Cadre de l'étude

Avant de se lancer dans nos travaux, il est nécessaire de définir le cadre de notre projet. Pour cela nous avons décidé de sélectionner le lieu d'implantation de l'usine en Vendée selon des critères bien spécifiques, et de dimensionner le procédé de dessalement considéré.

Implantation de l'usine

L'étude de faisabilité du syndicat Vendée Eau prévoit l'implantation de l'usine de dessalement entre Bouin et les Sables-d'Olonne. De ce fait nous avons décidé de localiser notre zone d'étude entre ces deux communes. Nous utilisons les données topographiques de l'IGN au 1:25 000.

Cette étude préalable donne un point de départ au travail de l'étude d'impact. Elle donne un cadre aux autres travaux à réaliser au cours de ce BEI.

Délimitation de la zone littorale d'implantation

Notre premier critère d'implantation est la distance à la côte. Les usines déjà existantes, comme celle de Melbourne en Australie sont très proches du littoral, au maximum 1 km. Nous avons donc d'abord évaluer la zone potentielle d'implantation à un kilomètre du rivage, présentée Figure 1.


Figure 1 : Carte de la Vendée et de la zone potentielle d'implantation de l'usine
Source : Données IGN

Depuis cette zone potentielle, les informations concernant la couverture des sols de la zone potentielle (Corine Land Cover) est visualisée Figure 2.


Figure 2 : Carte de la couverture des sols de la zone potentielle d'implantation de l'usine
Source : Données IGN

Espaces disponibles sur le littoral

Les zones urbanisées, les zones humides, et les espaces de loisirs (espaces verts artificiels non agricoles tels les golfs et parcs) sont retirés de la zone potentielle. Une zone tampon à 100 m des zones urbanisées a été choisi. La zone potentielle obtenue est constituée de forêts et de terres arables, Figure 1. Il nous semble plus pertinent d'implanter l'usine sur des forêts que sur des terres arables pour éviter l'expropriation d'agriculteurs. De plus, l'emprise de l'usine de dessalement est de 20 ha, ce qui nous amène à sélectionner quatre sites potentiels dans les zones de forêts, présentés Figure 1.

La zone 1 est située sur les communes de La Barre de Monts et Notre dame de Monts, la zone 2 se trouve sur la commune de Saint-Hilaire-de-Riez, la zone 3 sur les communes Saint-Gilles-Croix-de-Vie, Givrand et Bretignolles-sur-Mer, la zone 4 sur la commune d'Olonne-sur-Mer.


Figure 1 : Carte de la zone potentielle d'implantation de l'usine
Source : Données IGN

Suite à quoi les espaces protégés du département Vendéen ont été pris en compte. Tout d'abord, visualisons les zones Natura 2000 de la zone d'étude, Figure 2. Ce sont des zones d'inventaires écologiques soumis à réglementation pour la protection des espèces et des habitats qu'elles contiennent. Il existe deux types de zone Natura 2000, les Zones de Protection Spéciale (ZPS) qui découlent de la Directive Oiseaux et les Sites d'Importance Communautaire (SIC) issues de la Directive habitat. Notons que les zones sélectionnées (1, 2, 3 et 4) se trouvent dans les zones Natura 2000, zones omniprésentes sur le littoral Vendéen. Cependant, par manque de possibilités le projet sera réalisé dans une zone Natura 2000. Il faut alors se rapprocher des administrations pour en obtenir l'autorisation.

De plus, nous prenons en compte les Zones d'Importance Communautaire pour les Oiseaux sauvages (ZICO). En application de la directive CEE 79/409, ce sont des zones destinées à la protection des oiseaux et de leurs habitats mais elles ne sont pas soumises à obligation réglementaire. De même, nous avons considérées les Zones Naturelles d'Intérêt Écologique Faunistique et Floristique (ZNIEFF). Les ZNIEFF sont le recensement et l'inventaire des espaces naturels présentant un ecosystème riche, ou possédant des espèces de plantes ou d'animaux rares et menacés. Ces zones ont été établies d'après la circulaire du 14 mai 1991, ce ne sont pas des espaces soumis à réglementation, cependant elles indiquent l'existence d'un patrimoine naturel dont la conservation est souhaitable. Les zones 1, 2 et 3 se situent dans une ZNIEFF, quant à la zone 4 elle se situe dans une ZICO. Des mesures compensatoires devront alors être mise en place pour corriger les effets de l'installation de l'usine dans ces zones.

Les zones étudiées n'intersectent pas des zones d'Arrêté de Protection Biotope (APB), les Parcs Naturels Régionaux, ni les Réserves Naturelles Nationales.


