Dessalement : développements en pré

La coagulation est l'un des processus de prétraitement les plus populaires pour l'élimination des salissures potentielles telles que les matières colloïdales et particulaires depuis le début du dessalement par osmose inverse dans les années 1960. La coagulation combine les petites particules en flocs plus gros en neutralisant les charges électrostatiques associées aux particules, un processus appelé floculation. Les coagulants inorganiques sont généralement utilisés dans les systèmes SWRO, tels que le chlorure ferrique, et ceux-ci peuvent être combinés avec des floculants organiques, tels que le polyélectrolyte, pour un dosage en ligne avant les processus de clarification et de filtration en aval. En plus de l'encrassement particulaire, les membranes SWRO sont sensibles à l'entartrage et à la précipitation de sel. En effet, ils fonctionnent généralement jusqu'à 50 % de récupération du système sur les applications d'eau de mer et, par conséquent, la concentration de sels peut être le double du niveau entrant dans le flux de rejet des membranes d'osmose inverse. Le contrôle du tartre peut être obtenu en dosant de l'acide (pour réduire le pH) et divers produits chimiques antitartre exclusifs ciblés sur certains ions sursaturés, comme le bore. La pré-oxydation est également utilisée pour tenter de réduire l'encrassement biologique de l'osmose inverse en ciblant les NOM, telles que les acides humiques et fulviques, mais cela peut avoir un effet néfaste sur les membranes intolérantes à l'oxydation, et certains micro-organismes et microbiotes sont résistants à l'oxydation. De plus, la chloration peut provoquer une lyse cellulaire et donc une libération de substrat qui favorise la croissance. Les produits chimiques de pré-oxydation utilisés comprennent le chlore, le bromure, l'iode ou l'ozone. L'irradiation UV peut également être utilisée avec la biofiltration pour éliminer les nutriments, et des biocides exclusifs peuvent être ajoutés en dose continue ou dans le cadre du régime de nettoyage de la membrane. Diverses combinaisons de procédés de pré-oxydation peuvent être employées, telles que les UV en conjonction avec l'ozone. L'électrochloration est utilisée pour produire du chlore oxydant à partir de l'eau de mer à l'aide d'un courant électrique, bien que cela puisse être d'un coût prohibitif dans certains endroits.

Les méthodes conventionnelles traditionnelles de traitement de l'eau de mer destinée au traitement via SWRO ont inclus la sédimentation (après coagulation en ligne), la filtration sur média et la filtration sur cartouche. La filtration a tendance à inclure des étapes simples ou doubles de filtration à double média (DMF). Alors que cette technologie de filtration a généralement été en mesure de faire face à des niveaux inférieurs de solides en suspension et d'autres contaminants, ils ont trouvé de plus en plus difficile de répondre à la nature plus flottante et fragile des algues. De plus, il est nécessaire d'augmenter le niveau de dosage du coagulant au moment de la prolifération d'algues, ce qui entraîne finalement une charge accrue de solides sur les filtres et des durées de fonctionnement des filtres invariablement plus courtes ou des lavages à contre-courant plus fréquents, tous facteurs augmentant les coûts d'exploitation. Une technologie établie qui est reconnue comme capable d'éliminer efficacement la charge d'algues, et donc de réduire la charge de solides sur les processus en aval, mais aussi de minimiser les besoins en produits chimiques coagulants, est la flottation à air dissous (DAF). Le DAF fonctionne essentiellement en libérant de l'air préalablement dissous et en dosant des coagulants dans l'alimentation pour produire un sous-nageant traité et une «boue» de déchets concentrée qui est capturée et flotte à la surface de l'unité DAF. En faisant varier la charge hydraulique sur l'unité DAF, ainsi qu'en optimisant la concentration d'air, la concentration de coagulant et le taux et le mécanisme d'élimination des boues, la meilleure efficacité DAF peut être déterminée. Comme les algues sont intrinsèquement légères et de faible densité, le matériau est naturellement adapté à la flottation par DAF plutôt qu'aux processus de décantation. L'application du DAF dans l'industrie de l'eau au sens large pour l'approvisionnement municipal en eau potable et le traitement industriel est bien établie et il a été démontré que cette technologie est fiable et robuste. Les unités DAF peuvent être fournies par un certain nombre d'entrepreneurs, y compris Enpure Ltd. Les ensembles d'Enpure, tels que les produits Enflo-DAF™, minimisent les exigences de temps de séjour de floculation à généralement 10 minutes ou moins et fonctionnent à ce jour à un débit élevé, jusqu'à 30 m/h dans les applications de prétraitement SWRO, réduisant ainsi l'encombrement requis pour l'ensemble de l'usine. D'autres types de préfiltration conventionnelle comprennent l'adsorption et la filtration multimédia (MMF). L'absorption est généralement obtenue en utilisant du charbon actif granulaire pour la réduction de la MON, soit comme média filtrant, soit en étant dosé et recirculé à travers un système de contact. Les systèmes MMF sont généralement des filtres sous pression qui fonctionnent à une vitesse plus élevée mais ont tendance à traiter des débits plus faibles que les processus DMF alimentés par gravité plus importants.

