L'osmose inverse, réduction des teneurs en sels dissout

Introduction

L'osmose inverse est un procédé qui permet de purifier de l'eau grâce à l'application d'une pression suffisante pour vaincre la pression osmotique et ainsi entraîner l'eau à travers une membrane perméable vers un compartiment moins concentré. Pour dimensionner un tel procédé il faut donc d'abord connaître les polluants que nous voulons éliminer ainsi que leur quantité et le débit de solution à traiter. De là il faudra choisir une membrane à même de satisfaire nos besoins.

 

1. Caractérisation de la solution à traiter et choix de la membrane

Le procédé d'échange d'ions, en amont de celui-ci, oblige à fixer un débit entrant de 60m3/h. Il faut donc trouver une membrane capable de supporter un tel débit.

L'osmose inverse va permettre de réduire la teneur matière dissoute totale (100 000ppm) et en bore (500 ppm). L'échange d'ions va permettre la diminution des ions calcium et magnésium qui sont normalement comptés dans les matières dissoutes totales (MDT). Ainsi la valeur totale en MDT à l'entrée du procédé d'osmose inverse sera de 85 000ppm.

Après étude du catalogue des différents constructeurs nous avons choisi la membrane RE16040-SHN du fabricants CSM. Le lien suivant conduit à la fiche technique de la membrane fournie par le fabricant. Le tableau qui suit résume les principales caractéristiques qui seront utiles pour le dimensionnement du procédé.

Tableau 1 : Caractéristiques principales de la membranes RE1640-SHN
Surface Active 148.6 m²
Débit maximal 55 m3
pH opératoire 2 à 11
Perte de charge par éléments 1 bar
Valeurs du test de performance
Débit opératoire 92.9 m3/j
pH opératoire 7
Pression appliquée 55 bars
Température 25°C
Concentration en NaCl 32 000 mg/l
Concentration en Bore 5 mg/l
Taux de rejet en NaCl 99.75%
Taux de rejet en Bore 92%

2. Elaboration du schéma du procédé industriel

Nous cherchons avec ce procédé à ramener la teneur en matière dissoute de 85 000ppm à 500. Or le taux de rejet défini par le constructeur ne correspond pas à la réalité du traitement mais à un cas idéal. Un taux de rejet plus faible, de l'ordre de 60%, doit être choisi  pour correspondre au cas étudié. A l'issue de ce passage dans la membrane la concentration reste donc élevée. Une deuxième étape est alors nécessaire. La concentration du perméat est alors aux alentours de 40 000ppm, proche du cas du constructeur. Nous définissons donc un taux de rejet de 90%. La concentration en sels reste encore au-dessus du seuil fixé, une troisième étape de traitement est donc nécessaire afin d'arriver à la concentration en MDT voulue.
Cependant, le taux de conversion, c'est-à-dire le pourcentage du débit entrant qui part dans le perméat, varie entre 60% et 70%. Avec trois membranes, il y a donc une part importante de l'eau traitée qui reste dans le concentrat, qui est un déchet. Le taux de recyclage serait de seulement 29%. Pour améliorer le rendement du procédé, une quatrième membrane est installée afin de recycler le concentrat des étapes 1 et 2. Le perméat issu de cette quatrième membrane est ensuite recyclé grâce à l'étage numéro 3. On atteint ainsi un pourcentage de recyclage de 54%, presque deux fois meilleur.

Figure 2 : Calculs permettant de dimensionner l'étage 1 du l'osmose inverse

Lors de chaque étape nous avons fixé les taux de conversion et de rejet qui nous semblaient cohérents au vue de nos valeurs. Ces valeurs fixées, on connaît pour chaque étape les débits entrants, les débits du perméat et ceux du concentrat ainsi que les concentrations dans les différents compartiments.

$$Q_{perméat}=T_{rejet}Q_{entrant} et Q_{concentrat}=(1-T_{rejet})Q_{entrant}$$

$$C_{permeat}=\frac{C_{entrant}Q_{entrant}T_{conversion}}{Q_{perméat}}$$

On peux donc en déduire la pression osmotique entre l'alimentation et le perméat :

Cette pression nous permet de choisir la pression qu'il faudra appliquer en entrée afin d'assurer la filtration. Par ailleurs la pression appliquée joue un rôle dans le calcul de la surface nécessaire pour assurer la filtration.

$$S =\frac{Q_{alim}}{J}$$ avec $$J=L_{p}PTM$$

et

$Lp$ la perméabilité de la membrane calculée expérimentalement grâce aux références constructeurs
$PTM$ : Pression Transmembranaire = Pentrée-Pperméat-Posmotique

Une fois cette surface déterminée, il suffit de la diviser par la surface active par module pour connaître le nombre d'éléments à installer.

