Introduction aux méthodes de prétraitement de l’eau d’appoint
Bien que les applications telles que l’appoint de tour de refroidissement ou l’eau de service pour l’infrastructure de l’usine de lavage puissent être simples, d’autres applications nécessitent une eau de haute pureté.
Ce chapitre examine les méthodes de prétraitement utilisées pour raffiner l’eau brute et réduire le potentiel de corrosion, d’entartrage et d’encrassement en aval dans les installations nécessitant une appoint de haute pureté, comme les générateurs de vapeur des services publics, les fabricants de semi-conducteurs et les usines pharmaceutiques.
Aperçu des principales sources d’eau brute et des impuretés
La section suivante présente brièvement les principales caractéristiques des fournitures de maquillage crues courantes, suivies d’un aperçu des principales impuretés contenues dans ces fournitures.
Eau de surface
L’eau recueille des particules de sable, de sol et d’autres débris, y compris des matières organiques et des microbes, lorsqu’elle coule le long de la surface de la terre. Les caractéristiques physiques et chimiques de toute alimentation en eau de surface fluctueront considérablement au fil du temps. Par exemple, les changements importants dans les solides en suspension sont courants dans les réserves fluviales à la suite de fortes précipitations. Le dépistage de gros débris, la clarification/filtration et le traitement par biocide pour contrôler l’encrassement microbiologique sont généralement nécessaires pour éliminer les particules en suspension de l’eau de surface avant l’utilisation en aval. Une filtration au carbone activée peut également être nécessaire pour les fournitures qui ont des concentrations élevées de matières organiques dissoutes.
Nappe phréatique
De nombreuses sources d’eau souterraine sont essentiellement exemptes de particules, de matières organiques et de microbes, car elles sont éliminées lorsque l’eau passe à travers le sol et les formations rocheuses. Bien que la chimie et la température des eaux souterraines aient tendance à être stables, la concentration des solides dissous varie selon la profondeur de l’aquifère et la chimie des formations à travers lesquelles l’eau passe. Les eaux souterraines peuvent avoir des niveaux élevés de dureté, d’alcalinité du bicarbonate, de silice, de métaux lourds comme le fer et même le sulfure d’hydrogène, selon l’emplacement.
Sources d’eau d’appoint RO : Gérer la qualité variable de l’eau pour maintenir l’efficacité du système
Le précipité, le carbonate de calcium (CaCO3), est le composé formant le tartre le plus problématique dans les systèmes d’eau de refroidissement et les échangeurs de chaleur depuis des décennies. Cette échelle se développe généralement dans la plomberie domestique, et elle est souvent appelée à tort la formation de tartre CaCO3 peut également se produire dans les éléments en aval des membranes d’osmose inverse en raison des concentrations continuellement croissantes de calcium et de bicarbonate dans le flux de rejet.
Aluminium (Al) : L’aluminium est souvent présent dans les particules en suspension dans l’eau brute et est éliminé par filtration mécanique. Cependant, les sels d’aluminium sont couramment utilisés comme coagulants pour les clarificateurs en amont des unités d’osmose inverse (OI). Le report de l’alimentation excessive en coagulant peut causer un grave encrassement des membranes OI. Des concentrations d’aluminium aussi faibles que 50 parties par milliard (ppb, soit environ l’équivalent de 0,050 mg/L) peuvent entraîner une baisse du rendement.
Espèce d’ammoniac et autres espèces d’azote : Les ions d’ammonium (NH4+), les nitrites (NCO2–) et les nitrates (NO3-) existent souvent dans les approvisionnements en eau de surface en petites concentrations en raison de l’activité biologique et de la dégradation des composés d’azote organique. Dans les usines utilisant l’effluent POTW pour l’appoint, des concentrations plus élevées de composés azotés sont souvent présentes. Les espèces azotées sont très solubles et ne forment pas de dépôts de tartre, mais elles fournissent des nutriments aux microbes, ce qui peut causer l’encrassement dans les systèmes d’eau de refroidissement, les membranes OI et d’autres endroits.
Baryum : Le baryum est présent dans certaines eaux de puits, avec une plage de concentration généralement inférieure à 0,05 à 0,2 ppm. La plus grande préoccupation est que le baryum peut former un tartre de sulfate dur dans les membranes OI, en particulier dans les éléments de suivi. Cette réaction de dépôt est cependant très lente et peut être contrôlée avec l’antitartre approprié. Le baryum qui a été éliminé dans l’unité d’échange de cations d’un déminéralisant peut devenir problématique pendant les régénérations avec l’acide sulfurique. Les dépôts de BaSO4 peuvent être difficiles à éliminer.
Chlorure (Cl) : Le chlorure existe dans presque toutes les eaux naturelles, mais les concentrations sont élevées dans les réserves saumâtres. Les composés de chlorure sont très solubles, mais l’ion chlorure peut être corrosif, en particulier pour l’acier inoxydable. Même les concentrations de chlorure relativement faibles dans les générateurs de vapeur à haute pression peuvent être problématiques, nécessitant une production d’eau d’appoint de haute pureté pour ces unités.
Fluorure (F) : Le fluorure existe naturellement à de faibles concentrations dans certaines eaux de puits, mais peut atteindre des concentrations allant jusqu’à 2,5 ppm dans l’eau municipale traitée au fluorure. Le fluorure de calcium (CaF2) et l’hexafluorosilicate de sodium (Na2(SiF6))peuvent causer l’entartrage dans certaines applications d’OI.
Dureté : Le calcium et le magnésium sont les principaux ions de dureté. Le calcium réagit facilement avec plusieurs anions pour former des dépôts. En plus du carbonate de calcium, deux exemples supplémentaires comprennent le sulfate de calcium (CaSO4) et le phosphate de calcium (Ca3(PO4)2). Ce dernier est devenu problématique dans les applications d’eau de refroidissement depuis le passage à la chimie du traitement au phosphate/phosphonate dans les années 1980. De même, le magnésium peut se combiner à la silice et à d’autres ions pour former des dépôts tenaces où le pH a une grande influence sur la chimie.
Sulfure d’hydrogène (H2S) : À de faibles concentrations, le sulfure d’hydrogène a une odeur d’œuf pourri et il est souvent présent dans les eaux de puits. Des taux de H2S aussi faibles que 0,1 mg/L peuvent nuire à la performance des systèmes d’OI ou de nanofiltration (NF). Si l’eau est exposée à l’air ou à d’autres oxydants, le gaz peut se transformer en soufre élémentaire ou en sulfures métalliques. Une réaction avec des oxydants entraîne généralement des dépôts noirs ou gris, ce qui entraîne la formation d’un résidu qui encrasse les membranes OI.
Fer (Fe) et manganèse (Mn) : Le Fe et le Mn peuvent exister dans un état soluble ou particulaire dans l’eau. Les espèces dissoutes sont courantes dans les eaux de puits où l’absence d’air établit des conditions de réduction. La coloration des toilettes et des lavabos se produit fréquemment dans les maisons sur l’eau de puits, car les deux éléments réagissent avec l’oxygène pour former des précipités foncés. De même, dans les eaux de surface, ces éléments se combinent à l’oxygène pour former des particules. Les deux éléments peuvent encrasser les résines échangeuses d’ions et les membranes OI, et ils peuvent catalyser les attaques oxydatives des membranes OI. Une ligne directrice courante pour protéger les systèmes d’eau contre l’encrassement du fer et du manganèse est de maintenir une concentration inférieure à 0,05 mg/L pour chacun. Dans les systèmes de prétraitement avec clarificateurs et filtres multimédias de polissage, les particules de fer et de manganèse sont souvent capturées. Cependant, pour certaines applications, comme l’alimentation directe en eau de puits vers l’équipement de traitement, des feuilles de manganèse et une filtration peuvent être nécessaires pour éliminer les métaux.
Orthophosphate (PO4) : Le phosphate peut être présent dans les fournitures de surface en raison du ruissellement des engrais des champs agricoles. Des concentrations élevées de phosphate sont courantes dans l’effluent POTW, en particulier si le traitement secondaire est l’étape finale du processus. Comme l’alcalinité naturelle, l’orthophosphate existe chez diverses espèces, comme H3PO4, H2PO4-, HPO42−et PO43−, selon le pH de l’approvisionnement. Dans certains systèmes, comme les tours de refroidissement, où l’eau « monte », le contrôle du dépôt de phosphate de calcium Ca3(PO4)2est extrêmement important.