Enpure travaille actuellement sur le projet Ras Al Khair en Arabie saoudite, une usine de prétraitement DAF/DMF SWRO de 16,3 millions de livres sterling pour Doosan Heavy Industries and Construction Company Ltd sur un site de Saline Water Conversion Corporation (voir Figure 3). L'usine DAF est dimensionnée pour traiter 41 922 m3/h, et la DMF traite 39 654 m3/h. Enpure a été engagé pour concevoir le système, fournir les équipements clés et superviser l'installation, la mise en service devant être achevée en mai 2013. Une partie intégrante de la philosophie du projet était la fourniture et l'exploitation d'une phase de test pilote intégrée. Ras Al Khair est situé sur la côte est de l'Arabie saoudite et les conditions d'eau de mer brute sont généralement typiques de celles trouvées à l'extrémité nord du golfe Persique. Une usine pilote a été conçue pour traiter l'eau de mer avec des solides dissous totaux (TDS) allant de 38 000 mg/l à 47 000 mg/l et des solides en suspension totaux (TSS) allant de 20 mg/l à 40 mg/l. Le système DAF à pleine échelle entièrement automatisé comprend 16 flux du procédé EnFlo-ViteTM à haut débit d'Enpure, incorporant un système de distribution récemment développé, des mélangeurs statiques, des buses, des collecteurs, des saturateurs d'air, des pompes de recyclage, des pompes doseuses, des instruments, des vannes et des conduites forcées. Le filtrat traité du système DAF passe par écoulement par gravité vers 40 flux DMF comprenant des médias filtrants, des sols filtrants, des soufflantes, des pompes de lavage à contre-courant, des instruments et des vannes. Les étapes DAF et DMF sont nécessaires pour traiter l'eau de mer afin de répondre à des critères stricts (post DMF) avant le pompage vers l'étape du processus SWRO. Il s'agit de la turbidité <0,5 NTU et du SDI (indice de densité de limon, après un test de 15 minutes) <4 au filtrat commun du DMF. L'usine pilote DAF comprenait un seul flux EnFlo-Vite™, traitant 61,2 m3/h, suivi de quatre unités DMF traitant chacune 2,5 m3/h. L'usine pilote a terminé plus de 9 mois de fonctionnement continu. Enpure affirme que les résultats à ce jour démontrent que le processus fonctionne bien dans les limites de performance spécifiées ; avec le DMF atteignant la spécification d'eau d'alimentation SWRO requise. L'usine pilote comprenait des pompes auxiliaires, des systèmes de dosage de produits chimiques, des panneaux de commande (y compris une commande logique programmable (avec interface humaine) pour assurer un fonctionnement automatique) et un laboratoire entièrement équipé, le tout intégré dans deux conteneurs entièrement climatisés.

