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