Figure 2 : Carte d'implantation potentielle de l'usine et Natura 2000
Source : Données IGN

 

Le niveau d'aménagement des zones sélectionnées

Le critère qui va permettre de choisir entre ces 4 zones sélectionnées sera le niveau d'aménagement de ces zones, en évitant l'implantation au sein d'espace présentant trop d'infrastructures. De plus, la zone favorisée sera la zone la plus proche d'une station d'épuration et de marais salants pour une éventuelle valorisation des saumures.

1. La Zone 1


Figure 1 : Carte de la zone potentielle 1
Source : Données IGN
 
Figure 2 : Vue satellite de la zone potentielle 1
Source : Google Maps

La zone 1 (Figure 1), située au nord de la ville de Notre-Dame-des-Monts, est recouverte par la Forêt Domaniale des Pays de Monts (Figure 2), composée à 90% de résineux et 10% de feuillus. Cette forêt a été plantée pour protéger l'arrière pays de tempêtes de vents à partir du 19ème siècle. Puis, elle a été aménagée pour le loisir et le tourisme. Elle comprend des sentiers probablement pédestres et cyclables, un camping, un gîte et des plages. Une station d'épuration est présente au sud-est dans la forêt. La zone considérée s'étend sur 800 ha, surface largement acceptable pour accueillir l'usine de 20 ha. Une route longe la forêt à est. Des marais salants sont situés à l'est de la forêt. De plus, l'espace maritime de la zone 1 est le seul a ne pas être en zone Natura 2000, ce qui est un avantage d'un point de vue réglementaire pour adducter l'eau de mer vers la station de potabilisation. La zone retenue se trouve à 1,5 km des habitations les plus proches au sud et à l'est. La zone 1 semble être un compris intéressant pour être la future zone d'implantation.

2. La Zone 2


Figure 3 : Carte de la zone potentielle 2
Source : Données IGN
 
Figure 4 : Vue satellite de la zone potentielle 2
Source : Google Maps

La zone 2 (Figure 3), au nord de Saint-Hilaire-de-Riez, est recouverte par le sud de la Forêt Domaniale des Pays de Monts (Figure 4). Cet espace est très aménagé pour le loisir et le tourisme, il y a la présence de sentiers pédestres (GR) et pistes cyclables. Il y a quatre campings, des terrains de sports et des plages aménagées. De plus, une route longe la forêt sur le bord est et une avenue passe au milieu de cet espace de 300 ha. Une station d'épuration se trouve 3,5 km de la zone potentielle, au sud est de la ville de Saint-Gilles-Croix-de-Vie. C'est à dire de l'autre côté de la zone urbanisée, donc difficilement raccordable à la potentielle usine de dessalement. Des marais salants se trouvent à proximité directe de la forêt. L'espace maritime est en zone Natura 2000 : ce qui est un point défavorable pour les installations. La zone retenue se trouve à 1,5 km des habitations les plus proches. La zone 2 n'est pas une zone intéressante, la mer est située en Natura 2000 et la STEP est peu accessible.

3. La Zone 3

  
Figure 5 : Carte de la zone potentielle 2
Source : Données IGN
  
Figure 6 : Vue satellite de la zone potentielle 3
Source : Google Maps

La zone 3 (Figure 5), au sud de Saint-Hilaire-de-Riez, est recouverte par des arbustes et une végétation de landes sèche, présence majoritaire de bruyère. Cet espace est peu aménagé (Figure 6); il y a la présence de quelques sentiers et d'une rue d'accès à la plage, il n'y a pas de campings. Cette zone toute en longueur, 5 km de long sur une largeur de 1 km s'étend donc sur 500 ha. Des marais salants se trouvent à proximité directe de la zone. La station d'épuration la plus proche se trouve au nord, dans la ville de Saint-Gilles-Croix-de-Vie, à 3,5 km de la zone potentielle.  Une zone urbaine dense et les cours d'eau Le Jaunay et La Vie sépare la zone étudiée de la station d'épuration. L'espace maritime est en zone Natura 2000 : ce qui est un point défavorable pour les installations. La zone retenue se trouve à 1,5 km des habitations les plus proches. La zone 2 n'est pas une zone intéressante, la mer est située en Natura 2000 et la STEP est peu accessible.

4. La Zone 4

 
Figure 7 : Carte de la zone potentielle 2
Source : Données IGN
  
Figure 8 : Vue satellite de la zone potentielle 4
Source : Google Maps

La zone 4 (Figure 7), au nord de la ville des Sables-d'Olonne, est recouverte par la Forêt Domaniale d'Olonne (Figure 8), composée d'essence variées (acacias, chênes verts et pins maritimes principalement). Comme pour les autres zones, cette forêt a été plantée pour protéger l'arrière pays de tempêtes de vents à partir du 19ème siècle. Cet espace est aménagé pour le loisir et le tourisme, notamment sentiers pédestres et cyclables. il y a deux campings et des plages aménagées. Une station d'épuration se trouve à l'est de la ville des Sables-d'Olonne, elle est localisée à 5 km de la zone potentielle. Des marais salants se trouvent à proximité directe de la forêt. La zone considérée s'étend sur 1120 ha. Cependant, l'espace maritime est en zone Natura 2000 : ce qui est un point négatif pour les installations. La zone retenue se trouve à 3 km des habitations les plus proches. Une route longe la forêt sur le bord est.

