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

• 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
  • 1.2 Eaux usées du pétrole et du gaz et alternatives pour leur gestion
• 2. Étude de cas SIGMA : traitement des eaux dans l'unité de production thermique d'UPT à Ibiza.
  • 2.1 Données générales du projet
  • 2.2 Description de la station d'épuration des eaux usées de l'UPT d'Ibiza
• 3. Références

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 du pétrole et du gaz

L'industrie du pétrole et du gaz naturel génère l'énergie nécessaire à de nombreuses activités humaines et industrielles.

La forte consommation d'eau dans l'extraction et le traitement du pétrole et du gaz nécessite le développement de solutions efficaces, durables et rentables pour le traitement des eaux usées générées dans les raffineries, ainsi que des boues provenant des puits d'extraction. Ces effluents ont un impact direct sur la durabilité des ressources en eau, sur l'environnement et sur d'autres industries et secteurs.

L'un des principaux objectifs environnementaux 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 qui favorisent la réutilisation des eaux usées et l'économie des ressources et des matières premières, contribuant ainsi à la durabilité économique et environnementale.

Les eaux usées correctement traitées peuvent être réutilisées dans toute une série d'applications, par exemple :

• Irrigation des espaces verts adjacents
• Réseau d'écoulement du feu
• Systèmes de refroidissement
• Chaudières
• Eau de nettoyage

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 du fioul et du gaz, etc.) et fluctuer en elles-mêmes, mais elles présentent les caractéristiques de base suivantes :

• 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.

Pour le traitement de ces eaux usées, il est nécessaire de concevoir un processus efficace, flexible et robuste qui intègre différentes technologies.

Les technologies les plus efficaces pour la séparation des huiles, des graisses et des hydrocarbures sont les technologies API, CPI et la flottation à l'air dissous (DAF).

• API : réservoirs spéciaux dans lesquels une séparation naturelle des sédiments les plus lourds a lieu. Les substances légères et de faible densité qui flottent facilement sont collectées par les racleurs de l'API et retirées de l'eau.
• CPI : Le CPI (corrugated plate interceptor) est un séparateur à plaques coalescentes utilisé pour la séparation des huiles et des hydrocarbures.

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

• DAF : les systèmes DAF permettent la flottation des solides en suspension et des substances colloïdales pour les séparer de l'eau. Un processus de coagulation-floculation est nécessaire avant que l'eau n'entre dans un système DAF afin de regrouper ces solides et ces 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.

Technologie	Caractéristiques	Performance
API distinctes	A concevoir en fonction du temps de rétention	Inefficace avec les huiles émulsifiées
Séparateur d'IPC	Il est conçu en fonction de la densité, de la viscosité, de la température et du régime d'écoulement. Les temps de rétention sont élevés	Inefficace avec les huiles émulsionnées. Généralement couplé à un séparateur API.
Clarificateur DAF	Introduction 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.
Hydrocyclones	Convient pour les concentrations élevées d'huile. Coût d'entretien élevé.	L'efficacité est augmentée en plaçant plusieurs hydrocyclones en série.
Filtration sur membrane	Taille des pores à partir de 0,01µm	Extrait 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 principal	Caractéristiques	Performance
Charbon actif	Elimination 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%.
Zéolite	Élimination 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.
Noyer	Élimination des huiles et des traces de tanin.	Élimination entre 60 et 80 %. Faible coût des matières premières.
Nano-composés	Élimination des huiles et des traces de tanin.	50 % d'élimination dans la réduction des temps de contact.
Polymère	Elimination 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 principal	Caractéristiques	Performance
Solvant	Élimination 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 principal	Caractéristiques	Performance
Photocatalytique	Élimination du COT, des phénols, des BTEX et des TPH (hydrocarbures pétroliers totaux). Grande influence du pH. Catalyseur : TiO2	Élimination de >80% de BTEX, >95% de COT, >60% de phénols, >75% de TPH.
UV / 03	Élimination 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%.

Les boues produites lors du traitement des eaux usées 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.

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

OBJECTIF 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.

CONCEPTION DU PROCESSUS : le traitement des eaux usées est divisé en plusieurs étapes, dont l'objectif principal est l'élimination des solides 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)

PERFORMANCE : L'équipement installé permet d'atteindre des concentrations inférieures à 55 mg/L de solides totaux en suspension, d'huiles et de graisses, ce qui signifie une efficacité 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 WATER GROUP utilise la technologie des plaques séparatrices CPI pour la séparation des hydrocarbures à l'intérieur du 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 en acier de haute qualité.

SÉPARATION DES SOLIDES PAR CRIBLAGE ET DESSABLAGE

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

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.

TRAITEMENT PHYSICO-CHIMIQUE ET CLARIFICATION DAF

Le traitement physico-chimique consiste en l'ajout de coagulant et de floculant pour former des floculats qui adhèrent aux matières en suspension présentes dans l'eau et qui ne peuvent être séparées 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.

L'ajout de coagulant et de floculant est effectué dans un réservoir en série équipé d'une agitation et fabriqué en acier de haute qualité. Un système de dosage spécialement calculé pour traiter ces polluants est fourni. Ces dosages sont établis à l'aide d'essais de floculation préalables réalisés en laboratoire, après quoi le dosage est réajusté à l'échelle industrielle.

Les flocs générés sont séparés de l'eau au moyen d'un système de flottation à air dissous (DAF). Pour la station d'épuration UPT d'Ibiza, un SIGMADAF modèle FPAC 20 a été fabriqué et installé.

Le modèle SIGMA DAF FPAC est un système 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 accumuler les boues flottantes. Ils fonctionnent avec des débits faibles ou moyens (entre 5 et 200 m3/h) et avec des charges polluantes très élevées (matières en suspension, huiles et graisses, charge organique).

Les systèmes DAF FPAC sont spécialement conçus pour traiter les effluents contenant des charges solides très élevées (jusqu'à 40 kg de solides/m2 de surface libre du système) qui ne flottent pas et ont besoin d'une grande surface pour la flottation et la séparation.

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 situé 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 sous pression est saturée d'air sous pression. Dans ces conditions de pression, l'air est dissous dans l'eau.

La dépressurisation se produit à l'intérieur du réservoir DAF, ce qui entraîne la formation de microbulles d'air. Les microbulles d 'air dissous permettent d'éliminer les solides, les particules de graisse, les huiles, les hydrocarbures et autres contaminants 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 s'attachent rapidement aux particules de dimensions similaires ou supérieures 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. 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 flottant sous forme de mousse quittent l'unité et sont stockés dans une trémie à boues.

Le floc quitte l'unité sous forme de mousse via un système d'écumoire et est collecté dans une trémie à boues.

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 à 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.