Silice (SiO2) : La silice peut exister sous forme soluble, colloïdale ou particulaire. Comme la silice est un composant principal du sol et de la croûte terrestre, les particules dans les eaux de surface contiennent généralement de grandes quantités de silice. Cependant, ce formulaire n’est pas chimiquement réactif et peut être retiré de l’eau à l’aide d’une clarification et/ou d’une filtration standard. La silice dissoute, communément appelée silice réactive, est l’espèce de silice la plus problématique. À un pH légèrement acide, il peut former des dépôts SiO2 durs et tenaces. À l’inverse, à des niveaux de pH de 8 et plus, la silice a tendance à réagir avec les métaux, y compris le Ca, le Mg, le Fe, le Mn et l’Al, pour former un tartre tenace de silicate métallique. Une ligne directrice courante pour les opérations de l’unité, y compris l’OI et les tours de refroidissement, est une limite de silice réactive d’environ 120 à 150 mg/L (à température ambiante) n’importe où dans le système. Dans certaines conditions, la silice peut se polymériser pour former des colloïdes. Ils ne réagissent pas à la température ambiante. Avant l’introduction de l’osmose inverse dans l’industrie de l’électricité, des difficultés sont survenues lorsque des événements comme la pluie abondante ont délogé la silice colloïdale des sédiments inférieurs des fournitures de surface. Cela a entraîné la pénétration de colloïdes dans le flux de maquillage. Bien que ces colloïdes non réactifs passeraient proprement à travers la résine échangeuse d’anions du déminéralisant, ils se décomposeraient ensuite en silice réactive à l’intérieur de la chaudière.
Sulfate (SO4) : Bien que le sulfate puisse se combiner à de nombreux cations, ceux qui sont le plus préoccupants pour les systèmes de maquillage sont le calcium, le baryum et le strontium, chacun capable d’encrasser les membranes OI. Les régénérations de résine cationique déminéralisante sont souvent effectuées par étapes, avec des doses d’acide sulfurique plus faibles au début du processus pour contrôler la précipitation de la CaSO4. Au fur et à mesure que le calcium est éliminé, la concentration d’acide peut être augmentée.
Matières dissoutes totales (TDS) : La MDT mesure le nombre de composés dissous, inorganiques et organiques, dans un échantillon d’eau. La procédure typique consiste à filtrer l’échantillon pour détecter la présence de particules, puis à sécher un volume mesuré jusqu’à ce qu’il soit complet dans un four à une température légèrement supérieure au point d’ébullition. La MDT est approximativement corrélée à la conductivité spécifique (S.C.) de l’eau, par conséquent les lectures S.C. sont couramment utilisées pour la surveillance générale et le contrôle chimique de nombreux systèmes, y compris l’OI. Les meilleures pratiques suggèrent un facteur de conversion conductivité-TDS de 0,65, mais ce rapport est variable en fonction des espèces ioniques dans la solution.
Carbone organique total (TOC) : LE TOC EST LA MESURE DU CARBONE ORGANIQUE DANS LES SYSTÈMES AQUEUX. Une limite supérieure de TOC de 3 mg/L doit être maintenue pour éviter l’encrassement grave de l’OI et du déminéralisant. Les composés organiques communs aux eaux brutes comprennent les tanins, les lignines et les acides humiques, qui sont de grosses molécules qui ont un potentiel d’encrassement important.
Turbidité : La clarté ou la turbidité d’un échantillon d’eau est liée aux particules en suspension dans l’échantillon. Visuellement, l’eau peut sembler trouble ou trouble. Les néphélomètres modernes fournissent des mesures précises avec des lectures signalées comme des unités de turbidité néphélométrique (NTU). Certains systèmes modernes de microfiltration et d’ultrafiltration peuvent produire une alimentation RO avec des turbidités inférieures à 0,05 NTU.
Des analyses complètes et précises de l’eau brute, de préférence sur une période suffisante pour mettre en évidence les variations saisonnières, sont essentielles pour déterminer la conception de prétraitement appropriée pour protéger l’équipement de haute pureté en aval.
Méthodes de prétraitement
Bien que l’objectif principal de cette section soit le prétraitement des eaux de surface, elle discutera également des détails sur d’autres sources de maquillage. Nous commencerons par la technologie bien établie de clarification pour l’élimination des solides en suspension.
Six façons d’optimiser le prétraitement de votre usine
La figure 2.1 illustre les gammes de solides dissous et en suspension dans l’eau et met en évidence les techniques de filtration pour l’élimination des solides.
Figure 2.1. Taille relative des solides en suspension et dissous
Une cuvette de décantation d’entrée, une caractéristique principale de certains systèmes de prétraitement de l’eau d’appoint, réduit le débit linéaire de l’affluent et permet aux matériaux plus gros de précipiter par gravité. Cependant, de nombreuses petites particules restent après ce processus. En général, ces particules sont légères, chargées négativement et mutuellement répulsives. Les clarificateurs, qui utilisent des méthodes physiques et chimiques, sont couramment utilisés pour éliminer ces solides. Les clarificateurs de style plus ancien s’appuyaient sur un grand volume pour améliorer le tassement. Un exemple est illustré à la Figure 2.2.
Figure 2.2. Grands clarificateurs circulaires.
Les clarificateurs de ce style ont généralement des taux d’augmentation, c’est-à-dire le rapport entre le débit du produit et la surface en haut du clarificateur, de 0,5 à 1,5 gal/min/pi2. Des taux de montée bas sont nécessaires pour permettre aux additifs chimiques de réagir avec les solides en suspension. Le processus normal, comme indiqué à la figure 2.3, est l’ajout de coagulants (composés chargés positivement) pour réduire la charge négative sur les particules, suivi d’un traitement par floculant pour coalcer les particules coagulées en plus grands flocs qui se déposent.
Figure 2.3. No 1, Solides en suspension dispersés; no 2, Particules neutres coagulantes;
N° 3, Formation de la flottaison.
Technologie et équipement de clarification
Les paramètres de conception courants pour les clarificateurs de base sont :
Flux : Défini comme gpm, gallons par jour (gpj) ou pieds cubes par minute (pi3/minute)
Calcul du temps de conservation : Volume du clarificateur divisé par le débit. Les unités sont généralement exprimées en minutes ou en heures. La plage typique est d’une à quatre heures.
Calcul du débit du clarificateur horizontal : Débit d’entrée (pi3) divisé par la zone transversale du clarificateur (pi2). Les unités se calculent à pieds/minute.
Taux de montée (ou charge hydraulique) : Débit d'entrée en gpm divisé par la surface du clarificateur en pi2. Dans les conceptions originales de clarificateurs, le taux de montée typique variait de 0,5 à 1,5 gal/min/pi2. 25 gal/min/pi2 ou plus est possible dans certaines unités modernes, comme nous en discuterons bientôt.
Clarifier le taux de débordement du déversoir : Débit d’entrée en gpd/pieds linéaires du déversoir, généralement de 10 000 à 20 000 gpd/pieds linéaires.
Les clarificateurs conventionnels comprennent une zone de mélange rapide, une zone de floculation à mélange lent et une grande zone de décantation. Deux types communs sont illustrés ci-dessous, qui offrent tous deux de longs temps de résidence hydraulique et nécessitent une grande empreinte.
Figure 2.5. Clarificateur de recirculation des boues
Figure 2.6. Clarificateur de recirculation des boues – Conception alternative
Un mélange et une coagulation rapides se produisent dans le cylindre d’entrée du clarificateur. La floculation a lieu sous la hotte beaucoup plus grande, où les débits linéaires sont plus faibles. Le tassement a lieu dans les régions extérieures du bâtiment où les particules fraîchement floculées sont capturées par la couverture de boue établie. Les râteaux inférieurs éliminent la boue accumulée pour l’élimination ou le traitement ultérieur dans un filtre-presse. Les inclinaisons inférieures peuvent fonctionner en continu ou sur un programme temporisé. La purge des boues peut être automatisée ou manuelle, généralement sur une base périodique. Pour une purge manuelle, l'opérateur doit se rappeler d'arrêter la purge au bon moment. Dans certains cas, les opérateurs ont purgé toute la couverture de boue, ce qui a entraîné le transfert des solides en suspension du clarificateur. Une fois cela fait, des efforts considérables sont nécessaires pour restaurer la couverture de boue.
La figure 2.7 illustre un clarificateur rectangulaire, avec les zones de mélange rapide, de floculation et de décantation clairement définies. Une version encore plus moderne d’un clarificateur rectangulaire apparaît sous peu.
Figure 2.7. Clarificateur rectangulaire
Le faible taux d’augmentation des clarificateurs précoces, et l’encombrement important qui l’accompagne, a incité les ingénieurs à produire des unités avec des taux d’augmentation plus élevés, une meilleure efficacité et des tailles plus petites. L’un des premiers développements à cet égard a été le clarificateur de lamelles.