La zone 4 n'est pas une zone intéressante, la mer est située en Natura 2000 et la STEP est trop éloignée.

Synthèse des critères et sélection de la zone d'étude

Le Tableau 1 synthétise les données décrites précédemment.

Tableau 1 : Synthèse des données des différentes zones

Paramètres  Zone 1 Zone 2  Zone 3  Zone 4
Type d'espace Nord de la Forêt Domaniale de Monts Sud de la Forêt Domaniale de Monts Landes Forêt de Domaniale d'Olonnes
Loisirs et services ++ ++++ + +++
Station d'épuration 1 km 3,5 km 3,5 m 5 km
Rejet En mer Lagunage Lagunage En mer
Natura 2000 concernant le littoral Oui Oui Oui Oui
Natura 2000 concernant l'océan Non Non Oui Oui
Superficie disponible

800 ha

100 ha 500 ha

750 ha

Marais salants à proximité  2,5 km < 1 km < 1 km < 1 km
Distance moyenne des premières habitations

1,5 km

< 1 km < 1 km

3 km

 Accessibilité actuelle à la zone

D38 à l'est
Chemins

D123 traverse la zone étudiée
Chemins
D38 à l'est
Chemins
D80 à l'est
Chemins

Les paramètres en rouges sont les paramètres favorables. Au vu du tableau la zone 1 est la zone la plus favorable à l'implantation du site.


Figure 1 : Carte de localisation de la zone d'étude
(Google Maps, 2013)

La zone d'implantation de l'usine est située sur la commune de La Barre de Monts, Figure 1.

Cette étude préalable donne un point de départ au travail de l'étude d'impact. Elle donne un cadre aux autres travaux à réaliser au cours de ce BEI.

Installation de dessalement par osmose inverse

Maintenant que le lieu de l'usine a été choisi, les différents postes nécessaires pour le dessalement seront présentés.

Une installation de dessalement peut être schématiquement subdivisée en 4 postes:
- la prise d'eau qui s'effectuera en mer dans notre cas puisqu'on prélève 80000 m3/j. Pour ces débits, le forage côtier n'est pas envisageable.
- l'installation de dessalement proprement dite, le procédé utilisé est l'osmose inverse (éventuellement couplée à la nanofiltration )
- un post-traitement

Figure 1 : Schéma général d'une installation de dessalement
(A.Maurel, 2006)

 

 

Prétraitement

Pré-traitement

1. Objectifs

Les objectifs du prétraitement sont les suivants:

- éviter le colmatage des modules par les matières en supension (MES), soit par les micro-organismes, soit par les dépôts de sels;
- donner à l'eau des caractéristiques qui soient compatibles avec la nature des membranes: teneur en chlore, pH, température.

2. Paramètres

Il n'existe pas de prétraitement standard. Les principaux facteurs qui interviennent dans la définition d'un prétraitement sont:
- les caractéristiques physco-chimiques de l'eau à traiter : MES, turbidité, COT ( Carbone organique total), hydrocarbures, algues, composition chimique, pH;
- les conditions de fonctionnement des membrane: taux de conversion, pression;
- les types de membranes et de modules utilisées.

3. Etapes du prétraitement

Les principales étapes d'un prétraitement sont les suivants:

  1. ​​​Chloration​
  2. Clarification
  3. Prévention de l'entartrage
  4. Déchloration
  5. Filtration sur cartouches

L'eau passe d'abord par une étape de filtration grossière permettant d'éliminer les gros matériaux susceptibles d'endommager les installations et de diminuer l'efficacité globale du procédé de traitement.

Figure 1 : Etapes du prétraitement avant osmose inverse
(
C.TANKASUL, 2009)

 1. Chloration

​La chloration a pour objectif l'inactivation des micro-organismes (bactéries principalement) mais aussi micro-algues , champignons, qui, outre le fait que certains peuvent être pathogènes, sont à l'origine d'un colmatage important des membranes appelés biofouling:
- soit directement par le développement d'une biomasse;
- soit indirectement par les métabolites produits par les micro-organismes (polysaccharides par exemple).

