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Mar 10, 2023

Facteurs de réussite ZLD

L'industrie de l'énergie ainsi que le pétrole et le gaz, la chimie, la pétrochimie, l'exploitation minière et

L'industrie électrique ainsi que les industries pétrolières et gazières, chimiques, pétrochimiques, minières et autres génèrent de grands volumes d'eaux usées qui doivent être gérées.

Par Daniel Bjorklund

L'industrie électrique ainsi que les industries pétrolières et gazières, chimiques, pétrochimiques, minières et autres génèrent de grands volumes d'eaux usées qui doivent être gérées. Généralement, ces eaux usées sont rejetées via un émissaire de l'usine vers une masse d'eau de surface, un bassin d'évaporation ou, dans certains cas, injectées dans un puits profond. Cependant, il existe des préoccupations environnementales croissantes concernant ces pratiques de rejet, ce qui a entraîné le développement de procédés à zéro rejet liquide (ZLD).

Le ZLD peut être défini au sens large comme un processus de récupération maximale de l'eau d'une source d'eaux usées qui serait autrement rejetée. Cette eau est avantageusement réutilisée et les sels et autres solides contenus dans les eaux usées sont produits et généralement éliminés dans une décharge.

Les moteurs de ZLD comprennent une préoccupation croissante du public quant à l'impact de ces rejets sur l'environnement, et dans de nombreuses régions du monde, l'eau est une ressource rare. Cette préoccupation se traduit par une réglementation accrue et une limitation des rejets d'eaux usées. Même sans pression réglementaire, de nombreuses entreprises de divers secteurs imposent des initiatives de réduction des rejets d'eau par recyclage et réutilisation, ainsi que des ZLD, afin de réduire leur empreinte environnementale et d'améliorer la durabilité.

L'absence de rejet liquide peut être obtenue de différentes manières. Il n'y a pas de solution "taille unique", car la conception optimale du système est spécifique au site. La composition des eaux usées, les différents flux à traiter, les coûts d'exploitation spécifiques au site, la disponibilité de l'empreinte et d'autres facteurs sont des facteurs déterminants pour une conception optimale. Cet article fournit une brève introduction sur diverses configurations ZLD typiques et se concentre sur les facteurs essentiels à la conception et au fonctionnement réussis d'un système ZLD.

Les objectifs du système pour un système ZLD sont d'éliminer un rejet d'eaux usées liquides, de générer des solides pour l'élimination ou la réutilisation des décharges, et de recycler une eau de haute qualité qui peut être réutilisée de manière bénéfique. Les objectifs de conception sont de minimiser l'investissement en capital et les coûts d'exploitation du système, sans impact significatif sur la main-d'œuvre nécessaire à l'exploitation. De plus, le système doit être conçu avec une flexibilité opérationnelle pour répondre aux besoins de l'installation et être sûr et fiable.

Un examen attentif de la chimie des eaux usées est nécessaire pour la conception et le fonctionnement réussis d'un système ZLD. Parfois, une expérience préalable avec une chimie de l'eau similaire est disponible pour le concepteur ZLD. Là où l'expérience fait défaut, un logiciel propriétaire de modélisation de la chimie de l'eau peut être appliqué pour comprendre les limites de solubilité de diverses espèces lorsque l'eau est concentrée en une saumure à TDS élevé. Un tel logiciel est également utile pour estimer la consommation chimique de divers produits chimiques qui peuvent être utilisés dans le procédé ZLD pour le conditionnement et le contrôle du pH. Si de l'eau est disponible, des études de laboratoire peuvent également être utiles pour valider la modélisation chimique ; là où l'eau n'est pas disponible, des analogues synthétiques peuvent parfois être utilisés. Une base de conception solide pour la chimie de l'eau est la clé d'une conception ZLD réussie.

Dans un système ZLD, les eaux usées traitées sont concentrées jusqu'aux limites de solubilité des sels dissous. Lorsque les limites de solubilité sont dépassées, les sels cristallisent et peuvent alors être récoltés par un moyen approprié. Les produits chimiques de la saumure dans lesquels les cations monovalents tels que le sodium sont équilibrés avec du sulfate et du chlorure sont généralement limités à un TDS maximum inférieur à 30 % et à une concentration en chlorure (facteur important dans le choix de la métallurgie) inférieure à 170 000 ppm.

