Traitement de saumure
La saumure peut être identifiée comme un flux liquide avec une salinité accrue qui est produite à partir de nombreux processus industriels et qui a longtemps été considérée uniquement comme un flux de déchets. La température d'un flux de saumure peut varier considérablement en fonction de sa source.
Les sources de saumure comprennent:
- Dessalement
- Processus miniers
Dans le processus de dessalement, nous avons un flux de produits et de sous-produits. Le produit, appelé perméat, est l'eau pure avec une partie des solides dissous qui passent par le processus et, ensemble, ils composent l'eau douce produite. La saumure de dessalement est un flux liquide de sous-produit avec des concentrations plus élevées de la plupart des solides dissous de l'alimentation, de certains des additifs de prétraitement (quantités résiduelles de coagulants, de floculants et d'agents antitartre), de matières organiques, de contaminants microbiens et toutes les particules rejetées par les membranes ROp>
La demande d'approvisionnement au cours de la dernière décennie a augmenté à la fois pour l'eau potable et industrielle de bonne qualité. Avec la diminution des sources d'eau douce, l'augmentation de la population et les nouveaux progrès réalisés dans la technologie de dessalement, les fournisseurs d'eau se sont tournés vers le traitement de l'eau saumâtre (BW) et de l'eau de mer (SW) pour répondre à ces demandes
En 2007, le total d'eau produite dans le monde à partir des processus de dessalement a augmenté jusqu'à 47,6 Mm3/j et en 2015 pour doubler avec 97,5 Mm3/j et 45 % de cela production ayant lieu au Moyen-Orient. 70% des usines de dessalement après 2000 étaient des procédés membranaires, ce qui actualise l'Osmose Inverse (OI) à 63% du total des opérations de dessalement. 23% sont des flashs multi-étapes (MSF), 8% des distillations multi-effets (MED) et le reste sont des électrodialyses (ED)/électrodialyse inverse (EDR) et des hybrides. L'eau de mer RO (SWRO) peut concentrer la concentration en sel jusqu'à 2 fois plus élevée et MSF jusqu'à 1,5 fois. La saumure produite par ces procédés, également appelée concentré ou rejet, est principalement composée d'une forte concentration de chlorure de sodium (NaCl) et de divers autres sels dissous en fonction de la composition de l'eau d'alimentation et du prétraitement du procédé (Calcium, Magnésium, Bicarbonates, etc.).
Fig.1, Industrie du dessalement par technologie, utilisateurs et composantes des coûts (Les coûts supposent un coût d'électricité de 0,05 $/kWh et un prix du pétrole de 60 $/baril), Dessalement et durabilité - Une évaluation et une perspective actuelle, Veera Gnaneswar Gude, Recherche sur l'eau 89 (2016)
La saumure est un terme très vague dans l'industrie de l'eau. Conformément à la limitation commune de la résistance à la pression des membranes RO, RO ne peut concentrer que le flux salin jusqu'à environ 70 000 ppm (mg/L) de solides dissous totaux (TDS) et ne peut pas le traiter davantage. Dans ce texte, nous allons considérer comme de la saumure tous les flux salins de 65 000 à 85 000 ppm qui ne peuvent pas être concentrés davantage avec SWRO.
L'élimination de la saumure peut s'avérer assez problématique car,
- il augmente la salinité des plans d'eau récepteurs
- il a un impact sur la vie marine locale
- il peut contenir des produits chimiques de prétraitement et de nettoyage des membranes
- il peut contenir des métaux provenant de la corrosion des systèmes (Cu, Fe, Ni, Mo, Cr)
- cela crée des problèmes esthétiques (colorisation)
- il impacte les aquifères avoisinants à cause des fuites dans les conduites de saumure
- il crée des dommages permanents dus aux travaux d'infrastructure de décharge.
La saumure est soit directement éliminée avant l'élimination, mais en raison de législations gouvernementales de plus en plus strictes, les méthodes conventionnelles de gestion de la saumure telles que le rejet en eau de surface/profonde, l'injection dans un puits profond ou le rejet dans les usines de traitement des eaux usées pourraient ne pas être un choix réalisable dans un proche avenir..
