Filtration conventionnelle et membranaire : sélection d'un préfiltre SWRO

Le prétraitement de l'eau de mer fait partie intégrante de chaque usine de dessalement d'eau de mer par osmose inverse (SWRO), utilisé pour éliminer les particules, les débris, les micro-organismes, les solides en suspension et le limon de l'eau de mer source. Mais avec le choix entre la filtration conventionnelle et la filtration à membrane, laquelle vous convient le mieux ? Nicolay Voutchkov compare les deux options.

Introduction

Le prétraitement de l'eau de mer fait partie intégrante de chaque usine de dessalement d'eau de mer par osmose inverse (SWRO). Idéalement, après le prétraitement, les seuls solides restants dans l'eau de mer seraient les minéraux dissous et tant que le système d'eau de mer est exploité de manière à empêcher les minéraux de précipiter à la surface de la membrane, les membranes SWRO pourraient fonctionner sans aucun nettoyage pendant très longtemps.

En réalité, cependant, les systèmes de prétraitement éliminent la plupart, mais pas la totalité, des solides en suspension contenus dans l'eau de mer source et sont donc sujets à l'encrassement par les solides en suspension, les particules et le limon qui restent dans l'eau de mer après le prétraitement. L'encrassement peut être inversé par un nettoyage périodique du SWRO, mais dans certains cas, l'encrassement de la membrane peut être irréversible et le nettoyage peut ne pas récupérer la productivité, ce qui peut nécessiter le remplacement de tout ou partie des membranes SWRO.

Deux types de systèmes de prétraitement sont généralement utilisés pour protéger les membranes SWRO de l'encrassement : la filtration sur support granulaire conventionnel et la filtration sur membrane. Actuellement, la filtration conventionnelle sur média granulaire est la technologie de prétraitement prédominante pour les usines de dessalement de grande et moyenne taille. Les filtres de prétraitement d'eau de mer conventionnels ont une configuration et des supports similaires à ceux utilisés dans les applications de filtration d'eau douce et peuvent être des filtres à gravité ou à pression. Des filtres de prétraitement par gravité ont été utilisés pour certaines des plus grandes usines de dessalement SWRO au monde en activité aujourd'hui, comme l'usine d'Ashkelon de 325 000 m³/jour en Israël (voir Figure 1).

Des filtres à média granulaire sous pression, par exemple, sont utilisés pour l'usine de 160 000 m³/jour à Perth, en Australie (voir Figure 2). Les filtres sous pression sont également largement utilisés dans les petites usines du monde entier car ils sont compétitifs, économes en espace et plus faciles et plus rapides à installer et à utiliser par rapport aux filtres gravitaires à média granulaire. Souvent, lorsque la source d'eau de mer est collectée via une prise d'eau ouverte, des filtres sous pression à deux étages (sable et anthracite) sont appliqués. L'un des principaux inconvénients de ces filtres en termes de coût est qu'ils fonctionnent sous pression et consomment donc plus d'énergie que les filtres gravitaires.

L'application de la filtration membranaire pour le prétraitement de l'eau de mer est relativement nouvelle. À l'heure actuelle, moins d'une demi-douzaine d'usines de dessalement d'eau de mer à grande échelle dans le monde utilisent le prétraitement par membrane. Ces systèmes de prétraitement appliquent des membranes d'ultrafiltration (UF) ou de microfiltration (MF) installées dans des modules à travers lesquels l'eau de mer de source est filtrée sous pression ou sous vide.

Le plus grand système de prétraitement à membrane d'eau de mer à grande échelle au monde est situé dans l'usine SWRO de 140 000 m³/jour à Addur, à Bahreïn. Cette usine, ainsi que le plus grand système de prétraitement à membrane d'Asie, situé dans l'usine de dessalement de Fukuoka de 96 000 m³/jour au Japon (voir Figure 3), utilise des membranes UF à pression pour le prétraitement de l'eau de mer.