3. Optimisation du processus

Afin de limiter le coût du procédé il nous faut chercher à l'optimiser. Deux choses vont avoir un impact sur le prix du traitement : l'énergie consommée par les pompes qui vont mettre l'eau sous pression et le nombre de modules. Or la pression transmembranaire a un impact direct sur le nombre de modules. Il faut donc définir une pression transmembranaire à la fois suffisamment élevée pour que le nombre de modules soit faible et dans le même temps suffisamment basse pour que la pression à appliquer en entrée soit minimale, réduisant ainsi l'énergie nécessaire pour les pompes. Dans cette étude, on se limite au traitement de la résurgence des dix puits forés. Ainsi nous avons un volume fixé qui est plus faible que la capacité totale de traitement des membranes. Il sera donc préférable de limiter le nombre de modules dont le prix est plus difficile à amortir que la puissance développée par les pompes. Dans un cas réel, il faudrait faire l'inverse.

L'eau qui sort des membranes est sous pression. Cette pression est une source d'énergie récupérable. En effet en installant des turbines pelton en sortie de traitement lors de la décompression du concentrat on peut récupérer 90% de l'énergie potentielle. Ce système est donc installé en sortie des étages 3 et 4 pour alimenter les pompes d'alimentation de ces mêmes étages. On récupère ainsi 0,75 kWh/m3 sur l'ensemble du traitement. Sans récupération, le traitement nécessite 3,55kWh/m3. On a donc une récupération de 21%.

4. Dimensionnement des étages

Nous cherchons à éliminer la matière dissoute totale. L'échange d'ions a permis de remplacer les ions chlorure en ions sodium. Si on regarde le tableau suivant, on remarque que sur l'ensemble des particules à éliminer, l'écrasante majorité est du sodium. Le dimensionnement sera donc basé sur l'élimination de cet ion.




Tableau 2 : Composition de l'eau à l'entrée de l'osmose inverse
  Na B Cl K CO3 Bicarbonate Sulfate
C (ppm) (g/m3) 84500 10 500 350 500 3000 1000

Le premier étage doit traiter l'eau issue de l'échange d'ion. Le débit d'alimentation est donc fixé à 60m3/h et la concentration en sodium à 84 500ppm. Le taux de récupération est fixé à 50% car la concentration initiale est élevée. Le taux de conversion est lui fixé à 60%.

Figure 2 : Calculs permettant de dimensionner l'étage 1 du l'osmose inverse

Figure 2 : Calculs permettant de dimensionner l'étage 1 du l'osmose inverse

Cette étape permet de savoir qu'il faudra 19 modules. Pour l'étage 2, le débit entrant est de 36m3/h et la concentration en sodium de 42 000ppm environ. Cette concentration s'approche des conditions réalisées en test. Nous choisissons un taux de rejet de 70%

Figure 3 : Calculs permettant de dimensionner l'étage 2 du l'osmose inverse

L'étage 2 doit être constitué de 9 modules.

Le débit entrant dans le quatrième étage est de 35m3/h. Il correspond aux débits de concentrat issus des deux premiers étages. La concentration en sodium est alors de 103 000ppm environ. Cette concentration est très élevée puisque que nous traîtons des concentrats. Le taux de rejet est donc faible à 50%.

Figure 4 : Calculs permettant de dimensionner l'étage 4 du l'osmose inverse

Cette étape nécessite 7 modules. On remarque que la récupération de l'énergie de la décompression du concentrat est supérieur à l'énergie que doit fournir la pompe de l'étage 4. Il faudra donc coupler la turbine pelton avec une autre pompe, la numéro 1 ou 2,

Enfin le perméat des étapes 2 et 4 vont alimenter l'étage 3 avec un débit de 55m3/h. La concentration est infèrieur au cas idéal du constructeur. Les pressions appliquées sont elle comparable à celle appliquées. L'hypothèse d'un taux de rejet de 98% ne semble pas incohérente.