À l'exception du DAF, alors que les procédés conventionnels ont été largement utilisés pour le prétraitement SWRO, la nécessité d'une conception soignée et d'un contrôle étroit de l'opérateur a entraîné la popularité croissante de l'utilisation de l'ultrafiltration (UF), de la microfiltration (MF) et également, dans une moindre mesure, des systèmes de nanofiltration (NF) pour le prétraitement SWRO. Divers fabricants de technologie MF/UF garantiront SDI < 2 (à condition que les paramètres d'entrée spécifiés ne soient pas dépassés) et des tests pilotes approfondis ont été entrepris au cours des dernières décennies. Les membranes UF offrent probablement à l'ingénieur de conception de processus le meilleur équilibre entre l'élimination des contaminants et la qualité de l'alimentation OI mais, comme nous l'avons indiqué, toute sélection de processus unitaire dépendrait des conditions spécifiques au site. Il est important de noter que les systèmes UF peuvent nécessiter leur propre prétraitement dans certaines conditions et ceux-ci peuvent inclure les processus déjà décrits. La technologie DAF peut être combinée avec l'UF et pourrait, dans l'exemple de l'élimination des algues, fournir une alternative au DMF en une ou deux étapes. La coagulation peut être utilisée en amont des systèmes UF avec le potentiel d'améliorer davantage la qualité de l'alimentation SWRO. La meilleure option peut être d'utiliser un système automatisé pour utiliser une faible dose de coagulant pendant les périodes de mauvaise qualité des aliments, généralement à un tiers ou moins de la concentration requise par le prétraitement conventionnel. Cette concentration peut ensuite être réduite, potentiellement à zéro, lorsque la qualité des aliments est bonne. Comme décrit dans un article précédent sur le dessalement rentable (filtration + séparation juillet/août 2011), la manière établie d'exploiter l'osmose consiste à opérer le processus en sens inverse (osmose inverse) en appliquant une pression sur le côté eau salée de la membrane pour surmonter la pression osmotique et conduire l'eau de la solution saline vers le côté eau douce de la membrane. Cependant, les processus d'osmose directe (par opposition aux processus d'osmose inverse) offrent une nouvelle approche différente grâce au potentiel d'exploitation de l'énergie en exploitant le principe osmotique. Les systèmes conçus pour traiter l'eau filtrée en tant que technologie de prétraitement directement avant le système SWRO sont appelés systèmes d'osmose directe (FO). Une solution de tirage est utilisée dans le processus FO pour créer une force motrice permettant à l'eau douce de traverser la membrane FO. Cette solution de soutirage est plus concentrée que l'eau de mer et est une solution d'un agent osmotique, généralement du bicarbonate d'ammonium. La membrane FO est alimentée en eau salée et le perméat passe dans la solution de soutirage par osmose directe grâce à la différence de concentration. Les solutés dans la solution aspirée sont ensuite récupérés et réutilisés et la solution aspirée purifiée forme l'eau traitée pour le traitement en aval dans le système SWRO.

Différentes technologies de prétraitement élimineront souvent préférentiellement certains contaminants et auront des effets différents sur l'encrassement de la membrane SWRO. Par conséquent, le rôle de l'ingénieur de conception de processus dans la sélection des processus unitaires appropriés est essentiel pour garantir un système efficace et optimisé. L'eau d'alimentation très variable avec des contaminants tels que les algues, qui ont toujours été difficiles à traiter, présente des défis considérables. Ce n'est qu'en utilisant les expériences acquises sur d'autres sites et en les projetant sur un programme de test pilote efficace qu'un système efficace peut être développé. Il peut alors également être important de noter que la conception de procédé choisie peut ne pas fonctionner efficacement dans certaines conditions ou avec des conditions climatiques ou météorologiques changeantes affectant la composition et la température locales de l'eau de mer (voir Figure 4). Par conséquent, une surveillance et une optimisation continues du système de dessalement sont nécessaires pour s'assurer que tout changement est détecté tôt. En combinant efficacement et efficacement divers processus de prétraitement, tels que la popularité des membranes UF, l'adéquation du DAF pour résoudre les problèmes d'algues et la mise en œuvre de FO pour réduire les besoins en énergie, il sera possible d'augmenter la fiabilité globale des systèmes SWRO tout en continuant à réduire les coûts sur toute la durée de vie. Un contrôle des processus et un suivi opérationnel plus sophistiqués permettront également d'adapter les systèmes en réponse aux défis du changement climatique.