À ce jour, les membranes UF ont trouvé une application plus large pour le prétraitement de l'eau de mer que les membranes MF, principalement parce qu'elles permettent généralement une meilleure élimination des matières organiques en suspension, du limon et des agents pathogènes de l'eau de mer source. Souvent, les particules de limon contenues dans l'eau de mer ont une taille similaire à celle des ouvertures des pores des membranes MF, ce qui signifie que les particules de limon en suspension dans l'eau de mer source peuvent se loger dans les pores de la membrane MF pendant le processus et peuvent provoquer un encrassement irréversible. Étant donné que les pores des membranes UF sont nettement plus petits que ceux des membranes MF, ils ne sont généralement pas confrontés à ce problème.

Le choix de la technologie de filtration pour le prétraitement de l'eau de mer doit être basé sur une analyse coûts-avantages approfondie du cycle de vie. Des tests pilotes côte à côte des deux types de systèmes sont également fortement recommandés pour développer des informations de base sur les performances du système pour une sélection objective. Les problèmes suivants doivent être pris en compte lors du choix entre la filtration sur média granulaire et la filtration de prétraitement sur membrane.

Effet de la qualité de l'eau de mer à la source

La microfiltration et l'ultrafiltration ont un spectre plus large de capacités d'élimination des particules que la filtration par média conventionnel. Les filtres à simple ou double média ont généralement une efficacité d'élimination moindre en termes de matières organiques de l'eau brute sous forme en suspension, de précurseurs de sous-produits de désinfection, de particules fines, de limon et d'agents pathogènes. Les technologies de filtration membranaire sont également moins sujettes aux perturbations causées par les changements saisonniers de la température de l'eau de mer source, du pH, de la turbidité, de la couleur, de la contamination par des agents pathogènes, ainsi que de la taille et du type de particules d'eau, car leur mécanisme de traitement principal est une élimination mécanique des particules à travers des membranes à pores fins.

Par conséquent, pour les applications où la qualité de l'eau d'admission connaît des variations saisonnières importantes et présente un défi en termes de contamination élevée par des agents pathogènes, des particules fines et des particules organiques élevées, les technologies de filtration membranaire sont susceptibles d'offrir des avantages en termes de performances. Cependant, si l'eau de source de l'usine de dessalement est collectée à partir d'une prise d'eau à ciel ouvert située loin de la zone de surf et à une profondeur suffisante pour n'être exposée qu'à des variations saisonnières limitées (généralement 20 mètres ou plus), la filtration sur média granulaire peut offrir une alternative de prétraitement très rentable à la filtration sur membrane.

La température de l'eau de mer à la source est un facteur très important lors de la sélection d'un système de prétraitement. L'application de systèmes de prétraitement à membrane sous vide est généralement moins rentable que la filtration sur membrane sous pression et la filtration conventionnelle sur support granulaire pour l'eau de mer à une température inférieure à 12 ºC, car la productivité (flux) de la filtration sur membrane sous vide est considérablement réduite par l'augmentation significative du poids unitaire de l'eau de mer à basse température.

La filtration sur sable peut présenter certains avantages supplémentaires pour une source d'eau de mer qui est très susceptible d'être exposée à des changements soudains et imprévisibles de la qualité de l'eau, tels que : des déversements de produits chimiques à pH très élevé ou faible ; grands déversements d'huile et de graisse; des expositions fréquentes à une température d'eau très élevée ou à d'autres contaminants qui peuvent endommager de manière irréversible les membranes de prétraitement MF ou UF, si elles sont utilisées pour cette application. En règle générale, les médias filtrants granulaires peuvent gérer une gamme plus large de conditions extrêmes de qualité de l'eau d'admission et le coût de remplacement des médias est nettement inférieur à celui du remplacement de tous les éléments membranaires pour une usine de même taille.

