générés sont séparés de l'eau à l'aide de la technologie de flottation à l'air dissous (DAF). Pour la station d'épuration construite à l'UPT Ibiza, un SIGMA DAF modèle FPAC 20 a été conçu et installé.

Figure 9. Équipement de flottation SIGMA DAF FPAC - 20 - S pour la clarification des eaux usées, installé dans la station d'épuration UPT à Ibiza.
Figure 10 : Fonctionnement de l'équipement de flottation SIGMA DAF FPAC 20 pour la clarification des eaux usées, installé dans la station d'épuration UPT à Ibiza.
Figure 11. Équipement de flottation SIGMA DAF FPAC - 20 - S pour la clarification des eaux usées, installé dans la station d'épuration UPT à Ibiza.

Les modèles SIGMA DAF FPAC sont des systèmes de flottation à air dissous pour la clarification des eaux usées. Il s'agit d'un équipement de séparation à flux transversal avec une grande surface libre pour l'accumulation des boues flottantes.

Les unités SIGMA DAF FPAC fonctionnent avec des débits faibles à moyens (entre 5 et 160 m3/h) et avec des charges polluantes très élevées (matières en suspension, huiles et graisses, charge organique).

Ils sont utilisés dans les réacteurs de flottation biologique (FBR), les épaississeurs de boues, l'industrie de l'équarrissage, les industries de la viande et des abattoirs, l'industrie alimentaire, l'industrie minière, pétrochimique et papetière, entre autres.

Les systèmes DAF FPAC sont spécialement conçus pour traiter les flux à très forte charge de solides (jusqu'à 40 kg de solides/m2 de surface libre du système) qui nécessitent une grande surface pour la flottation et la séparation, et qui n'ont pas de flottabilité.

L'air de flottation est nécessaire pour améliorer la flottation des flocs lorsque le mélange d'émulsions, d'huiles et de solides affecte la gravité spécifique.

Une pompe de recirculation redirige une partie de l'eau clarifiée vers un système de pressurisation-saturation à la sortie de l'unité DAF. L'eau recirculée est pressurisée par la pompe à environ 6 bars et mélangée à de l'air sous pression. De cette manière, l'eau pressurisée est saturée d'air pressurisé. Dans ces conditions de pression, l'air est dissous dans l'eau.

À l'intérieur de l'unité DAF, une dépressurisation se produit, ce qui entraîne la génération de microbulles d'air. Les microbulles d'air dissous permettent d'éliminer les solides, les particules de graisse, les huiles, les hydrocarbures, etc. qui n'ont pas une flottabilité suffisante. Les bulles ont un diamètre de 30 à 50 microns, dimensions essentielles pour une flottation efficace. Les bulles se fixent rapidement aux particules de dimensions similaires et plus grandes et remontent à la surface.

Ce mélange d'eau et de bulles est distribué de manière homogène dans le compartiment d'entrée de l'unité DAF dans des conditions laminaires. Les particules flottantes sont redirigées directement vers le système de déshydratation situé au sommet de l'unité, où elles sont éliminées par des écumeurs. Les boues, les huiles, les graisses et les hydrocarbures flottants sous forme de mousse quittent l'unité et sont stockés dans une trémie à boues.

Les flocs flottés quittent l'unité sous forme de mousse via un système d'écrémage et sont collectés dans une trémie à boue.

Les matières décantables s'écoulent vers le compartiment à sédiments situé au fond de l'unité DAF et sont évacuées par le système d'extraction des boues par vis sans fin.

L'eau clarifiée quitte l'unité par un système de surnageant réglable. Une partie de ce flux d'eau clarifiée sera redirigée par la pompe de recirculation pour entrer dans le système de compression et de saturation décrit ci-dessus.

3. Références 

Lavariega L. 2011, Trains de traitement des eaux pour l'industrie pétrolière. Division académique des sciences biologiques, Universidad Juárez Autónoma de Tabasco. 17(33), 25-28.

Mesa S.L., Orjuela J.M., Ortega A.T., Sandoval J.A. 2018. Examen du paysage actuel de la gestion de l'eau produite dans l'industrie pétrolière colombienne. Gestión y Ambiente. 21(1), 87-98.

Magazine Petroquímica On Line. 2017. L'industrie pétrolière et gazière, parmi les plus "critiques" au monde.

Villegas J.P., Arcila N., Ortega D., Franco C.A., Cortés F.B. 2017. Élimination des hydrocarbures des eaux de production de l'industrie pétrolière à l'aide de nano-intermédiaires composés de SiO2 fonctionnalisé avec des nanoparticules magnétiques. DYNA. 84(202), 6574.

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