Figure 2.8. Clarificateur Lamella
Les clarificateurs Lamella ont des plaques inclinées qui améliorent l’interaction des particules qui s’écoulent vers le haut, les particules plus lourdes s’installant vers le bas. Des taux d’élévation hydraulique de 6 gal/min/pi2 sont possibles, bien qu’une unité puisse ne pas atteindre ces taux si l’eau d’entrée contient des solides en suspension excessifs, qui peuvent s’accumuler entre les plaques. Les solides peuvent alors déborder dans l’effluent, ce qui nécessite une réduction de la charge.
Une modification de la conception de lamelles comprend le recyclage des boues pour améliorer l’efficacité, comme le montre la figure 2.9. Le flux de recyclage amorce le processus. Cette modification offre une flexibilité opérationnelle pour les variations de la qualité de l’eau d’entrée.
Figure 2.9. Recirculation des boues dans un clarificateur Lamella
La conception ballastée est une avancée moderne dans la technologie de clarificateur qui, en partie, est basée sur le concept de recyclage. Une configuration bien connue, Acti-Flo®, est illustrée ci-dessous.
Figure 2.10. Schéma du flux de processus d’Acti-Flo®.
L’unité a des zones de mélange rapides et lents conformes aux méthodes normales de coagulation et de floculation, et sa caractéristique importante est l’injection et la recirculation du micro-sable. Les particules de sable rassemblent les flocs, mais se déposent rapidement dans le clarificateur principal avec ses plaques lamelles, car elles sont beaucoup plus lourdes. Avec les systèmes à ballast, des taux d’augmentation de 25 gal/min/pi2 ou plus sont possibles. Comme le montre la figure, une hydrocyclone fait partie intégrante du processus. Le mouvement circulaire que l’hydrocyclone a transmis fait sortir les particules de microsable plus lourdes par le sous-débit et dans le processus, tandis que les particules de floc libérées sortent du trop-plein pour l’élimination finale. Ce processus récupère la plupart du microsable, réduisant considérablement les ajouts frais.
Bien que d’autres systèmes similaires aient évolué, ils présentent des différences clés. Un bon exemple est le processus Co-Mag® avec un matériau de ballast de l’oxyde de fer, la magnétite (Fe3O4). Ce processus s’est révélé un traitement efficace pour les eaux usées industrielles contenant des métaux lourds, dont certains coprécipitent bien avec la magnétite et sont directement retirés de la solution.
Clarifier les variables de fonctionnement et les techniques de surveillance/dépannage
L’étape initiale de l’évaluation du programme de chimie approprié pour un nouveau clarificateur est l’essai en pot, souvent effectué sur un site où les échantillons de maquillage bruts sont accessibles.
Figure 2.11. Un agitateur mécanique courant pour les tests en pot. En général, les mélangeurs sont réglés à une vitesse rapide pour l’ajout de coagulant, puis sont ralentis pour l’ajout de floculant.
Avec les tests en pot, les coagulants et les floculants doivent être testés en combinaison, et les tests peuvent prendre du temps pour optimiser la chimie et les débits de dosage.
Figure 2.12a. Mauvaise boue de décantation, tests supplémentaires nécessaires. Figure 2.12b. Boue bien réglée.
Comme l’illustrent les figures 2.13a et 2.13b, les résultats d’un essai en pot bien mené ont aidé à transformer la performance historiquement troublée d’un clarificateur adoucissant la chaux en un fonctionnement plus fiable.
Figure 2.13a. Clarificateur avec mauvaise sélection de coagulant/floculant
Figure 2.13b. Le même clarificateur avec coagulant ajusté et chimie du floculant initialement calculé à partir d’essais en pot et optimisé sur le terrain.
Les tests en pot ne sont pas uniformes et sont uniques à chaque site. Pour de meilleurs résultats, les tests doivent être effectués par un professionnel expérimenté.
Les points d’alimentation coagulants et floculants doivent demeurer conformes aux directives décrites plus haut dans ce chapitre. En plus du traitement par coagulant/flocculant, une alimentation en biocide oxydant (souvent javellisant) est courante pour les clarificateurs bien en amont afin de fournir un temps de contact maximal.
Lors du démarrage du nouveau système et périodiquement pour les systèmes existants, des tests sont nécessaires pour s’assurer que les produits chimiques sont alimentés aux bonnes doses. Les systèmes d'alimentation chimique correctement conçus comprennent un cylindre gradué avec une connexion en « T » à la conduite d'aspiration de la pompe pour mesurer les débits d'alimentation chimique. Pour un fonctionnement normal, de nombreux systèmes utilisent des communications électroniques qui ajustent automatiquement les débits d’alimentation en produits chimiques en fonction des lectures du débit d’eau d’entrée. Les données peuvent être affichées à distance au système d’alimentation en produits chimiques et dans la salle de contrôle de l’usine.
Les concentrations de solides de clarificateur indiquent l’inventaire des solides disponibles pour la réaction. La plupart des clarificateurs comprennent des robinets d’échantillonnage installés à différentes hauteurs pour la collecte de solides.
Un échantillon de 1 000 ml recueilli dans un cylindre gradué peut se déposer pendant dix (10) minutes. Le test, également appelé volume réglé sur le volume initial (V/Vo), doit se situer dans la plage cible de 20 à 40 % de solides de boue.
Figure 2.14 – Test V/Vo des solides dans les boues
Ces tests peuvent aider à contrôler la purge à partir des clarificateurs et fournir des observations visuelles de la qualité du surnageant, comme l’eau claire au-dessus des solides déposés.
Dans un clarificateur fonctionnant correctement, la boue forme une couverture distincte qui peut être observée depuis le-dessus du clarificateur, comme le montre la figure 2.13b. Le fournisseur du clarificateur doit fournir une gamme recommandée de couvertures de boues. La mesure du niveau est importante pour s’assurer qu’une couverture suffisante est présente pour recueillir de nouveaux flocs, et les données sont également importantes pour contrôler la purge. Plusieurs méthodes sont disponibles pour mesurer la profondeur des boues, y compris l’abaissement d’une corde nouée à des intervalles d’un pied avec une plaque fixée à l’extrémité. La plaque disparaîtra lorsqu’elle sera exposée au dessus du lit à boues, ce qui permettra de déterminer avec précision la profondeur de la boue. De plus, une autre méthode utilise un échantillonneur Sludge Judge®, qui trace physiquement le profil de l’eau dans le clarificateur. L'échantillonneur comporte des marquages par incréments d'un pied pour mesurer la profondeur des boues et fournir un profil de qualité de l'eau. Les systèmes sonar sont également disponibles pour mesurer la profondeur des boues.
Figure 2.15. Illustration d’un juge de boue.
Un contrôle minutieux de la profondeur des boues par purge est une priorité, car l’accumulation excessive de boues peut entraîner un transfert de particules dans l’effluent ou le colmatage de la tuyauterie d’extraction des boues. Un excès de purge peut également dégrader la performance du clarificateur en retirant le matériau qui capture les flocs nouvellement formés. Cette situation peut nécessiter le réamorçage du clarificateur avec des agents artificiels. La litière pour chat est un matériau de semence commun.
La turbidité des effluents est une mesure importante pour la performance du clarificateur. Les instruments de turbidité électroniques sont bien établis pour mesurer la quantité de lumière dispersée par le matériau dans l’eau, comme le montre la figure 2.16.
Figure 2.16. Illustration graphique de la mesure de la turbidité.
Le limon, les matières organiques et inorganiques finement divisées, les algues, les organismes microscopiques et les composés organiques colorés solubles sont des exemples de matériaux qui influencent la turbidité. La surveillance de la turbidité de l’entrée et de la sortie du clarificateur fournit des données comparatives précieuses.
Figure 2.17. Un modèle de turbidimètre en ligne. Les lectures sont en unités de turbidité néphélométrique, comme discuté plus haut dans ce chapitre. Photo gracieuseté de Hach.
Le moniteur continu peut être réglé pour déclencher une alarme lorsque les conditions de turbidité sont excessives. Une turbidité élevée dans l’entrée peut nécessiter un ajustement des débits d’alimentation en produits chimiques et, dans les cas graves, des tests supplémentaires du bocal et des ajustements chimiques.
Plusieurs facteurs peuvent perturber la performance du clarificateur, comme les changements dans la chimie de l’eau, la température ou un pic soudain de débit qui augmente le taux d’augmentation et provoque l’expansion de la couverture. Les fluctuations des solides en suspension sont courantes dans les clarificateurs qui traitent les approvisionnements en eau de surface, en particulier lors des événements de précipitation lourde. De plus, le renouvellement du lac au printemps et en automne peut augmenter la concentration en solides en suspension. Inversement, l’effet inverse peut être gênant si une diminution de la charge en solides en suspension fait rétrécir la couverture de boue.