Cette question est d'une importance très significative pour les systèmes de prétraitement des usines de dessalement d'eau de mer avec prises de surface. Souvent, l'eau de mer source contient de petits objets pointus (tels que des particules de coquillages), qui peuvent facilement perforer les membranes de prétraitement et entraîner une perte très rapide de leur intégrité, à moins que les particules nocives ne soient éliminées en amont du système de prétraitement membranaire en incorporant un système de microcriblage d'une taille de maille de 120 microns ou moins en amont du système de prétraitement membranaire (voir la figure 4).

De plus, l'eau de mer contient des balanes qui, dans leur phase embryonnaire de développement, ont une taille de 130 à 150 microns et peuvent passer les ouvertures du tamis à moins qu'elles ne mesurent 120 microns ou moins. Une fois que les balanes ont établi des colonies dans les installations et l'équipement de prétraitement, elles sont très difficiles à éliminer et peuvent résister à la chloration, qui est par ailleurs un biocide très efficace pour la plupart des autres organismes marins. L'utilisation de micro-tamis fins (taille de 80 à 120 microns) est essentielle pour un fonctionnement fiable de l'ensemble de l'usine de dessalement d'eau de mer utilisant un prétraitement membranaire et son coût doit donc être pris en considération lorsque l'on compare le prétraitement conventionnel et la filtration membranaire. Les micro-tamis ne sont pas nécessaires pour les systèmes de prétraitement utilisant la filtration sur média granulaire, car ces systèmes éliminent efficacement les balanes à toutes les phases de leur développement.

Si le prétraitement à membrane est sélectionné pour les usines de dessalement avec des prises en haute mer sujettes à des marées rouges fréquentes et étendues ou à des proliférations d'algues, l'utilisation de la flottation à air dissous (DAF) ou d'un système de filtration à média granulaire en amont de l'installation de prétraitement à membrane est fortement recommandée.

Empreinte

Les technologies membranaires sont plus économes en espace que la filtration sur média granulaire. Les avantages de faible encombrement de la filtration membranaire sont généralement plus importants lors de la mise à niveau d'usines de traitement d'eau existantes dont la disponibilité est limitée sur le site ou lorsque le coût d'acquisition de nouveaux terrains est important.

Selon le type et la taille des modules à membrane et les caractéristiques de qualité de l'eau d'admission, le système de filtration à membrane peut avoir une empreinte de 20 à 60 % inférieure à celle d'un système de filtration conventionnel. Les avantages d'espace de la filtration sur membrane sont plus importants pour l'eau de mer à haute turbidité où une filtration sur média granulaire à deux étages peut être nécessaire pour obtenir des performances comparables à un système de prétraitement à membrane à un étage. Pour une eau de mer d'admission plus difficile à traiter, qui nécessite que le système de filtration sur support granulaire soit conçu pour des taux de charge de surface inférieurs à 4,0 gpm/pi² (10 m³/m².h), ou lorsqu'une filtration sur support granulaire en deux étapes est nécessaire pour produire un effluent de filtre comparable, les systèmes de filtration à membrane peuvent avoir une empreinte jusqu'à 60 % inférieure.

En règle générale, dans des conditions typiques de qualité de l'eau de surface, l'empreinte des filtres à média granulaire, conçus à un taux de charge de surface de 8,5 à 12,2 m³/m².hr (3,5 à 5,0 gpm/sq ft), est environ 30 à 50 % supérieure à celle d'un système d'ultra ou de microfiltration produisant une qualité d'eau filtrée similaire. Pour une qualité de l'eau entrante supérieure à la moyenne où les filtres à média granulaire peuvent fonctionner correctement à des taux de charge de surface de 6 à 8 gpm/sq ft (15 à 20 m³/m².hr) de taux de charge de surface hydraulique, la différence d'empreinte totale est généralement de 20 à 40 % au profit du prétraitement membranaire.