La prolifération des organismes vivants est bloquée par un procédé de désinfection. Sinon, cela peut conduire à l’obstruction des canalisations ou au colmatage des membranes.Le procédé le plus répandu consiste à injecter du chlore, réactif dont le stockage et la manipulation exigent des précautions strictes. Le chlore dissous dans l’eau libère l’ion hypochloreux (HClO), qui est l’agent actif de la stérilisation. Pour éliminer le danger lié au chlore, on peut lui substituer l’hypochlorite de sodium (eau de Javel).

Pour plus d'information sur le colmatage et le biofouling, cliquez ici.

2. Clarification de l'eau brute

Une étape de CFS (Coagulation Floculation Sédimentation) est nécessaire afin d'éliminer les matières en suspension et une partie du COT (Carbonne Organique Total):

  • Coagulation 

La coagulation a pour objectif de neutraliser les colloïdes, en général chargés négativement, par des composés de deux métaux lourds Al3+ et Fe3+:

- chlorure ferrique FeCl​3
- sulfate ferrique Fe(SO4)3
- sulfate d'aluminium Al2(SO4)3,14 H2O

  • Floculation

Elle consiste à agglomérer sous forme de flocs les particules colloïdales neutralisés auparavant par coagulation. Les membranes s'osmose inverse étant chargé négativement, il est recommandé d'utiliser des floculants anioniques ou non ioniques.

  • Sédimentation

La sédimentation ou décantation est peu utilisée en prétraitement avant osmose inverse.

  • Filtration sur sable

La filtration sur sable peut être effectuée sous pression ou de façon gravitaire. La filtration sous pression est utilisée en général pour les débits faibles  et moyens ( les vitesses de filtration sont d'environ 10 à 15 km/h)alors que la filtration gravitaire est utilisée pour les débits plus élevés (les vitesses de filtration sont d'environ 5 à 8 km/h). La masse filtrante peut être monocouche ou bicouche:

- le filtre monocouche est constitué par une hauteur de sable de granulométrie comprise entre 0,4 et 1 mm sur une hauteur de 1 m.

- le filtre bicouche est constitué par une couche de 0,7 m de sable surmontée d'une couche de 0,3 m d'anthracite.

3. Prévention de l'entartrage 

L'entartrage des équipement doit être éviter. La méthode la plus utilisée pour éviter les tartre (CaCO3, CaCO4, 2 H2O...) dans les modules d'osmose inverse consite à  injecter dans l'eau brute des inhibiteurs d'entatrage ou antitartres. Les produits utlilisés sont:

- Les polyphosphates : ces produits sont efficaces et bon marché mais ils peuvent éventuellement former des dépôts d'orthophosphates par suite de phénomènes d'hydrolyse.
- Les polymères carboxyliques : efficaces sur la plupart des tartres, ces produits ne posent pas de problèmes pour les rejets. Ils présentent l'inconvénient d'être chers.

L'acidification de l'eau brute, en provoquant la décompostion des bicarbonates, est aussi un moyen efficace de prévenir les dépots de CaCO3:

H+ + HCO3= CO2 + H2O

 Le calcul de l’indice de Lagelier nous apprend que l’eau en entrée est incrustante (I=0,41>0 donc incrustante). Il est donc nécessaire d’acidifier le pH afin de le ramerner à la valeur du pHs. L’ajout d’H2SO4 permet de ramener le pH à la valeur de pHs calculé soit 7,78 (contre un pH de 8,2 pour l’eau de l’Océan).

Pour plus d'information sur l'entartrage cliquez ici.

4. Déchloration

Compte tenu de la sensibilité des membranes d'osmose inverse en polyamide (membranes les plus utilisés actuellement), il est indispensable d'assurer une déchloration de l'eau de mer en amont de l’osmose proprement dite. Du bisulfite de sodium est ajouté afin de réduire le chlore:

NaHSO3 + Cl2+H2O = NaHSO4 + 2HCl

C'est la solution la plus utilisée car elle est efficace et d'un coût relativement faible. 

Un produit équivalent conviendra du moment que l’eau contient moins de 0,1 mg/L de chlore libre à l’arrivée sur la membrane notamment l'utilisation de charbon actif en poudre ou en grain:

C + 2 Cl2 = 4 HCl + CO2

5. Filtration de sécurité sur cartouches

Dans tous les cas, une installation d'osmose inverse doit être protégé par une filtration de sécurité sur cartouches aux environ de 5 µm.