Les clarificateurs fonctionnant efficacement produisent généralement de l’eau avec une turbidité de 2 NTU ou moins et des concentrations de solides en suspension inférieures à 5 ppm. Ces valeurs peuvent être abaissées avec la filtration en aval, qui est courante et qui sera abordée plus loin dans ce chapitre.
Dans certains cas, des concentrations élevées de dureté, d’alcalinité et de silice peuvent nécessiter un traitement chimique supplémentaire pour précipiter une partie de ces éléments et composés afin de réduire le potentiel de formation de tartre du maquillage. La section suivante examine cette technologie.
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L’objectif de l’adoucissement par précipitation est de former des solides de dureté insolubles, en particulier le carbonate de calcium (CaCO3) et l’hydroxyde de magnésium (Mg(OH)2), qui sont retirés du clarificateur avec des solides en suspension. De plus, une certaine silice peut coprécipiter avec de l’hydroxyde de magnésium.
En association avec la chaux, un traitement supplémentaire avec du carbonate de sodium (Na2CO3 ou de la cendre de soude) peut être nécessaire. Pour fournir un contexte permettant de comprendre la chimie des réactions d’adoucissement de la chaux, envisagez l’échantillon d’eau d’appoint brute suivant, qui détaille les principaux cations et anions et leurs équivalents en carbonate de calcium.
Figure 2.18. Un exemple d’eau brute pour illustrer l’équilibre cation-anion majeur.
Les eaux naturelles, où les cations et les anions sont équilibrés, sont neutres sur le plan électrique. Les équivalents de CaCO3servent d’outil comptable qui indique l’équilibre cation-anions global, qui comprend des espèces monovalentes comme les ions sodium (Na+) et chlorure (Cl–), et les ions divalents Ca2+, Mg2+ et SO42−.
Cet outil de comptabilité permet d’afficher le graphique à barres suivant, qui montre comment les ions s’associent dans l’eau.
Figure 2.19. Association des ions dans l’eau. Valeurs tirées de la Figure 2.20.
La dureté associée à l’alcalinité du bicarbonate ou aux espèces connexes est appelée dureté « carbonate » ou « temporaire ». La dureté associée au chlorure ou au sulfate est connue sous le nom de dureté permanente et nécessite l’ajout de cendre de soude.
Les réactions de dureté avec la lime hydratée sont :
Il est à noter que dans les équations 2.9 et 2.10, aucune dureté n’est réduite. Le chlorure de magnésium et le sulfate sont remplacés par le chlorure de calcium et le sulfate de calcium.
Selon les exigences finales en matière de dureté, la dureté sans carbonate de calcium présente dans l’eau brute et créée à partir des équations 2.9 et 2.10 peut être réduite avec la cendre de soude.
CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3↓ + 2NaCl Éq. 2-11
CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3↓ + Na2SO4 Éq. 2-12
La nécessité d’alimenter la cendre de soude en conjonction avec la chaux est déterminée par la composition de l’eau brute et les exigences de dureté de l’eau traitée.
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Revitalisants pour lits de boues et coagulants/floculants
Les clarificateurs adoucissants produisent des boues importantes, comme le démontrent les réactions de précipitation ci-dessus. Cependant, si l’eau brute a une concentration appréciable de solides en suspension, l’adoucissement seul peut ne pas éliminer suffisamment de solides. Cela peut entraîner une turbidité indésirable de l’eau traitée. Dans ce cas, un coagulant cationique peut être nécessaire pour conditionner l’affluent du clarificateur. Les floculants de poids moléculaire élevé peuvent aider à la décantation et assurer un effluent toujours clair.
Si le transfert de solides dans l’effluent du clarificateur devient problématique, une méthode simple comme le test de dureté acidifiée peut révéler la source. Pour effectuer un test de dureté acidifiée, l’acide est ajouté à une portion d’un échantillon fractionné, où l’acide dissout les produits de réaction adoucissants. Les mesures de dureté subséquentes sur les deux échantillons révéleront la différence de dureté, le cas échéant. Si la dureté de l’échantillon acidifié est beaucoup plus élevée, le soupçon relève de la chimie adoucissante. Si ce n’est pas le cas, la chimie de la coagulation/flocculation doit être étudiée.
Les clarificateurs d’adoucissement de chaux reposent sur une conception de contact avec un lit de boue ou des solides pour augmenter la taille des précipités nouvellement formés, tout comme les clarificateurs conçus pour l’élimination des solides en suspension. Cependant, les précipités d’adoucissement de la chaux peuvent avoir des propriétés différentes de celles des clarificateurs de solides en suspension de base, y compris une plus grande densité et un plus grand volume. L’établissement d’un lit stable peut nécessiter un revitalisant pour boues. Un bon exemple est si le rapport calcium/magnésium est élevé. Le précipité d’hydroxyde de magnésium agit comme un agent revitalisant naturel du lit qui garantit que la boue est bien suspendue. Si l’hydroxyde de magnésium est insuffisant, la boue peut devenir très lourde et difficile à circuler. L’alimentation supplémentaire en aluminium et en coagulant de fer peut générer un floc d’hydroxyde plus léger qui améliore les propriétés de la boue.
Adoucissant à la chaux chaude
Le ramollissement à la chaux était autrefois une méthode courante pour le prétraitement primaire de l’eau d’alimentation des chaudières industrielles, mais les technologies modernes, comme l’OI, ont remplacé le ramollissement à chaud dans une mesure significative.
Le ramollissement à chaud utilise des températures élevées pour réduire la dureté à des niveaux bas en injectant de la vapeur pour chauffer l’eau à environ 235 °F, ce qui équivaut à une pression de 10 psig. Un évent sur le dessus de l’appareil est nécessaire pour maintenir la température et la pression appropriées et pour permettre à l’air libéré de l’eau de s’échapper. Les adoucisseurs chauds sont souvent sélectionnés pour préchauffer le maquillage et fournir une dégazage pour les chaudières industrielles à basse pression. Les unités peuvent réduire les concentrations de dureté bien en dessous de ce que les adoucisseurs de chaux froids peuvent atteindre.
Les adoucisseurs à chaud sont conçus comme des couvertures de boue à circulation ascendante ou des unités à circulation descendante. Dans la conception à circulation ascendante, les produits chimiques et la vapeur sont alimentés en haut de l’unité dans un entonnoir interne. La recirculation des boues est courante.
Figure 2.22. Conception de base d’un adoucisseur chaud de couverture de boue à circulation ascendante.
Les réactions d’assouplissement commencent dans le bas de l’entonnoir. Le mélange est dirigé vers le fond de l’unité et dans une couverture de boue préétablie où de grands précipités se forment sur des solides précipités précédemment. En général, la dureté peut être réduite à moins de 5 mg/L. L’eau traitée s’écoule vers le haut et hors de l’appareil.
Un adoucisseur à circulation descendante repose fortement sur les boues recirculées.
Figure 2.23. Conception de base d’un adoucisseur de processus à chaud à circulation descendante.
Comme dans la conception à circulation ascendante, des produits chimiques, de la vapeur et des boues recyclées sont introduits en haut de l’unité. L’eau s’écoule vers le bas à travers le réservoir tandis que les précipités s’accumulent au fond et sont retirés ou recirculés au besoin. L’effluent s’écoule vers le haut à travers la hotte, puis dans le processus. Les concentrations de dureté peuventêtre réduites à moins de 15 mg/L dans cette conception.
Filtration
La clarification élimine de nombreux solides qui pourraient causer l’entartrage et l’encrassement dans les systèmes de refroidissement des usines industrielles, les échangeurs de chaleur, les chaudières, les systèmes de traitement d’appoint de haute pureté et d’autres équipements. Normalement, une forme de filtration est également utilisée pour éliminer davantage les solides. Dans certains cas où le maquillage brut est de l’eau douce propre, comme à partir d’un lac ou d’un réservoir, la filtration (microfiltration et ultrafiltration comme décrit dans une section ultérieure) peut être suffisante pour l’élimination des solides en suspension. Cependant, les fournitures de rechange offrent des défis plus importants aux processus de prétraitement, y compris la filtration. En plus de l’élimination des particules, d’autres formes de filtration peuvent également être utilisées pour éliminer les oxydants, le fer dissous et le manganèse, ou les impuretés supplémentaires.