Les cations divalents tels que le calcium et le magnésium sont une préoccupation majeure pour la conception d'un système ZLD. Des concentrations élevées de calcium et de magnésium peuvent entraîner la concentration d'espèces hautement solubles telles que le chlorure de calcium et le chlorure de magnésium. Des concentrations élevées de ces cations divalents peuvent contribuer de manière significative à l'augmentation de l'élévation du point d'ébullition. Au fur et à mesure que les saumures des eaux usées se concentrent, la température d'ébullition augmente au-dessus de celle de l'eau pure en raison d'une propriété physique de la solution connue sous le nom d'élévation du point d'ébullition (BPE). La conception d'un évaporateur nécessite une connaissance précise de l'élévation du point d'ébullition. En outre, des concentrations élevées de ces cations divalents peuvent entraîner des concentrations élevées d'ions chlorure et conduire à une métallurgie plus coûteuse.

Le calcium est généralement peu soluble en raison de la présence d'alcalinité et de cations sulfate et doit être correctement pris en compte pour éviter l'entartrage d'un système de membrane de pré-concentration, ainsi que des évaporateurs de concentration de saumure (concentrateur de saumure). Les préconcentrateurs à membrane reposent généralement sur des adoucissants et des antitartres pour contrôler l'entartrage. Les concentrateurs de saumure sont conçus avec un contrôle du tartre ensemencé. En utilisant des concentrateurs de saumure de contrôle du tartre de boue ensemencée, le tartre est retardé en maintenant une concentration appropriée de sorte qu'un rapport élevé de surface cristalline est maintenu.

Généralement, les cristalliseurs à circulation forcée reçoivent la purge des systèmes de membranes de préconcentration en amont ou des concentrateurs de saumure. Les cristalliseurs sont conçus pour gérer la précipitation d'espèces hautement solubles telles que le chlorure de sodium et le sulfate de sodium, ainsi que des sels peu solubles tels que le sulfate de calcium. Des concentrations élevées de sodium par rapport aux cations divalents sont bénéfiques pour contrôler la concentration de chlorure.

La silice est présente à des concentrations variables dans les sources d'eau naturelles. La solubilité est très limitée à pH proche de la neutralité ; cependant, la solubilité est grandement améliorée si le pH est augmenté. Si on la laisse précipiter sans contrôle, la silice peut entartrer les systèmes de membranes de préconcentration et la surface de transfert de chaleur des évaporateurs. De tels dépôts sont difficiles à éliminer par nettoyage chimique et doivent donc être évités et pris en compte dans la conception du système.

Lorsqu'il est présent, l'ammoniac se volatilise dans un système d'évaporateur et se répartit entre le distillat et l'évent atmosphérique. Au fur et à mesure que l'ammoniac se volatilise, le pH du système peut diminuer et une soude caustique peut être nécessaire pour contrôler le pH du système. Si de l'ammoniac est présent, des contrôles supplémentaires sur l'évent peuvent être nécessaires en fonction de la concentration de l'évent pour éviter un danger pour la santé, une violation du permis d'aération ou une odeur désagréable.

Les systèmes d'évaporation sont généralement plus coûteux en capital et en coûts d'exploitation que les systèmes à membrane, les cristalliseurs étant les plus coûteux. Pour cette raison, et lorsque cela est possible, des systèmes à membrane peuvent être utilisés pour réduire les coûts d'investissement et de fonctionnement du système d'évaporation.

Les systèmes à membrane conventionnels peuvent concentrer jusqu'à 2 à 3 % de TDS, les systèmes à haute récupération spécialement conçus peuvent concentrer jusqu'à 6 % à 8 % dans certaines applications. En fonction de la composition des eaux usées, la préconcentration à l'aide d'un système à membrane peut réduire considérablement les exigences de dimensionnement du système d'évaporation principal et donc les coûts d'investissement et d'exploitation du système. Par exemple, si une eau usée avec une concentration de TDS d'alimentation de 5000 est concentrée à l'aide d'un système de membrane à récupération élevée, l'exigence de service du système d'évaporation peut être réduite de 90 à 95 %. Notez que pour atteindre des récupérations élevées dans un système de membrane d'eaux usées, un prétraitement approprié tel que l'adoucissement et l'ajustement du pH est souvent nécessaire.