Quantité et qualité du flux de déchets

Les systèmes de prétraitement conventionnels et à membrane diffèrent considérablement par le type, la qualité et la quantité des flux de déchets générés. En règle générale, les systèmes de filtration à média conventionnels ne génèrent qu'un seul flux de déchets - le lavage à contre-courant du filtre à déchets. Le volume de ce flux dans une usine bien conçue varie entre 4 et 6 % du volume total d'eau de la source d'alimentation de l'usine. En plus des solides qui se trouvaient à l'origine dans l'eau de source, ce flux de déchets contient également un coagulant (généralement du sel de fer) et un polymère.

Les systèmes de prétraitement des membranes génèrent généralement deux grands flux de déchets : les eaux usées de lavage des membranes et la solution de nettoyage des membranes. Le volume du flux d'eau de lavage de la membrane est généralement de 8 à 12 % du volume de la source d'admission de l'usine, soit environ deux fois plus grand que le lavage à contre-courant du filtre à déchets généré par les systèmes conventionnels. La différence de flux de déchets est encore plus grande, compte tenu du fait que les micro-écrans qui doivent être installés pour protéger les filtres à membrane de prétraitement généreront des rejets de déchets supplémentaires pour leur nettoyage.

En plus du lavage quotidien des membranes et du nettoyage mensuel des membranes, la conception et le fonctionnement compétitifs des systèmes de prétraitement des membranes nécessitent souvent un court lavage à contre-courant quotidien des membranes chimiquement améliorées (CEB) utilisant une forte dose de chlore, de base et d'acide sur une courte période de temps. Ce CEB améliorant les performances augmente également le volume des flux de déchets générés à l'usine de membranes RO et le coût global du prétraitement de l'eau de source.

Utilisation chimique

En règle générale, les systèmes de prétraitement conventionnels en milieu granulaire utilisent des produits chimiques de conditionnement de l'eau de source pour une séparation efficace des solides. Cela ajoute aux coûts des produits chimiques de l'usine. Cependant, ils n'utilisent aucun produit chimique pour le nettoyage des médias (en dehors de l'ajout occasionnel de chlore). Les systèmes de prétraitement à membrane utilisent des quantités importantes de produits chimiques de nettoyage de membrane, dont le coût annuel total peut être comparable aux produits chimiques de conditionnement de l'eau de source utilisés par les filtres à média granulaire conventionnels. Le coût de ces produits chimiques de nettoyage doit être pris en compte dans l'analyse coûts-avantages du système de prétraitement de l'usine.

Un autre facteur qui doit être pris en compte dans l'utilisation globale des produits chimiques de l'usine et l'analyse des coûts est que la fréquence de nettoyage du système d'osmose inverse, et donc les coûts de nettoyage de la membrane SWRO, peuvent être réduits en utilisant le prétraitement de la membrane en raison des meilleures capacités d'élimination des solides et du limon de ce type de prétraitement.

Consommation d'énergie

Les systèmes de prétraitement conventionnels utilisent une quantité limitée d'énergie pour séparer les particules dans la source d'eau. Comme mentionné précédemment, les grandes usines de dessalement SWRO incluent généralement un processus de prétraitement par filtration granulaire par gravité qui a des exigences minimales en matière de puissance. D'autre part, selon le type de système à membrane (à pression ou à vide), les systèmes à membrane utilisent environ deux fois plus d'énergie pour éliminer les particules de l'eau de source par rapport aux filtres à média granulaire par gravité. Plus de puissance est utilisée non seulement pour créer une pression de circulation à travers les membranes, mais aussi pour le lavage à contre-courant des membranes et le pompage de l'eau de mer à la source. La consommation totale d'énergie doit être prise en compte lors de la comparaison des coûts du cycle de vie d'un système de prétraitement conventionnel par rapport à un système de prétraitement à membrane pour une application donnée.

Fréquence de remplacement des médias de filtration

Les filtres à média granulaire qui fonctionnent bien perdent 5 à 10 % de média filtrant par an, qui doit être remplacé pour maintenir des performances constantes. Les coûts de remplacement des médias granulaires sont généralement bien prévisibles et relativement faibles. À l'heure actuelle, la durée de vie utile des éléments membranaires varie généralement entre 3 et 5 ans. En supposant une durée de vie utile de 5 ans, en moyenne environ 20 % des éléments membranaires devraient être remplacés chaque année pour maintenir la capacité de production et les performances du système.