Filtres multimédias
Les filtres pour milieux de culturereposent sur des lits stratifiés de matériau pour éliminer les particules de tailles variables. Ces filtres sont de type gravité ou pression. Les filtres par gravité comptent sur la gravité pour forcer l’eau à travers le milieu avec un débit typique de 2 à 4 gal/min/pi2 de surface. En raison de leur taille plus petite, les filtres à pression sont courants et peuvent être livrés hors tablette. Le débit des filtres à pression est généralement de 4 à 6 gal/min/pi2.
La figure 2.24 présente une conception de filtre multimédia commune.
Figure 2.24. Un schéma de filtre multimédia commun.
Les différents médias fonctionnent ensemble pour éliminer les particules de taille variable, comme suit :
Anthracite : L’anthracite est de forme irrégulière et présente des grains fracturés, offrant une bonne filtration des particules en suspension plus grosses. Un diamètre de grain typique varie de 0,95 à 1,05 mm. L’anthracite n’est pas aussi durable que le sable ou le grenat et se fracturera en grains plus petits, qui s’échappent graduellement pendant les lavages à contre-courant. Cela rend le réapprovisionnement périodique nécessaire.
Sable : Les grains de sable ont généralement une taille d’environ 0,4 à 0,55 mm, avec une moyenne de 0,5 mm. La plupart des solides en suspension sont piégés dans les quatre à six pouces supérieurs de la couche de sable. L’accumulation de cette couche de « gâteau » ou de passe-partout, communément appelée « schmutzdecke » en Allemagne, augmente graduellement la chute de pression sur le lit. Sans lavage à contre-courant régulier, les particules peuvent obstruer de façon irréversible le lit et potentiellement pénétrer à travers celui-ci.
Grenat : Le grenat est le support le plus lourd et le plus petit, avec des diamètres de grain allant de 0,25 à 0,3 mm. Il agit comme une couche de polissage.
La combinaison de l’anthracite, du sable et du grenat filtre progressivement les particules de grande à petite taille. Un filtre multimédia commun, par exemple, peut contenir :
18 pouces d’anthracite
12 pouces de sable
grenat de 6 pouces
L’espace vide des différents supports peut également influencer le chargement sur les différents lits.
Anthracite, ~50 %
Sable, ~39 %
Grenat, ~47 %
Considérez l’exemple suivant d’un filtre avec un débit de 4 gal/min/pi2. La vitesse linéaire à travers l’anthracite peut être déterminée avec les calculs suivants qui intègrent les données d’espace vide illustrées ci-dessus.
4 gal/min/pi2 ÷ 7,48 gallons/pi3 = 0,53 pi/min
0,53 pi/min ÷ 0,5 = 1,06 pi/min
À mesure que le flux se déplace dans la couche de sable, le calcul devient :
0,53 pi/minute ÷ 0,39 = 1,36 pi/minute
Un calcul similaire peut être effectué pour le grenat.
Lorsque l’eau s’écoule dans le filtre, les particules subissent un impact accru avec l’anthracite en raison de l’augmentation de la vitesse. Le même effet se produit dans le sable. Si les particules entrantes sont délicates, ce qui est courant dans l’effluent du clarificateur, il y a une forte probabilité qu’elles se fracturent en matériau plus fin. Cet effet illustre l’importance de la couche de grenat pour le polissage, qui peut éliminer les particules jusqu’à 10 microns.
Bien que les filtres multimédias soient considérés comme de faible technologie, il est toujours important de surveiller leur fonctionnement et de maintenir une performance constante. Un filtre défectueux peut gravement encrasser l’équipement en aval, notamment les unités OI. Un agent filtrant (faible dose de coagulant cationique) peut être efficace pour améliorer l’élimination des solides en suspension. Cependant, il faut faire preuve de prudence, car les coagulants/floculants cationiques peuvent encrasser gravement les membranes OI, qui ont généralement une charge négative.
La turbidité de l’effluent et les chutes de pression dans le milieu sont des paramètres importants pour la surveillance de la performance du filtre. La liste suivante décrit les initiateurs courants du lavage à contre-courant :
.PC, GÉNÉRALEMENT 10 PSI AU-DESSUS DE LA VALEUR DE RÉFÉRENCE
Turbidité
Débit
Heure
La surveillance continue des différentiels de pression fournit généralement les résultats les plus fiables pour initier le lavage à contre-courant.
Le flux de lavage à contre-courant s’écoule en même temps que le flux de processus normal. Par conséquent, le taux de lavage à contre-courant doit être calculé en fonction du média le plus léger de l’unité, l’anthracite, et doit tenir compte de la température. La densité de l’eau augmente considérablement avec la baisse de la température. Si le taux de lavage à contre-courant n’est pas ajusté pour la température de l’eau ou est supérieur aux directives de fonctionnement à n’importe quelle température, l’anthracite sera éliminé.
Si la soupape de lavage à contre-courant s’ouvre rapidement, la surtension d’eau peut provoquer des éclatements de produit qui expulsent le produit de l’appareil. Une solution typique implique une approche par étapes de l’admission d’eau, où les vannes sont maintenues partiellement ouvertes pendant plusieurs minutes avant d’être complètement ouvertes.
Bien que le lavage à contre-courant soit la clé d’une performance constante du filtre, le média peut tout de même accumuler des débris qui nécessitent des nettoyages périodiques. L’encrassement biologique est possible, bien que l’alimentation en amont d’un biocide oxydant aidera à contrôler la croissance microbiologique. Pour déterminer si l’encrassement est devenu problématique, des tests de lames de trempage des bactéries aérobies doivent être effectués simultanément sur les flux d’entrée et de sortie. Si les concentrations bactériennes sont plus élevées à la sortie, c’est un signe que des colonies bactériennes sont présentes dans le milieu. Un nettoyage hors ligne avec une combinaison d’eau de Javel et de surfactant peut être efficace. Une procédure courante consiste à injecter les produits chimiques de nettoyage dans l’appareil par le système de lavage à contre-courant, en laissant la solution tremper le milieu pendant une période prolongée.
Les matières particulaires entraînées dans l’eau sont connues sous le nom de solides en suspension; le terme de rapport analytique est le total des solides en suspension (STS).Le contrôle des solides en suspension est important pour minimiser les accumulations de boues au rejet de l’usine et pour empêcher les matières toxiques entraînées d’être déchargées avec les solides. Le TSS peut être une exigence de déclaration et il s’agit d’une méthode pour évaluer la performance des systèmes de coagulation chimique/flocculation, des systèmes de filtration et des systèmes de traitement des boues activées.
L’huile et la graisse font référence aux graisses, huiles, cires et autres matériaux connexes présents dans les eaux usées. L’analyse de l’huile et de la graisse (O&G) identifie ces encrassements qui peuvent être présents dans les rejets d’eaux usées. La réduction de l’huile et de la graisse est souvent nécessaire en amont des systèmes de traitement des eaux usées biologiques, car un O&G excessif peut encrasser l’équipement et réduire l’efficacité d’absorption d’oxygène des micro-organismes de boue activés.
Plus loin, les sections de ce chapitre abordent les techniques d’écrémage de l’huile et de flottaison de l’air dissous (FAD) pour l’élimination de l’huile et du gaz naturel.
De nombreux flux d’eaux usées contiennent des composés acides ou alcalins (de base). Ceux-ci peuvent gravement nuire aux organismes aquatiques. Une plage de pH de décharge NPDES commune est de 6,0 à 9,0. (Certaines lignes directrices locales ou régionales peuvent avoir une fourchette légèrement différente.)
Le chapitre 7a fourni des détails sur l’alimentation en biocide oxydant et non oxydant pour le contrôle de l’encrassement microbiologique du système de refroidissement. La réduction des concentrations résiduelles de biocide à la décharge de l’usine peut être nécessaire pour certains systèmes d’eaux usées.
Dans les raffineries, les usines pétrochimiques et les installations connexes, les produits chimiques organiques apparaissent souvent dans les flux d’eaux usées. Ces composés peuvent aller de petites molécules à de grandes chaînes, et certains peuvent être directement toxiques pour les créatures aquatiques, les animaux et les humains. De plus, les matières organiques et les O&G (et les nutriments tels que l’azote et le phosphore) influencent directement la demande biochimique en oxygène (DBO) et la demande chimique en oxygène (DCO) des eaux de réception.
Le test BOD5 mesure les charges de polluants organiques dans les eaux usées. Selon la référence 2, la DBO « est généralement mesurée en déterminant la quantité d’oxygène utilisée par les organismes aquatiques appropriés pendant une période de cinq jours tout en décomposant les polluants organiques ». Les essais BOD sont généralement requis pour les effluents d’eaux usées industrielles et municipales. De nombreuses usines industrielles n’ont pas le personnel ou l’équipement formé pour effectuer des analyses BOD5 et doivent soumettre des échantillons à un laboratoire certifié.