Les concentrateurs de saumure à film tombant à tube vertical sont généralement utilisés pour concentrer des solutions de saumure à faible total de solides dissous (TDS) jusqu'à 12 % jusqu'à 25 % de solides totaux et sont utilisés pour minimiser la capacité de conception d'un cristalliseur à circulation forcée en aval. Les concentrateurs de saumure sont spécifiquement conçus pour gérer l'entartrage des sels divalents peu solubles tels que le sulfate de calcium et le carbonate de calcium, ainsi que la silice qui est également couramment présente. Les cristalliseurs à circulation forcée sont généralement utilisés pour concentrer la purge de saumure de l'équipement de concentration en amont, bien que de petits débits d'eaux usées soient parfois traités directement avec un cristalliseur à circulation forcée. De telles applications impliquent généralement des débits d'eaux usées inférieurs à 20 à 30 gpm. Les cristalliseurs sont conçus pour gérer la cristallisation de tous les sels, des sels de sodium peu solubles ainsi que des sels de sodium hautement solubles tels que le chlorure de sodium et le sulfate de sodium, sans entartrage ni fréquence de nettoyage excessifs. Cette robustesse se fait au détriment d'une consommation d'énergie spécifique plus élevée et d'un coût d'investissement spécifique plus élevé.

Les solides générés par un cristalliseur à circulation forcée sont généralement récoltés et déshydratés soit par un filtre à bande indexable, soit par centrifugeuse. Dans ce cas, les solides sont collectés et généralement mis en décharge dans une décharge conventionnelle tant que les déchets passent les tests de procédure de lixiviation des caractéristiques de toxicité (TCLP). Cependant, dans certaines applications impliquant des équipements ZLD, la saumure hautement concentrée est évacuée vers un bassin d'évaporation. Une telle configuration réduit l'empreinte du bassin d'évaporation, ainsi que la main-d'œuvre et les dépenses de fonctionnement de l'équipement de déshydratation.

Expérience pertinente du fournisseur ZLD. Les systèmes ZLD doivent être conçus sur mesure en fonction de la chimie des eaux usées et du débit des eaux usées à traiter. La conception du système ZLD est la propriété intellectuelle du fournisseur du système et n'est généralement pas disponible dans les manuels, les revues ou Wikipedia. Une mise en œuvre réussie d'un système ZLD nécessite que le fournisseur puisse démontrer une expérience réussie pertinente. Tout aussi important dans la fourniture de l'équipement est le support que le fournisseur fournit après le démarrage du système. Le fournisseur ZLD doit disposer d'une organisation solide pour fournir un tel support et être en mesure de démontrer la même chose.

Base de conception de la chimie des eaux usées. Il n'y a pas de « solution unique pour toutes ». Il est essentiel d'établir une base de conception chimique des eaux usées qui soit représentative des conditions moyennes, ainsi que des conditions minimales et, plus important encore, des conditions maximales. Il convient de veiller à ne pas être trop lourd dans l'application d'une marge aux chimies de conception, car une telle pratique peut ne pas atteindre le résultat souhaité. Il est préférable d'estimer la chimie attendue et de discuter des implications des écarts avec le fournisseur du système ZLD.

Métallurgie. La métallurgie joue un rôle important dans le coût en capital d'un système ZLD. Des alliages qui offrent une résistance à la corrosion aux saumures hautement concentrées sont nécessaires. Il existe des options disponibles qui permettent d'optimiser les coûts sans sacrifier la durée de vie de l'usine.

Marge de conception conservatrice. Le système ZLD est le « bout du tuyau » dans la plupart des usines ; tout ce qui s'est lavé dans un puisard à déchets se concentre dans le système ZLD. L'expérience montre que la chimie réelle des eaux usées s'écartera de la chimie de conception.

Une fois correctement conçus, les problèmes d'exploitation peuvent être traités par l'équipe d'exploitation de l'usine en collaboration avec un fournisseur de système ZLD qui a démontré son expérience dans l'exploitation d'installations similaires.

Auteur:

Daniel Bjorklund est vice-président d'Aquatech International, un leader mondial de la technologie de purification de l'eau pour les marchés industriels et des infrastructures.