Le tableau 1 donne la description d'un prétraitement relativement complet pour une unité de dessalement d'eau de mer par osmose inverse:

Tableau 1 : Prétraitement de l'eau de mer avant osmose inverse
(A.Maurel, 2006)

1. Chloration Traitement choc : 7 à 8 ppm de chlore pendant 1 h toutes les semaines
2. Coagulation FeCl3 : dose = 10 g/m3
3. Floculation

Polyélectrolyte anionique ou non anionique

Dose = 1 à 5 g/m3

4. Fitration sur sable

filtre bicouche sous pression 

vitesse de filtration de 10 à 15 m/h

5. Acidification H2SO4 : 20 - 25 g/m3
6. Déchloration NaHSO3 : 5- 10 g/m3
7. Antitatre Polymères carboxyliques : dose = 1g/m3
8. Filtration sur cartouches Cartouches à base de propylène 5 µm

 

L'osmose inverse

L'osmose inverse

1. Principe

L'osmose inverse est un procédé de séparation en phase liquide par perméation à travers des membranes semi-sélectives sous l'effet d'un gradient de pression.

 

A: Le niveau est identique dans les deux compartiments: L'eau circule de 1 vers 2 

B: A l'équilibre, une différence de niveau s'établit, c'est la pression osmotique π.

C: Lorqu'on applique une pression P >π, l'eau circule en sens inverse, c'est-à-dire de 2 vers 1 et les sels restent bloqués dans le compartiment 2.

Π = différence de pression de part et d’autre de la membrane

Une membrane semi-sélective ou semi-perméable est une membrane imperméable aux corps dissous (ionique ou non) et perméable au solvant. 

 

 

 

Figure 1 : Principe de l'osmose inverse
               (
J-M.ROVEL, 2012)

2. Schéma général d'une installation d'osmose inverse

Les principaux constituants d'une installation d'osmose inverse sont les suivants :
- membrane proprement dite
- le module
- la pompe haute pression
- le poste de traitement

L'écoulement du fluide sur la membrane est continu et tangentiel. Cet écoulement tangentiel permet de limiter l'accumulation sur la membrane des diverses espèces (particules, molécules, ions) retenues par cette dernière. Le débit d’entrée (Q0) se divise au niveau de la membrane en deux parties de concentrations différentes. Une partie (débit Qp) passe à travers la membrane (perméat) alors que l'autre partie est retenue par la membrane ( concentrat ou rétentat).

Figure 1 :Schéma de principe d'une unité d'osmose inverse
(A.Maurel, 2006)

3. Pression osmotique

Loi de Van't Hoff

 Pour des solutions suffisamment diluées, la pression osmotique π​ peut être  assimilée à pression d'un gaz parfait dont les "molécules" seraient précisément les espèces en solution (ions Na+ et Cl-) ​ :

i : nombre d'ions
C : concentration (mol/L)
R : constante des gaz parfaits (0,081 L.atm/K/mol)
T : température en K
1atm = 1,013 bars

4. ​Caractéristiques principales d'une unité d'osmose inverse

Deux paramètres sont pris en compte:
- le taux de conversion c'est-à-dire la fraction du débit de liquide qui traverse la membrane,

- la sélectivité de la membrane définie par le taux de rejet R ( ou taux de rétention) de l'espèce que la membrane peut retenir. 

5. Membranes d'osmose inverse

Le tableau 1 résume les avantages et les inconvénients des membranes organiques suivant leur composition:

Tableau 1 : Avantages et inconvénients des membranes organiques
(A.Maurel, 2006)

  Avantages Inconvénient
Acétate de celullose Perméabilité élevée
Sélectivité élevée
Mise en oeuvre assez aisée
Adsorption des protéines faible
=> colmatage moindre
Sensible à la température
Sensible au pH
Sensible au chlore
Sensible au compactage
Sensible aux microorganismes
Type Polyamide Bonne stabilité chimique, thermique et mécanique. Grande sensibilité aux oxydants
Faible perméabilité
Phénomènes d’adsorption
Type Polysulfone

Bonne stabilité thermique

Bonne tenue au pH

Résistance au chlore
 

Sensible au compactage
Adsorptions
Matériaux acryliques Bonne stabilité thermique et chimique
Stockage à sec possible
Faible résistance mécanique
Pores de diamètres assez
élevés
Matériaux fluorés Bonne stabilité thermique et chimique Faible perméabilité
Microfiltration uniquement
Membranes composites Bonnes caractéristiques : perméabilité et sélectivité
Stabilité de pH 2 à 11
Bonne tenue en température
Mauvaise tenue au chlore

 

6. Modules d'osmose inverse

Pour être mises en oeuvres, les membranes doivent être montées dans des supports appelés modules. Actuellement, quatres types de modules sont commercialisés: modules tubulaires, modules fibres creuses, modules plans et modules spirales. Plusieurs critères sont à prendre en compte pour le choix d'un type de module tels que:

• les conditions de transfert optimale
• la surface spécifique d’échange élevée
• l'investissement minimal et le coût de fabrication
• la simplicité de mise en œuvre et la durée de vie des membranes
• l'entretien aisé (nettoyage, démontage, remplacement des membranes)
  • Modules plans

Les modules plans sont les modules les  plus simples et les plus anciens. Ils présentent sous la forme de plaques unitaires disposées parallèlement les unes aux autres et séparées par des grilles​.