Le test COD utilise un puissant oxydant chimique, le dichromate de potassium, pour oxyder la matière organique de tous types. En général, les analyses de COD produisent une lecture plus élevée que les résultats de BOD, car plus de composés sont chimiquement oxydés que biologiquement oxydés. Les analyses de COD peuvent être effectuées en deux à trois heures et sont un paramètre important pour surveiller la performance du traitement des eaux usées. Des entreprises telles que Hach, CHEMetrics etCole Parmeroffer analytique pour effectuer des analyses d’échantillons COD sur place.
Les espèces d’azote (principalement l’ammoniac et le nitrite/nitrate) et le phosphore (sous forme de phosphates) fournissent des nutriments primaires aux microorganismes et créent une demande en oxygène sur le flux récepteur s’ils sont directement déversés dans les plans d’eau récepteur. Les fleurs d’algues toxiques sont devenues un problème majeur dans de nombreuses régions du pays et sont fortement corrélées aux décharges nutritives et aux eaux de réception. Les sources non ponctuelles (ruissellement de la ferme, etc.) fournissent une partie importante des nutriments finalement déversés dans les eaux de réception, bien qu’il soit très difficile de les mesurer et de les gérer. Les sources ponctuelles (installations industrielles, travaux de traitement publics, etc.) sont généralement plus faciles à surveiller pour l’azote et le phosphore, et sont donc plus facilement réglementées.
Inversement, l’ammoniac et le phosphore sont des nutriments nécessaires au traitement des eaux usées de boues activées, et l’alimentation directe de ces nutriments peut être nécessaire pour maintenir le rapport BOD :N :P optimal et assurer un fonctionnement fiable.
Des tests analytiques simples sont disponibles pour mesurer ces composés.
Au cours des dernières décennies, les rejets de métaux lourds ont fait l’objet d’un examen de plus en plus minutieux de la part de l’EPA, des travaux de traitement publics (POTW) et des organismes de réglementation d’État en raison de la toxicité matérielle à extrême de certains éléments; le mercure étant le plus connu. Les limites de décharge pour de nombreux métaux sont en microgrammes par litre (μg/L, équivalent à parties par milliard), ou même en nanogrammes par litre (ng/L, équivalent à parties par billion) pour le mercure.
Les industries les plus responsables des rejets de métaux comprennent :
Le processeur chimique réduit l’utilisation d’eau et de produits chimiques grâce au programme de nettoyage par osmose inverse personnalisé au dioxyde de chlore
Traitement des eaux usées POTW en tant qu’appoint d’usine industrielle
De plus en plus, par mandat ou par choix, les installations industrielles acceptent l’effluent POTW comme maquillage. Comme cette eau n’a souvent reçu qu’un traitement secondaire à l’usine d’eaux usées, elle contient toujours des concentrations importantes d’ammoniac et de nitrite/nitrate, de phosphate, de matières organiques, de solides en suspension et de microbes. Ces constituants peuvent déclencher et exacerber l’encrassement microbiologique grave dans les systèmes de refroidissement et autres réseaux d’eau. Certains composés, notamment les espèces azotées et bon nombre des matières organiques, ne sont pas capturés par la clarification/filtration conventionnelle. Des méthodes de traitement microbiologique ont émergé pour les plantes aux prises avec ces problèmes, y compris les bioréacteurs membranaires (MBR) et les bioréacteurs à lit mobile (MBBR). Vous trouverez ci-dessous un schéma de base d’un BRM.
Figure 2.25. Conception MBR de base
Le processus fondamental de MBR consiste à recycler les boues activées, afin que les microorganismes bénéfiques consomment les aliments et les nutriments introduits dans le réservoir principal à partir de la zone de mélange. Un flux de recyclage aide à amener des organismes actifs et bien établis à l’entrée de la zone de mélange. Une différence significative entre le MBR et les boues activées conventionnelles est l’utilisation de membranes de microfiltre à la place d’un clarificateur traditionnel pour la séparation solide-liquide dans l’effluent. Le processus de microfiltration produit un flux clair, essentiellement exempt de solides en suspension. Bien que l’ammoniac dans le cours d’eau soit converti en nitrite/nitrate, une des limites de ce processus de base de MBR est que l’azote reste dans le cours d’eau. Ainsi, l’azote peut encore servir de nutriment dans le système d’eau de refroidissement des usines. Au besoin, cela peut être atténué en élargissant le système MBR pour inclure des chambres de réaction anoxiques ou anaérobies contenant des microorganismes qui convertissent le nitrite/nitrate en azote élémentaire.
Le MBBR utilise un récipient agité avec un support en plastique mobile qui circule dans le compartiment. Ces médias fournissent des sites pour que les microbes se déposent et développent des colonies saines. MBBR ressemble à une version moderne de l’ancienne technologie de lit d’arrosage pour le traitement des eaux usées. Contrairement au MBR, les microfiltres ou les ultrafiltres qui polissent l’effluent du MBBR doivent être situés à l’extérieur du vaisseau de réaction.
Figure 2.26a-b. Support commun pour MBBR, avant la fixation du biofilm (2.26a) et après la fixation du biofilm (2.26b).
Microfiltration et ultrafiltration
Comme indiqué précédemment, la clarification combinée à la filtration multimédia a longtemps été une technologie courante pour le prétraitement du maquillage, avec un objectif principal d’élimination des solides en suspension en amont des systèmes d’eau d’appoint de haute pureté. D’autres technologies de membrane, notamment la microfiltration et l’ultrafiltration, ont émergé comme des méthodes pour réduire davantage la charge en solides en suspension sur les membranes OI et les résines échangeuses d’ions. Les applications ont été étendues au traitement municipal de l’eau et des eaux usées, à la production d’aliments et de boissons et à l’industrie pétrolière et gazière. Souvent, ces systèmes servent de remplacements directs pour la clarification des solides en suspension conventionnels et la filtration multimédia.
La figure 2.1 illustre les plages de filtration de la MF, de l’UF, de la nanofiltration (NF) et de l’OI. La MF et l’UF sont strictement destinées à la filtration des particules, tandis que la NF et l’OI éliminent les ions dissous.
Il existe trois types potentiels de membranes MF/UF :
Fibre creuse
Tubeuleux
Plaie en spirale
La conception à fibres creuses est la plus courante, avec des systèmes sous pression et sous vide disponibles. Vous trouverez ci-dessous un exemple de système sous pression.
Figure 2.27. Vue en coupe des membranes à fibres creuses de type spaghetti dans un appareil sous pression à FM. Photo gracieuseté de Pall Corporation.
Un diamètre extérieur de 0,7 à 1,5 mm et un diamètre intérieur de 0,3 à 0,9 mm sont les dimensions communes de chaque membrane .
Figure 2.28. Vue agrandie d’une seule membrane de la Figure 2.27. Le chemin d’écoulement de ces membranes est extérieur-intérieur. Photo gracieuseté de Pall Corporation.
La figure ci-dessous montre la disposition de l’appareil sous pression pour un système de microfiltration de 300 gal/min.
Figure 2.29. Configuration du réservoir sous pression pour un système de 300 gal/min. Photo par Brad Buecker.
Le polyéthersulfone (PES), le fluorure de polyvinylidène (PVDF), le polypropylène (PP) et le polysulfone (PS) sont chacun des exemples de matériaux de membrane typiques, le PES et le PVDF étant les plus courants. Chacun est hydrophile, ce qui signifie que la surface de la lumière devient complètement mouillée, offrant une résistance à l’encrassement organique. Le PES a une perméabilité légèrement supérieure à celle du PVDF. En ce qui concerne le nettoyage hors ligne, le PES a une tolérance caustique plus élevée (pour l’élimination des matières organiques et microbiologiques pendant les nettoyages hors ligne), tandis que le PVDF a une tolérance au chlore et une durabilité de la membrane plus élevées. Il s’agit de facteurs importants pour décider quel matériau convient le mieux à une source d’eau particulière.
Les filtres multimédias décrits plus haut dans le chapitre peuvent produire un effluent avec une turbidité proche de 1 NTU, tandis que les effluents de FM et d’UF sont généralement beaucoup plus propres. Par exemple, un microfiltre installé comme remplacement direct à un clarificateur vieillissant a réduit la turbidité de l’eau d’alimentation à une unité RO de 1,0 NTU à moins de 0,05 NTU1. Cela a permis de réduire considérablement le nettoyage du filtre à cartouche et de la membrane OI et d’allonger la durée de vie de la membrane.
Les systèmes sous pression ont un chemin de débit intérieur-extérieur ou extérieur-intérieur. En revanche, les conceptions submersibles, où les membranes sont suspendues dans un réservoir avec l’eau d’alimentation, utilisent un chemin de débit extérieur-intérieur, avec un léger vide aspirant l’eau dans le noyau central des membranes.