La quantité de saumure dépend de la capacité de production de l'usine de dessalement et de son taux de récupération. La récupération est exprimée en pourcentage (%) du débit d'eau douce produite par rapport au débit d'alimentation total du système. BWRO a des récupérations de 50 à 90 % et SWRO typiquement de 30 à 55 %. Une récupération plus élevée entraîne un volume de concentré plus petit (salinité plus élevée) et vice versa. Le volume de saumure produit par l'usine de dessalement peut être calculé comme suit :,
Vb = Vp x (1-R)/R (1)
où,
- Vp = volume de perméation
- Vb = volume de saumure
- R = taux de récupération du système (%)
La qualité de la saumure dépend de:
- la composition de l'aliment et sa salinité
- les membranes de dessalement’ rejet de sel
- la récupération totale
Le facteur de concentration BWRO est généralement de 4 à 10, tandis que SWRO est généralement de 1,5 à 2,0 fois. La saumure TDS (TDSb) dépend des concentrations de TDS d'alimentation et de perméat (TDSf et TDSp) et de la récupération de la plante (Y),
TDSb = TDSf x 1/(1-R) x (RxTDSp)/(100x(1-Y)) (2)
La concentration peut être calculée comme,
CF(%) = 1/(1-R) (3)
Si le passage du sel membranaire (SP) est connu, CF peut être calculé comme,
CF(%) = [1 – (R x SP)]/(1-R) (4)
où
SP (%) = 1 - % rejet de sel = perméat TDS (TDSp)/feed TDS (TDSf) (5)
Le sel CF est principalement limité par la pression osmotique croissante de la saumure (πsaumure). Pour SWRO, cette limite est d'env. 65 000 à 85 000 mg/L. La récupération optimale pour un système SWRO à un seul passage est de 40 à 45% et le CF se déplace dans une plage de 1,5 à 1,8. À titre de comparaison, les usines BWRO ont généralement des récupérations de 70 à 90 % et des facteurs de concentration de 4 à 10.
Selon la qualité de l'alimentation, nous pouvons utiliser les règles suivantes pour prédire la qualité de la saumure
- le pH de la saumure est plus élevé que celui de l'alimentation car il a une alcalinité plus élevée
- Les membranes RO rejettent les métaux lourds dans un rapport similaire à celui du calcium et du magnésium
- la plupart des matières organiques sont rejetées dans ≥ 95% (sauf pour ceux à faible poids moléculaire (MW))
- eaux souterraines (GW) BWRO saumure, peut être anaérobie et peut contenir du sulfure d'hydrogène (H2S)
Si un prétraitement est inclus dans le processus de dessalement, l'eau d'alimentation RO aura des niveaux réduits de certains constituants tels que les métaux dissous, les micro-organismes et les particules, mais aussi une concentration légèrement accrue d'ions inorganiques tels que le sulfate, le chlorure et le fer si des coagulants sont utilisés. La saumure peut également contenir des résidus organiques provenant du conditionnement de l'eau de source avec des polymères et des antitartre.
La saumure générée est faible. turbidité (d'habitude < 2 NTU), faible teneur totale en solides en suspension (TSS) et demande biochimique en oxygène (BOD) (typiquement
La saumure est également produite au cours de nombreux processus miniers, tels que les opérations pétrolières et gazières. Dans les processus miniers, de grandes quantités d'eau sont pompées dans le sol afin d'en extraire les minéraux. Par exemple, dans les opérations d'extraction de pétrole, selon l'estimation de l'American Petroleum Institute, neuf barils d'eau sont récupérés pour chaque baril de pétrole lors d'une extraction typique. La saumure minière contient une teneur élevée en sel et des produits chimiques dangereux, ce qui pourrait être très dangereux pour la vie marine et son élimination est l'un des plus grands défis environnementaux. L'injection dans des puits profonds et le stockage en surface dans des étangs sont utilisés pour éliminer l'excès de saumure et sont considérés comme une source majeure de contamination des eaux souterraines. La saumure minière rejetée dans la mer s'est avérée nocive pour les organismes marins.