Tableau 2 : Avantages et inconvénients des modules plans 
(A.Maurel, 2006)
 

Avantages Inconvénients
Système souple et modulable Système peu compact (100 à 400 m²/m3)
Changement facile des membranes Investissement relativement élevé
Visualisation du perméat   

 

  • Modules spirales

Les membranes planes sont enroulés en spirale autour d’un tube creux et perforé destiné à collecter le perméat. Entre les membranes est placé un grillage plastique de 0,8 à 1,2 mm d'épaisseur, qui a pour but de créer une turbulence dans la circulation du fluide. On obtient ainsi un cylindre multi-couches où le perméat s'écoule selon un chemin spiralé vers le tube poreux tandis que l'alimentation circule axialement dans les canaux. 

Figure 1  : Modules spirales
(
P. Danis, 2003) 

Tableau 3 : Avantages et inconvénients des modules spirales
(A.Maurel, 2006)
 
Avantages Inconvénients
Compacité élevée (300 à 1000 m²/m3) Sensible au colmatage
Faible volume mort Difficulté de nettoyage
Coût d'investissement relativement faible  

Modules tubulaires

Ce type de module est constitué de tubes métalliques ou plastiques sur lesquels est fixés la membrane semi-perméable. Le diamètre du tube est compris entre 7 et 25 mm et le plus souvent 12,5 mm. L’eau à traiter circule à l’intérieur des tubes et le perméat est recueilli à l’extérieur des tubes. Le tube est soit poreux, soit perforé de trous pour permettre l'évacuation du perméat.

Figure 1: Modules tubulaires
(Lenntech)
 

Tableau 4 : Avantages et inconvénients des modules tubulaires 
(A.Maurel, 2006)
 

Avantages Inconvénients
Technologie simple Consommation d'énergie élevée
Peu traités tous types de fluides ( chargés, visqueux) Faible compacité (10 et 300 m²/m3)
Facilité de nettoyage Coût élevé
  • Modules fibres creuses

Ces modules peuvent être considérés comme des modules tubulaires composés de tubes de petits diamètre compris entre quelques millimètres et quelques dizaines de microns. Mais à la différence des modules tubulaires qui sont constitués d'une membrane et d'un support inerte, les fibres creuses jouent à la fois le rôle de membrane et de support.

Figure 2 : Modules fibre creuses 
(J-M. Berland, 2002)

Il existent deux configurations :
Int- Ext (schéma b): L’eau à traiter circule à l’intérieur et le perméat est récupéré à l’extérieur des fibres.
Ext-Int (schéma a et c): L’eau circule à l’extérieur et le perméat est récupéré à l’intérieur des fibres

Tableau 5​ : Avantages et inconvénients des modules fibres creuses 
(A.Maurel, 2006)
 

Avantages Inconvénients
Compacité élevée (15000 m²/m3) Sensibilité de colmatage dû au faible diamètre des fibres
Faible volume mort Fragiles ( Canaux fins)
Faible consommation énergétique  
Possibilité de nettoyage à contre courant  

6. La nanofiltration

L'osmose inverse peut éventuellement être couplée à la nanofiltration. Cette technique permet la séparation en taille de composants de l'ordre du nanomètre. Ce procédé a l'avantage de laisser passer les ions monovalents  et les composés organiques non ionisés de masse molaire inférieure à environ 200 - 250 g/mol mais de retenir les ions divalents (Calcium, Magnésium, sulfates....) et les composés organiques non ionisés de masse molairesupérieure à environ 200 - 250 g/mol. Le rétentat est donc chargé en ions divalents alors que le perméat est concentré en ions monovalents. La précipitation pourra donc éventuellement être étudiée par la suite. (J-M. Berland, 2002)

Post-traitement

Post-Traitement

Le Bore doit être éliminé afin de respecter les normes sanitaires en vigueur pour la consommation d'eau potable. Ce bore se trouve sous forme d'acide borique, acide faible. ( cf figure ci dessous)  Au pH de fonctionnement de l'osmose inverse (pH 6-7), le bore sous forme moléculaire H3BO3​ n'est pas retenu par les membranes d'osmose inverse. Or des teneurs élevées en bore dans l'eau potable sont sesceptibles de provoquer des problèmes de santé tels que des problèmes de développement du foetus et une  diminution de la fertilité...

Figure 1 : Le problème du bore en osmose inverse : dissociation de l'acide borique en fonction du pH
(A.Maurel, 2006)

Selon l' OMS ( Organisation Mondiale de la Santé), la valeur limite est de 0,5 mg/L. Une des solutions possibles pour réduire la teneur en bore dans l'eau osmosée est l'utilisation de résines spécifiques; ces résines ont une très bonne efficacité ( > 90 %) mais leur régénération est relativement complexe. Ensuite un autre procédé d'échange d'ion permet quant à lui de reminéraliser l'eau.