Les critères courants de sélection de la membrane ou du système comprennent :
La voie d’écoulement de l’intérieur vers l’extérieur convient aux faibles concentrations de solides en suspension.
L’extérieur vers l’intérieur est supérieur pour les niveaux plus élevés de solides en suspension en raison de l’efficacité accrue du lavage à contre-courant.
Les membranes submersibles sont courantes pour les applications à TSS élevé, comme le traitement des eaux usées/de récupération dans un réacteur biologique à membrane (MBR). Les membranes sont placées à l’extrémité effluent du réservoir afin de maximiser le temps de résidence pour que les réactions microbiologiques aient lieu.
Les membranes extérieures-intérieures ont une surface environ trois fois supérieure à celle des modules intérieur-extérieur, tandis que les systèmes submersibles fonctionnent généralement à un débit de flux inférieur à celui des systèmes sous pression.
Le débit représente le débit volumétrique divisé par la surface de la membrane, et il s’agit d’une mesure clé du débit et de la performance de la MF/UF. Les mesures de débit courantes sont les gallons/pi2/jour ou les litres/m2/h. Le débit atteignable ou requis pour toute application dépend du fabricant de la membrane, du chemin d’écoulement, du matériau de la membrane, des caractéristiques de l’eau et de la température de l’eau. Le flux est influencé par la pression transmembranaire (PTM), qui est la différence entre les pressions d’alimentation et de filtrat.
Le calcul du flux et de la PTM en tant que rapport fournit laperméabilité, exprimée en gfd/psi, du système, qui peut être utilisée pour déterminer le rendement opérationnel.
J = Q/A
Où J = flux de filtrat (gfd).
Q = débit de filtrat en gallons par jour (gal/jour).
A = surface de la membrane (pi2).
TMP = ((PT + PB)/2) – PF
Où PTM = pression transmembranaire (psi).
PT = Pression de l’eau d’alimentation en haut du filtre (psi).
PB = Pression de l’eau d’alimentation au fond du filtre (psi).
PF = Pression de filtrat (psi).
Le terme flux spécifique fait référence au flux filtrat qui a été normalisé pour la pression transmembranaire.
FTM = F/TMP20 °C
Où FTM = Flux spécifique (gfd/psi).
F = flux de filtrat (gfd).
TMP20°C = PRESSION TRANSMEMBRANAIRE COMPENSÉE PAR LA TEMPÉRATURE (PSI).
La MF/UF utilise une combinaison de débit transversal et de filtration à l’extrémité morte où l’eau d’alimentation s’écoule parallèlement à la surface de la membrane, ce qui permet aux particules de s’accumuler à l’intérieur des membranes. Les particules doivent être retirées périodiquement au moyen d’un processus de lavage à contre-courant ou de récurage à l’air. Par exemple, dans le système illustré à la Figure 2.29, la séquence de production typique est de 20 minutes, suivie d’un lavage à contre-courant/récurage à l’air d’une minute. Bien que le lavage à contre-courant dans cette application soit initié sur une base chronométrée, le lavage à contre-courant déclenché par une augmentation de la PTM peut également être considéré comme une alternative.
Certaines eaux peuvent contenir des impuretés qui causent de l’encrassement au-delà des solides en suspension « normaux » qui existent dans les eaux de surface ou qui sont présents dans l’effluent d’un système de clarificateur/adoucissant en amont. Par exemple, en raison de leur petite taille, les colloïdes peuvent boucher les membranes. Les fines particules de fer peuvent faire de même. Les coagulants ou floculants organiques peuvent s’adsorber à la surface de la membrane. L’huile et la graisse sont également des encrassements potentiels, et elles peuvent rapidement masquer les membranes et sont difficiles à éliminer. L’encrassement microbiologique est également préoccupant. Toutefois, si les membranes sont en PES ou en PVDF, l’alimentation en biocide oxydant en amont de l’unité est courante pour minimiser l’encrassement microbiologique.
Une caractéristique supplémentaire des conceptions MF/UF est le lavage à contre-courant amélioré chimiquement (CEB). Après un nombre défini de lavages à contre-courant standard, CEB est lancé. CEB introduit un ou plusieurs produits chimiques pour cibler les encrassements problématiques. Par exemple, si les oxydes de fer sont un problème, l’acide citrique est un choix commun. L’acide citrique abaisse le pH, mais est un agent chélateur qui peut résorber le fer. Si les composés organiques et/ou les microbes sont problématiques, le CEB comprendra généralement des agents caustiques et de l’eau de Javel.
Les études sur les tendances et la perméabilité de la PTM sont bénéfiques pour établir la fréquence et les concentrations chimiques de la PCU. Consultez et suivez toujours les directives du fabricant pour évaluer la tolérance chimique des membranes. Une chasse d’eau courte et avant à la suite d’un CEB est courante pour empêcher les produits chimiques résiduels de pénétrer dans l’eau produite.
Malgré l’utilisation de CEB, les particules s’accumuleront graduellement, nécessitant une procédure de nettoyage sur place (CIP) environ une fois par trimestre ou à un intervalle similaire. Bien que le CIP soit une procédure hors ligne, il peut généralement être effectué dans un quart de travail standard. Plusieurs des produits chimiques similaires de CEB, comme l’acide citrique, l’agent caustique et l’eau de Javel, sont également utilisés pour le CIP à des concentrations plus élevées. Voici quelques exemples :
Nettoyages caustiques, les valeurs cibles de pH varient selon les matériaux de construction : 10–11 pour le PVDF et 11,5–12,5 pour le PES.
Les membranes PVDF ont généralement une tolérance au chlore plus élevée que le PES.
Grâce au nettoyage à l’acide citrique pour l’encrassement des particules de fer, un agent réducteur comme le bisulfite de sodium (SBS) peut atténuer l’encrassement des pores intérieurs. Les posologies varient de 1 à 3 % d’acide citrique avec 0,2 à 0,4 % de SBS.
Parfois, l’encrassement peut être si grave qu’une formule chimique spécialisée est requise. Il peut s’agir de mélanges de surfactants, de caustiques et de chélants.
La meilleure pratique consiste à suivre les directives du fabricant lors de l’élaboration de procédures CIP.
Le paramètre clé pour déterminer la fréquence CIP est une augmentation de la PTM ou une diminution de la perméabilité. La figure 2.30 présente une courbe de performance potentielle de la PTM au fil du temps. Le facteur de correction de la température est appliqué aux données de perméabilité pour tenir compte des écarts saisonniers et de la détermination du rendement à long terme de la membrane.
Figure 2.30. Aperçu général de l’augmentation de la PTM et des effets du lavage à contre-courant et
nettoyage hors ligne.
Avec des milliers de membranes dans une unité à fibres creuses typique, les ruptures occasionnelles de membrane ne sont pas rares. Une augmentation de la turbidité des effluents peut révéler une défaillance de la membrane. En cas de doute, la méthode de détection standard est un test de décomposition de pression hors ligne ou un test de maintien sous vide. Il s’agit d’injecter de l’air du côté alimentation du module membrane et de sceller le module. Si la pression résiduelle est toujours à moins de 90 % de la pression initiale après cinq minutes, le test est réussi. Si ce n’est pas le cas, un test de bulles d’air est nécessaire pour localiser la ou les membrane(s) brisées et installer une goupille à l’extrémité de l’entrée. Il est important de noter que certains designs sont plus stables que d’autres. Par exemple, l’unité illustrée à la Figure 2.29 a fonctionné pendant des années sans défaillance de la membrane.
Autres applications de MF/UF
La MF et, en particulier, l’UF deviennent de plus en plus courantes en tant que composants clés des systèmes de traitement de l’eau potable. Les pores membranaires inférieurs à 0,1 micron peuvent éliminer complètement les agents pathogènes comme les kystes de giardia ou les oocystes cryptosporidiums, dont la taille varie de 3 à 10 microns. L’intégrité des fibres est importante, principalement en raison de problèmes liés à la santé humaine. Toute méthode qui valide l’intégrité doit être suffisamment sensible pour détecter avec précision et uniformité un défaut de 3 microns. Les tests d’intégrité des membranes en ligne sont essentiels pour s’assurer que la qualité de l’eau respecte constamment les règlements sur l’eau potable.
Comme nous l’avons vu plus tôt dans le chapitre, la MF et l’UF sont de plus en plus populaires comme remplacement des clarificateurs standard (et non des unités adoucissant la chaux). En raison de ce changement, cependant, un problème préoccupant est le retrait de la TOC. Si la concentration de TOC de l’eau brute est importante, la MF ou l’UF seule peut être insuffisante pour protéger l’équipement en aval, car les taux d’élimination fluctuent entre 20 et 80 %.