Un facteur supplémentaire qui peut contribuer à la nécessité d'un remplacement plus fréquent des éléments membranaires est la défaillance de l'intégrité des éléments membranaires. En fait, une étude récente des systèmes membranaires existants aux États-Unis et dans le monde indique que dans la plupart des installations étudiées, la principale raison déclenchant le besoin de remplacement précoce des éléments membranaires était la perte d'intégrité plutôt que la perte de capacité de production. Les antécédents limités d'utilisation à long terme des systèmes membranaires et l'incertitude liée aux facteurs déclenchant la nécessité de leur remplacement doivent être pris en compte lors du choix entre les médias granulaires et la technologie de prétraitement membranaire pour les usines d'osmose inverse. Le risque de perte d'intégrité de la membrane doit être traité en conséquence dans la garantie de durée de vie utile de l'élément membranaire fournie par le fabricant/fournisseur de la membrane.

Tenant compte du fait que les coûts annuels de remplacement des membranes de prétraitement sont généralement comparables aux dépenses annuelles de remplacement des membranes SWRO qu'elles sont installées pour protéger, les dépenses importantes pour le remplacement des membranes de prétraitement rendent souvent ce type de technologie de prétraitement moins attrayant que le prétraitement conventionnel en milieu granulaire. Bien que théoriquement, l'utilisation d'un prétraitement membranaire au lieu d'une filtration granulaire devrait réduire la fréquence de nettoyage et de remplacement des membranes SWRO, en raison du manque d'antécédents à grande échelle pour prouver cette hypothèse, à l'heure actuelle, la plupart des fournisseurs de membranes SWRO hésitent à fournir des garanties pour une durée de vie utile ou des cycles de nettoyage plus longs pour leurs produits à membrane d'eau de mer. Par conséquent, l'avantage potentiel du prétraitement membranaire ne peut pas être facilement pris en compte dans une analyse coûts-avantages réelle pour des projets de dessalement d'eau de mer à grande échelle.

Diversité des éléments membranaires et des configurations

Actuellement, tous les fabricants de membranes UF et MF proposent leur propre conception, taille et configuration d'éléments et de systèmes de membranes. Les systèmes membranaires se différencient par le type de force motrice de filtration (pression ou vide) ; la taille des éléments membranaires individuels ; la taille des vaisseaux membranaires ; la configuration des modules membranaires ; le type de lavage à contre-courant de l'élément membranaire ; et le type de méthode de test d'intégrité de la membrane.

Le manque d'uniformité et de banalisation des produits sur le marché des membranes aujourd'hui est le signe d'un domaine en croissance rapide de l'industrie des équipements d'eau et présente des avantages et des inconvénients. La disponibilité de plusieurs fournisseurs et systèmes de membranes permet de mieux répondre aux besoins spécifiques au site d'une application membranaire donnée, augmentant ainsi l'utilisation de systèmes membranaires pour le traitement de l'eau. De plus, le manque de banalisation du marché des membranes MF et UF ainsi que l'augmentation des applications de membranes ces dernières années, stimulent l'intérêt de nombreux fabricants qui ne produisent traditionnellement pas de membranes à entrer sur le marché des membranes avec de nouveaux produits. Cela entraîne à son tour une concurrence accrue et un développement accéléré de nouvelles technologies et équipements membranaires.

Bien qu'un nouveau système de traitement membranaire haut de gamme doté de caractéristiques uniques puisse générer des économies de coûts de construction et d'exploitation appréciables à court terme, ces économies peuvent être compromises sur la durée de vie utile du projet, qui est généralement de 30 ans ou plus, si la conception du système n'est pas suffisamment flexible pour s'adapter aux avantages des futures technologies membranaires. De plus, la menace potentielle d'annulation de leur produit par les fabricants de membranes doit être prise en compte, ainsi que les temps d'arrêt et les dépenses résultant du remplacement des membranes et de la rénovation d'une usine pour qu'elle soit adaptée à un nouveau produit que cela impliquerait.