Dimensionnement du traitement par l'osmose inverse

Dimensionnement du traitement de l'eau par osmose inverse

 

Dans cette partie, le dimensionnement du traitement de l'eau par osmose inverse est traité de la manière suivante:

Composition de l'eau dans l'Océan Atlantique

Composition de l'eau dans l'Océan Atlantique

On ne retient que les constituants majeurs, c'est-à-dire ceux qui sont présents en concentration supérieure à 1 mg.kg–1. Le tableau suivant résume la composition des constituants majeures de l'eau dans l'Océan Atlantique: (masse volumique de l'eau de mer = 1.0359 kg/L)

Tableau 1: Composition de l'eau dans l'Océan Atlantique
(
G.COPIN-MONTÉGUT​, 2002).
 

Ions Concentration (g/L) Proportion (%)
Sodium Na+ 11,1566 30,77
Magnésium Mg2+ 1,3363 3,68
Calcium Ca2+ 0,4269 1,18
Potassium K+ 0,4133 1,19
Chlorure Cl- 20,048 55,28
Sulfates SO42- 2,809 7,75
Bore total B 0,0046 0,01
Bromure Br- 0,0697 0,19
Salinité totale 36,264 100,00

 

Figure 1 : Proportion des ions présents dans l'eau de mer

L’ensemble des espèces citées représente plus de 99,9 % de la masse totale de substances dissoutes dans l’eau. Le bore est sous forme d'acide borique, acide faible dont le degré de dissociation est tributaire des variations naturelles du pH.  Mais la somme acide borique + borate est constante.

Dimensionnement

Dimensionnement

1. ​Conditions

Ainsi le dimensionnement est réalisé selon les conditions suivantes :

- Salinité en entrée 36,264 g/L
- Obtenir un débit en sortie de 40000 m3/jour
- Obtenir une salinité totale inférieure à 250 mg/L (Norme Organisation Mondiale de la Santé) en sortie du perméat.
- Obtenir une concentration en Bore inférieure à 0,5 mg/L (norme OMS) en sortie du perméat

​- Obtenir un ratio de salinité d'environ 2  et un rendement global d'environ 50% (selon les rapports bibliographiques des usines de dessalement dans le monde)

2. Hypothèses

Les hypothèses afin de réaliser le dimensionnement sont :

- La pression pour l'Osmose inverse et la nanofiltration  est comprise entre 60 et 90 bars.

- La perte de charge notée PdC est de 2 bars.

 Afin de réaliser le dimensionnement, nous nous sommes basés sur les résultats du dimensionnement du BEI "Tenue structurelle et étude des impacts environnementaux d’une île artificielle : Palm Jumeirah (2009-2010")Après avoir comparé les résultats des divers scénarios, le scénario retenu est le scénario 5 dont le schéma est représenté sur la figure 1 :

Figure 1 : Schéma du dimmensionnement du traitement par osmose inverse
(N. SEJOURNE, K. Yaker
, 2010)

La modification apportée sur le dimensionnement est la valeur de 15 bar pour la pression transmembranaire qui avait été fixée dans le BEI (2009-2010). Nous avons donc voulu étudier l’influence de cette valeur et éventuellement son optimisation. En effet, la pression transmembranaire dépend de la pression osmotique:

$ P_R=P_E-PdC $  

$PTM=\frac{P_E+P_R}{2}-P_P$ 

$ PTM=PTM_{eff}-\pi $

avec $ PdC = 2\hspace{2mm}bars $ 

PR : la pression au rétentat

PE: la pression en entrée

PP : la pression au perméat

PTM : la pression transmembranaire qui doit être supérieur à la pression osmotique $\pi$

PTMeff : la pression transmembranaire efficace 

En respectant les hypothèses et les conditions, les résultats du dimensionnement sont résumés dans le tableau 1 :

Tableau 1 : Résultats du dimensionnement

  Entrée Sortie
Débit (m3/j) 81000 40176
Total Dissolved Salts (TDS en g/L) 36,264 0,249
Débit de rejets des saumures 40824
 TDS des saumures (g/L) 71,708
Ratio TDS entre entrée et les rejets de saumures 1,98
Rendement global 49,6 %

Pour plus de détails, le dimensionnement  a été réalisé à l'aide d'un calculateur sous forme d'un fichier excel

Caractéristiques des membranes

Caractéristiques des membranes sélectionnées

1. Membranes sélectionnées

En général, les membranes utilisées sont les membranes spirales en polyamide. Les caractéristiques des membranes sélectionnées sont les suivantes:

Figure 1 : Nanofiltration choisie
(DOW FILMTECH) 

Pour plus de détails technique concernant cette membrane cliquez ici

Figure 2 : Osmose inverse choisie
(
DOW FILMTECH)

Pour plus de détails techniques concernant cette membrane cliquez ici

2. Calcul de la surface des modules et du nombre de modules

Grâce aux caractéristiques des membranes, la surface des modules pour chaque osmose inverse et pour la nanofiltration est calculé ainsi que le nombre de modules.