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L’osmose inverse est couramment utilisée pour la déminéralisation en vrac, suivie du polissage par échange d’ions. Le matériau principal de la plupart des membranes OI est le polyamide, qui est susceptible d’attaquer en oxydant les biocides, en particulier le chlore. Généralement, les membranes peuvent tolérer 1 000 ppm-heures de chlore libre, ce qui signifie qu’elles peuvent survivre pendant 1 000 heures dans un environnement de chlore libre à 1 ppm ou une heure dans un environnement de chlore à 1 000 ppm, avec n’importe quelle combinaison entre les deux. Pour maintenir les meilleures pratiques, le biocide oxydant doit être retiré avant le contact avec les membranes OI. (Les oxydants dégraderont également les résines échangeuses d’ions.) Les métaux de transition tels que le fer, le cuivre ou le cobalt agissent comme catalyseurs oxydants et peuvent accélérer la dégradation de la membrane.
La filtration au carbone activée et l’injection d’agent réducteur sont les deux principales méthodes utilisées pour éliminer les biocides oxydants de l’alimentation en OI/déminéralisant. Comme indiqué, les biocides oxydants réagissent dans les premiers pouces du lit de carbone, laissant le reste du lit comme un lieu de reproduction pour les organismes qui survivent au traitement. Par conséquent, de nombreux systèmes modernes n’ont pas de filtration au carbone activée et comptent sur la réduction de l’injection d’agent pour éliminer les oxydants résiduels. Bien que de nombreux agents réducteurs soient disponibles, les deux plus courants sont :
Bisulfite de sodium (NaHSO3, l’agent réducteur le plus courant et le moins coûteux, habituellement fourni sous forme de solution liquide à 30 %)
Métabisulfite de sodium (Na2S2O5, forme granulaire de bisulfite de sodium)
Les réactions de ces deux composés sont indiquées ci-dessous.
2HOCl + 2NaHSO3 → 2H2SO4 + 2NaCl Éq. 2-14
2HOCl + Na2S2O5 + H2O → 2H2SO4 + 2NaCl Éq. 2-15
Le point d’injection doit être aussi près que possible des filtres de la cartouche OI, de préférence après les filtres. Certains organismes deviennent en hibernation lorsqu’ils entrent en contact avec un biocide oxydant, puis réémergent une fois que le résidu de biocide disparaît. Les microbes peuvent ensuite établir de grandes colonies dans les préfiltres et les membranes OI. Pour cette raison, il est essentiel que l’injection de déchloration soit aussi près que possible des membranes ou de la résine.
Il est essentiel d’effectuer une surveillance continue après le point d’injection de l’agent réducteur. La mesure principale est le chlore résiduel, avec un potentiel d’oxydation-réduction (ORP) comme réserve.
Figure 2.31. Analyseur de chlore continu Hach CL-17. Photo gracieuseté de Hach.
L’objectif principal est de mettre en œuvre un système d’alarme pour détecter toute incohérence avec la réduction de l’alimentation en agent, assurant ainsi la protection des membranes OI. Pour un contrôle amélioré, le personnel de l’usine peut utiliser les signaux de l’analyseur pour réguler l’alimentation en agent réducteur. Au minimum, les signaux peuvent déclencher une augmentation de l'alimentation si un résidu de chlore est observé au niveau de l'analyseur.
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Des systèmes de prétraitement bien conçus, méticuleusement entretenus et exploités par des professionnels sont essentiels pour prévenir la corrosion, l’encrassement et l’entartrage dans l’eau de refroidissement, l’appoint de haute pureté et d’autres systèmes dans les installations industrielles et commerciales. Des analyses historiques détaillées de l’eau brute sont essentielles lors de la conception d’un système. Cela garantit que le système est adapté de manière appropriée à la chimie de l’eau brute et à ses changements potentiels, empêchant ainsi le besoin de retirer des systèmes mal conçus.
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Buecker, B., « Microfiltration : A Up and Coming Approach to Pre-Treatment for the Power Industry »; 26e atelier annuel sur la chimie des services publics d’électricité, 9 mai-11, 2006, Champaign, Illinois.
Post, R., et Buecker, B., « Grey Water – A Sustainable Alternative for Cooling Water Makeup »; Conférence internationale sur l’eau, 4 novembre-8, 2018, Scottsdale, Arizona.
Hydranautics, « Chemical pretreatment for RO and NF », Bulletin d’application technique n° 111.
À propos des auteurs
Katie Perrymam
Gestionnaire, prétraitement
Katie Perryman, directrice, Prétraitement, est titulaire d’un baccalauréat en chimie du Virginia Polytechnic Institute et travaille dans le traitement de l’eau industrielle depuis 2014, en se concentrant sur la séparation des membranes et l’échange d’ions. Elle participe activement à la consultation et au dépannage des systèmes de prétraitement dans plusieurs industries et applications. Elle a fait des présentations lors de plusieurs conférences et gère le programme de formation en début de carrière de ChemTreat.
Brad Buecker
Président de Buecker & Associates, LLC
Brad Buecker est président de Buecker & Associates, LLC et a récemment occupé le poste de publiciste technique principal chez ChemTreat. Il a plus de quatre décennies d’expérience dans ou de soutien à l’industrie de l’énergie, dont une grande partie dans la chimie de génération de vapeur, le traitement de l’eau et le contrôle de la qualité de l’air. Buecker est titulaire d’une licence en chimie de l’Université d’État de l’Iowa. Il a rédigé ou co-écrit plus de 250 articles pour divers magazines techniques et écrit trois livres sur la chimie des centrales électriques et le contrôle de la pollution atmosphérique. Il siège au comité consultatif éditorial de la technologie de l’eau et est membre de l’ACS, de l’AIChE, de l’AIST, de l’ASME, de la NACE (aujourd’hui AMPP) et du comité de planification de l’atelier de chimie des services publics électriques.
Ed Sylvester
Directeur; Filtration, échange d’ions et technologies de membrane
Ed Sylvester a commencé à travailler dans le domaine du traitement de l’eau en 1976 alors qu’il servait dans la marine américaine. En tant que directeur des technologies d’échange d’ions et de membrane chez ChemTreat, Sylvester a reçu une reconnaissance de l’entreprise pour son implication dans des projets d’économies d’énergie et son soutien aux clients dans les industries de l’éthanol, des hydrocarbures, des produits chimiques et du marché intermédiaire. Ses domaines d’expertise comprennent le prétraitement (filtration membraneuse, échange d’ions et clarification) et le traitement par chaudière à haute pression.
Li Yang
Conseiller technique, Technologies de membrane
Li Yang est titulaire d’un doctorat en génie chimique de la Nanjing Tech University et travaille chez ChemTreat depuis 2014. Ses domaines d’expertise comprennent la formulation et l’application d’antitartre/nettoyant, le dépannage des membranes et le soutien sur le terrain.
Oscar Echeverri
Conseiller, services techniques
Après avoir obtenu son baccalauréat en biologie de l’Université Old Dominion, Oscar est entré dans le domaine du traitement de l’eau. Il possède actuellement plus de 23 ans d’expérience dans le traitement de l’eau industrielle, avec une solide expérience dans les opérations, le service et la mise en service d’équipement de prétraitement et d’applications d’eau pure.
Jean M. Gucciardi
Conseiller du personnel technique de ChemTreat, retraité
Jean Gucciardi a travaillé dans le traitement de l'eau industrielle pendant près de quatre décennies, se concentrant sur les applications d'affluent, de chaudière, de refroidissement et d'eaux usées. Gucciardi a été publiée dans de nombreuses publications de l'industrie tout au long de sa carrière. Elle a obtenu un baccalauréat et une maîtrise en génie environnemental de l’Université du Wisconsin.
David Marturana
Conseiller technique principal
Dave Marturana travaille dans le traitement de l’eau industrielle depuis 1981 et s’est joint à ChemTreat en 2008. Il détient un baccalauréat en génie chimique et est ingénieur professionnel agréé dans le Commonwealth de Pennsylvanie. Consultante en applications pour le traitement des eaux usées influentes et industrielles, Marturana possède une vaste expertise dans la sélection et l’optimisation des coagulants et des floculants, le traitement des eaux usées primaires et biologiques, le traitement des eaux grises municipales et les applications de déshydratation des boues.
Bien que les applications telles que l’appoint de tour de refroidissement ou l’eau de service pour l’infrastructure de l’usine de lavage puissent être simples, d’autres applications nécessitent une eau de haute pureté.