Sur la base de l'état actuel et de la diversité des technologies de micro et d'ultrafiltration, une bonne approche pour réduire les risques associés au financement et à la mise en œuvre d'un système à membrane consiste à concevoir la configuration du système de manière à permettre le remplacement de ce système/éléments membranaires par au moins un autre système/éléments membranaires existants de type similaire. Les dépenses supplémentaires de construction et d'installation pour fournir une configuration de système de membrane flexible qui permet de futures modifications du système de membrane et l'utilisation de fournisseurs alternatifs du même type d'éléments de membrane à un minimum de dépenses ou de remplacement, sont très susceptibles d'être compensées en réduisant les coûts de financement (coûts du capital) pour le projet et en minimisant les coûts globaux du cycle de vie de l'usine de membranes.

Coûts du cycle de vie

Actuellement, le coût de production de l'eau dessalée par prétraitement membranaire est généralement de 5 à 10 % supérieur à celui de l'eau douce produite par des usines de dessalement avec prétraitement conventionnel de l'eau de mer. Dans certains cas, tels que des conditions où le coût et la disponibilité des terres sont très élevés et/ou les coûts unitaires des produits chimiques et de l'énergie sont relativement faibles, le prétraitement par membrane peut être plus avantageux en termes de coût.

Les facteurs clés qui sont souvent sous-estimés ou omis lors de la comparaison des systèmes de prétraitement conventionnels et membranaires sont : (1) les coûts d'investissement et d'exploitation et d'entretien supplémentaires du système de micro-criblage nécessaire pour protéger les membranes de prétraitement ; (2) les coûts réels des produits chimiques et la fréquence du nettoyage de la membrane de prétraitement et du lavage à contre-courant chimiquement amélioré ; (3) la durée de vie utile et les coûts de remplacement des membranes de prétraitement - la plupart des analyses supposent 5 ans alors que les données opérationnelles réelles montrent que les membranes doivent être remplacées dans environ 3 ans en raison de la perte d'intégrité ; (4) hypothèse erronée selon laquelle les fabricants de membranes SWRO garantiront des fréquences de remplacement et de nettoyage des membranes RO inférieures si un prétraitement de la membrane est utilisé ; (5) le coût plus élevé du financement de projet associé à l'utilisation du prétraitement membranaire en raison du risque à long terme associé à l'utilisation d'une technologie aux antécédents limités à grande échelle, en particulier pour les installations à grande échelle.

Résumé et conclusions

Le prétraitement membranaire de l'eau de mer est une alternative intéressante à la filtration conventionnelle sur média granulaire. Cependant, compte tenu des nombreux facteurs affectant les coûts de prétraitement d'une usine de dessalement d'eau de mer à grande échelle, la sélection du système de prétraitement le plus approprié pour un projet de dessalement d'eau de mer donné doit être effectuée sur la base d'une analyse approfondie des coûts du cycle de vie qui tient compte de toutes les dépenses et des coûts réels associés à l'installation et à l'exploitation des deux systèmes.

Au fur et à mesure que l'industrie du dessalement acquiert une expérience à long terme avec l'exploitation de systèmes de prétraitement à membrane d'eau de mer au cours des cinq à dix prochaines années et que les technologies de prétraitement à membrane existantes évoluent et convergent vers des produits compatibles, standardisés et banalisés, l'utilisation de membranes UF ou MF pour le prétraitement de l'eau de mer devrait devenir plus compétitive et attrayante au fil du temps. Pendant ce temps, s'attendre à des conditions circonstancielles favorisant l'utilisation du prétraitement par membrane UF ou MF, la filtration sur média granulaire conventionnel devrait continuer à dominer les applications d'eau de mer dans un proche avenir.