Les espèces entartrantes dans les usines d'osmose inverse sont principalement le carbonate de calcium (CaCO3), le sulfate de calcium (CaSO4) et le sulfate de baryum (BaSO4). D'autres tels que le phosphate de calcium (Ca3(PO4)2), le silicate ou le tartre métallique peuvent également se produire. Afin d'appliquer le contrôle du tartre, un traitement acide et un dosage antitartre sont utilisés. En OI, l'acide sulfurique était le plus couramment utilisé, mais l'utilisation d'agents antitartre, tels que les polyphosphates, les phosphonates ou les acides polycarboniques est devenue très courante en raison des effets négatifs du traitement à l'acide inorganique.
Tableau 1, Propriétés physiques et chimiques de la saumure issue du dessalement de l'eau de mer et impacts environnementaux/écologiques potentiels de son élimination.
| Usines d'osmose inverse | Usines MSF |
Impacts environnementaux/écologiques |
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|---|---|---|---|
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Propriétés physiques |
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| Salinité et température | 65-85 g/L à température ambiante SW ToC |
≈ 50,000 mg/L ± 5-15 oC de SW ToC |
↓ vitalité & biodiversité à des valeurs plus élevées inoffensif après bonne dilution |
| Densité des effluents | > densité de l'eau | dépend du processus | ↓ biodiversité |
| Oxygène dissous (DO) |
prises de puits → typiquement < SW DO entrées ouvertes → ≈ SW DO at ambiante SW ToC |
peut être < SW DO en raison de la désaération physique et de l'utilisation de capteurs d'oxygène | / |
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Additifs et sous-produits de contrôle du biofouling |
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| Chlore | neutralisé avant les membranes pour éviter l'oxydation des membranes | ca. 10-25% à partir de dosage alimentaire, si non neutralisé |
↑↑ toxique pour de nombreux organismes se dégrade rapidement |
| Organiques halogénés | généralement ≪ niveaux nocifs |
composition et concentrations variables généralement des trihalométhanes |
effets cancérigènes dispersion avec évaporation actuelle et poussée |
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Additifs antitartre |
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| Antitartre | < niveaux toxiques | < niveaux toxiques |
dégradabilité faible/modérée + charges totales élevées &rrr; accumulation, effets chroniques, effets secondaires inconnus |
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Additifs de contrôle de la mousse |
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| Agents antimousse (par exemple polyglycol) | Non présent (traitement non requis) | < niveaux nocifs |
non toxique bonne dégradabilité |
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Contaminants dus à la corrosion |
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| Métaux lourds | ↑concentrations de fer, chrome, nickel, molybdène si ↓ l'acier inoxydable de qualité est utilisé | ↑concentrations de cuivre et de nickel si ↓ des matériaux de qualité sont utilisés pour les échangeurs de chaleur |
Cuivre- MSF (15-100 mg/L)- ↓ toxicité pour la plupart des espèces; ↑ (bio)accumulation et effets à long terme traces de métaux → aucun effet toxique ou à long terme (sauf peut-être pour Ni dans MSF) |
Les cinq options conventionnelles de gestion de la saumure aux États-Unis sont utilisées dans les capacités suivantes (Tableau 2 et Fig.3),
- rejet des eaux de surface (45%)
- évacuation des eaux uséesl (27%)
- injection en puits profond (13%)
- application au sol (8%)
- bassins d'évaporation (4%)
Tableau 2, Méthodes d'élimination de la saumure les plus courantes aux États-Unis
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Méthode d'élimination de la saumure |
Principe et description |
% de la capacité totale |
| Injection de puits profond | La saumure est injectée dans des formations rocheuses souterraines poreuses | 13 |
| Application terrestre | La saumure est utilisée pour l'irrigation des cultures et des graminées tolérantes au sel | 8 |
| Bassins d'évaporation | La saumure est autorisée à s'évaporer dans les étangs tandis que les sels restants s'accumulent dans la base de l'étang | 4 |
| Évacuation des égouts | Rejet de saumure dans un système de collecte des eaux usées existant. Faible coût et énergie | 27 |
| Rejet d'eau de mer ; Surface | La saumure est rejetée à la surface de l'eau de mer. La méthode la plus courante pour toutes les grandes installations de dessalement dans le monde | 45 |
| Rejet d'eau de mer ; Submergé | La saumure est rejetée au large par des diffuseurs multiports installés au fond de la mer |
Fig.3, Méthodes d'élimination de la saumure les plus courantes aux États-Unis
L'évacuation des eaux de surface est l'alternative la plus courante car elle peut être appliquée à toutes les tailles d'usines de dessalement. L'évacuation des eaux usées est la méthode la plus utilisée pour les rejets des petites usines de dessalement. L'application d'injection de puits profonds est la plus appropriée pour les usines BW intérieures de moyenne et grande taille. Les bassins d'épandage et d'évaporation sont généralement utilisés pour les plantes de petite et moyenne taille où le climat et les conditions du sol permettent des taux d'évaporation élevés et une croissance et une récolte toute l'année de la végétation halophyte.