Figure 5 : Calculs permettant de dimensionner l'étage 3 du l'osmose inverse

Il faut 6 modules pour réaliser cette étape.

Le tableau suivant permet d'estimer le coût de fonctionnement du traitement. Ce coût est ensuite calculé sur le nombre de mètre cube d'eau réutilisable, soit 32 400m3, ce qui fait un prix de revient de 0,67€/m3  pour la seule osmose inverse.

Tableau 3 : Estimation des coûts de fonctionnement du procédé d'osmose inverse pour 10 puits.

5. Opérations de contrôle.

Pour contrôler le procédé il faut plusieurs instruments de mesures :

- Un conductimètre à la sortie du perméat et du concentrat qui permet de surveiller la qualité de l'eau.

- Un manomètre à l'entrée des modules pour surveiller la pression en entrée. Elle doit être inférieure à la pression maximale supportée par la membrane et supérieure à la pression osmotique afin de permettre la séparation de l'eau et des sels. Les changements de température de l'eau peuvent affecter la pression à la sortie de la pompe. Il est donc important de contrôler ce paramètre constamment pour ajuster la fréquence de la pompe pour satisfaire les paramètres du procédé.

- Un débitmètre en entrée permet d'éviter de dépasser le débit maximal accepté par la membrane. Un débitmètre à la sortie du perméat permet de connaître le taux de conversion et de vérifier le colmatage de la membrane.

- Un thermomètre permet de mesurer la température en entrée de l'usine. Il servira à calculer les débits et pressions standardisés qui permettent de connaître les performances de l'installation en toute circonstance.

Les membranes sont sensibles au chlore. Il faut donc réduire la concentration en chlore à moins de 0,1mg/L. Lors de l'étape précédente la concentration en chlore est déjà largement diminuée. Le chlore résiduel sera éliminé grâce à du bisulfate de sodium.

L'eau de fracturation est traitée afin de ne pas être contaminée par des bactéries et virus enfouis en profondeur. Les risques de prolifération bactérienne dans les membranes sont donc limités.

6. Opérations de maintenance

Des opérations de maintenance sont nécessaires pour permettre une qualité de traitement optimale sur le long terme.

Pour maximiser le temps de vie des membranes il est important de réaliser un rétrolavage toutes les heures. Ces rétrolavages, réalisés avec du perméat, durent environ une minute et permet de réduire le colmatage.

Lorsque le débit ou la conductivité de perméat normalisé(e) baissent de 10%, une opération de nettoyage de la membrane est nécessaire. Il faut prévoir pour le nettoyage chimique un bac de préparation de l'eau de lavage, une pompe de circulation basse pression ainsi qu'un filtre à cartouche avec des pores de 5µm pour empêcher des débris d'entrer dans la membrane. Le procédé est composé de 45 modules de 62L chacun, soit un volume total de 2.7 m3. Il faudra donc plus de 3m3 d'eau de lavage pour nettoyer l'ensemble du système. Cette opération dure environ 30 minutes pour assurer le nettoyage complet des membranes.


D'après Lenntech.fr

Lors des arrêtés de l'usine, quand le traitement de l'eau d'un puits est terminé, il faut préparer les membranes. En effet celles-ci ne doivent jamais être séchée. Après le lavage des membranes il faut donc remplir les modules avec une solution de conservation.


Bibliographie

- Lenntech.fr

- Patrice Bacchin. Principes de base des Technologies a Membranes. 2eme Ecole d'Ete Franco-Maghrebine "Sciences et Technologies a Membranes ", Sep 2005, Monastir, Tunisia.

- Jean-Marc BERLAND, Catherine JUERY, Les procédés membranaires pour le traitement de l'eau. Document technique FNDAE n°14, décembre 2002

- ROVEL Jean-Marie, Dessalement de l'eau de mer, Techniques de l'ingénieur Procédés de traitement des eaux potables, industrielles et urbaines, 2010/02/10. Dernière consultation le 9 mars 2015
http://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/environnement-securite-th5/procedes-de-traitement-des-eaux-potables-industrielles-et-urbaines-42318210/dessalement-de-l-eau-de-mer-w5700/