  • Données fournies à 25 °C ( cf précédent) :

- Surface S en m²
- Débit Q en m3/jour
- Taux de rétention

  • Données à calculer :

- Le Flux J(25°)
La perméabilité membranaire Lp(25°)

Les références sont établies pour une température de 25°. Or dans le cas de l’usine, on se basera sur une température de 10° (minimum considéré durant les périodes hivernales) Ainsi le but étant de calculer la perméabilité pour 10°.

Tout d'abord, grâce au débit et à la surface, nous pouvons calculer le flux à 25 °C.

  • Calcul du flux à 25°C

$J_{(25°)}=\frac{Q}{S}$

J : le flux en L/h/m2
Q : le débit en L/h
S : Surface en m2

Ensuite, nous allons pouvoir déterminer la perméabilité à 25°C grâce à la relation suivante.

  • Calcul de la perméabilité à 25°C

                         $J_{(25°)}=Lp_{(25°)}(\Delta P - \Delta\pi )$       

Lp(25°) : Perméabilité de la membrane à 25 ° en L/h/m2/bar
$\Delta P $:  la différence de pression de part et d'autre de la membrane
$\Delta\pi$ :  la différence de pression osmotique de part et d'autre de la membrane

  • Calcul de la différence de pression osmotique de part et d'autre de la membrane

                                  $\Delta\pi = \pi_p - \pi_E $

$\pi_p$ : la pression osmotique du perméat
$\pi_E$ : la pression osmotique à l'entrée

Après ces différentes étapes, nous obtenons la perméabilité à 25°C résumée dans le tableau 1:

Tableau 1 : Perméabilité à 25°C

  Nanofiltration Osmose inverse
Lp (25°C) en L/h/m2/bar 8,68 0,97

Pour plus de détails, cliquez sur le fichier excel suivant (feuille Lp)

  • Calcul de Lp(10°C):

La perméabilité à 10°C peut ainsi être déterminée selon les relation suivante:

- Facteur de correction KT      $K_T = e^{(-0,0239 (T-25))}$      
-
 Valeur de la perméabilité corrigée   $ Lp_{(25°C)}=Lp_{(10°)}.K_T $

Les valeurs trouvées pour la perméabilité à 10°C sont les suivantes:

Tableau 2 : Perméabilité à 10°C

  Nanofiltration Osmose inverse
Lp (10°C) en L/h/m2/bar 6,07 0,681

Pour plus de détails, cf fichier excel ci-dessus

  • Calcul de la surface et du nombre de modules:

$S=\frac{Q}{Lp_{(10°)}(\Delta P - \Delta\pi)}$

$Nombre\hspace{2mm}de\hspace{2mm}modules=\frac{S}{Nominal\hspace{2mm}active\hspace{2mm}surface\hspace{2mm}area}$

Nominal active surface area = 2,6 m² pour la nanofiltration et 35 m² pour l'osmose inverse

Les résultats sont résumés dans le tableau 3:

Tableau 3 : Surface et nombre de modules pour chaque Osmose inverse et pour la nanofiltration

Modules OI1 OI2 NF OI3 OI4 Total
Surface (m²) 247775 49692 15166 33010 351518 697162
Nombre d'unité 7080 1420 5834 944 10044 25322

* OI = osmose inverse

Calcul de la puissance des pompes

Calcul de la puissance des pompes

La figure 1 représente le dimensionnement de l'osmose inverse avec l'aspect énergétique:

Figure 1 : Dimensionnement avec l'aspect énergétique

$P_{u}=\rho.g.Q.H_m$  

$\rho$: masse volumique de l'eau de mer 1035,9 kg.m3
g : constante gravitationnelle 9,81m.s-2 
$P_{u}$ la puissance utile en W
Q le débit en m3/s
$H_m$ la hauteur manométrique équivalente à $\frac{\Delta.P}{\rho.g}$ avec $\Delta P$ en Pa

Ainsi $P_{u}=.Q.\Delta P$ 

Le tableau 1 résume les résultats trouvés pour les 2 pompes avec un rendement choisi à 0,8. ( Pour plus de détails, cf fichier excel)

Tableau 1 : Puissance des pompes

  Pompe 1  Pompe 2
Puissances (MW) 7,03

2,10