Les principaux avantages et inconvénients des options de gestion de la saumure les plus courantes sont présentés dans le tableau 4.
Tableau 4, Comparaison des méthodes de gestion de la saumure
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Méthode de gestion de la saumure |
Advantages |
Désavantages |
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Évacuation des eaux de surface |
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Évacuation des égouts |
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Injection de puits profond
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Bassins d'évaporation
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Application des terres |
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Le tableau 6 présente les coûts de construction de 40 000 m3/jour d'usines de dessalement BWRO et SWRO à 80 % de récupération - 10 000 m3/j de saumure et 45 % de récupération - 48 900 m 3/j de saumure respectivement.
Tableau 6, Coûts de construction des méthodes d'élimination de la saumure d'une usine de dessalement théorique de 40 000 m3/jour
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Méthode de gestion de la saumure |
BWRO ($ mm) |
SWRO ($ mm) |
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Évacuation des eaux de surface |
2-10 | 6.5-30 |
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Évacuation des égouts |
0.5-2 | 1.5-6 |
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Injection de puits profond |
4-8 | 15-25 |
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Bassin d'évaporation |
30-50 | 140-180 |
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Irrigation par pulvérisation |
8-10 |
30-40 |
Fig.4, Graphical representation of a rough approach to CAPEX of the conventional brine treatment disposal depending on the brine flow rates
5.3. Législations réglementaires
Généralement, les rejets de saumure dans les égouts (limités aux petits débits de saumure) ou dans les eaux de surface (mer, océan ou rivière) sont mieux intégrés dans les législations en raison de leur utilisation courante. Les bassins d'évaporation revêtus avec un système de surveillance des fuites sont généralement plus faciles à obtenir un permis plutôt que l'épandage (élimination RIB et irrigation par aspersion) car ils protègent mieux les aquifères locaux.
La durée de construction de certains systèmes d'évacuation de la saumure, comme par exemple les longs émissaires océaniques avec des structures de diffuseur complexes, est souvent la même que la durée de construction de l'usine de dessalement elle-même et implique des études environnementales et un examen réglementaire prolongés. De plus, les RIB et les puits d'injection profonds impliquent des études détaillées et souvent de six mois à un an de l'adéquation et des contraintes du site. Le rejet dans un égout sanitaire est généralement le moyen le plus simple de mettre en œuvre une alternative de gestion des concentrés.
Le plus petit site appartient généralement à l'évacuation des égouts et les bassins d'évaporation ont généralement les plus grandes exigences de site.
5.6. Fiabilité et limites opérationnelles
Les puits d'injection profonds ne conviennent pas aux zones sismiques et nécessitent la disponibilité d'aquifères profonds et confinés à haute salinité. Les puits d'injection auront besoin d'une inspection et d'un entretien périodiques, ce qui nécessite soit une alternative d'élimination de secours, soit l'installation de puits de secours.
Les puits de plage peu profonds ne conviennent pas lorsque leur emplacement présente une forte érosion de la plage.
Les options de gestion de la saumure comme les bassins d'évaporation ou l'épandage peuvent être de nature saisonnière, et dans ce cas, une alternative de secours est nécessaire pour améliorer leur fiabilité.
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