Sur de nombreux sites industriels, le traitement des eaux de refroidissement fait partie des enjeux importants, leur impact économique positif ou négatif sur le compte d'exploitation étant bien souvent plusieurs fois supérieur aux budgets engagés. Une approche globale intégrée, un suivi analytique pointu, et la recherche d'un compromis équilibré entre la performance technique, la performance environnementale et l'économie permettent de faire face à la plupart des problématiques rencontrées, en matière d'entartrage, de corrosion et de risques biologiques.
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Sur de nombreux sites industriels, le traitement des eaux de refroidissement fait partie des enjeux importants, leur impact économique positif ou négatif sur le compte d’exploitation étant bien souvent plusieurs fois supérieur aux budgets engagés. Une approche globale intégrée, un suivi analytique pointu, et la recherche d’un compromis équilibré entre la performance technique, la performance environnementale et l’économie permettent de faire face à la plupart des problématiques rencontrées, en matière d’entartrage, de corrosion et de risques biologiques.
Les systèmes d’eau de refroidissement font partie intégrante de très nombreux process industriels générant des émissions de chaleur : centrales thermiques, nucléaires, industries chimiques, agroalimentaires… toutes les industries sont peu ou prou concernées.
Leur objet – le refroidissement – représente même une large part des quantités d’eaux consommées au sein de ces industries. Quelle que soit leur taille ou la façon dont ils sont conçus, les systèmes de refroidissement imposent de nombreux défis en termes de gestion et d’exploitation.
trage, la corrosion, la contamination microbiologique et la croissance biologique ou biofouling sont autant de menaces susceptibles d’influer lourdement sur les processus de production, sur la qualité des produits, comme sur les coûts d’exploitation. Car ces problèmes, anodins en apparence, peuvent s’avérer très coûteux dès lors qu’ils entraînent des pertes de transfert de chaleur, des pannes d’équipements, voire des arrêts de production, sans parler des risques qu’ils génèrent en termes de santé et de sécurité.
Le traitement des eaux de refroidissement est donc une problématique essentielle qui repose sur plusieurs objectifs, en apparence contradictoires : fiabiliser la production en maîtrisant l’entartrage, l’encrassage et les développements bactériens tout en maîtrisant les consommations d’eau, de produits chimiques et d’énergie. « Elle met en jeu trois acteurs essentiels, comme l’explique Julien Taconet, Directeur Développement des Ventes France chez GE Water & Process Technologies : l’eau, dont la qualité est éminemment variable en fonction de son origine et des prétraitements qu’elle a éventuellement subis, le circuit de refroidissement qui peut être selon les cas, ouvert, semi-ouvert ou fermé et son mode d’exploitation, les contraintes n’étant pas les mêmes pour un circuit exploité 24/24 h pendant plusieurs années et une installation s’arrêtant à intervalles réguliers ».
Mais même s’ils sont sujets à des problèmes différents, l’objectif est toujours le même : atteindre un niveau de qualité déterminé en consommant le moins d’eau possible.
Atteindre un niveau de qualité déterminé en consommant le moins d’eau possible
La stratégie en matière de traitement des eaux de refroidissement s’inscrit bien souvent dans le cadre d’une démarche globale. Pour atteindre l’optimal économique, les traiteurs d’eau mettent en effet en place des filières de traitement permettant de produire différentes qualités d’eau : une eau brute et une eau décarbonatée pour les applications courantes, une eau adoucie, osmosée ou déminéralisée pour des usages plus spécifiques. Les industriels exploitant des unités de traitement utiliseront une eau de qualité industrielle, voire décarbonatée pour leurs circuits de refroidissement. Les autres auront recours à un conditionnement pour inhiber les dépôts minéraux ou organiques associés à des problèmes de corrosion, de tartre ou de développements bactériens.
GE Water & Process Technologies a développé un équipement industriel sans utilisation de produits chimiques permettant d’éliminer plus de 99,99 % des bactéries et virus présents dans l’eau de réfrigération. « Le principe est basé sur l’utilisation de membranes d’ultrafiltration brevetées Zeeweed, explique Julien Taconet. Ce type de membrane présente l’avantage de se nettoyer facilement et efficacement par simple lavage à l’eau. Matières en suspension, bactéries et virus sont naturellement retenus sur ce filtre et évacués lors de ces lavages. Ce matériel s’installe comme une simple filtration dérivée. Nos références nous ont permis de valider une réduction sensible de la quantité de biocide mise en œuvre dans les circuits de refroidissement tout en assurant une conformité réglementaire ».
Dispersants, antitartres et inhibiteurs de corrosion permettent également de limiter les problèmes. Les installations de dosage de produits constitués d’orthophosphates et de polyphosphates, parfois accompagnés de sel de zinc, permettent de lutter contre le tartre et la corrosion. Les biocides formulés et distribués par Nalco, Aquaprox, Veolia Water Technologies, Buck-
Buckman, GE Water & Process Technologies ou BWT Permo permettent quant à eux de limiter les proliférations bactériennes dans l’eau tout en maintenant une bonne hygiène dans les circuits. Les biocides oxydants, en particulier halogénés, oxydent les composants cellulaires et provoquent la destruction des cellules. Les ammoniums quaternaires à effet tensio-actif et certains dérivés aminés ou aldéhydiques agissent sur la membrane de la paroi cellulaire tandis que les dérivés soufrés et certains dérivés aminés agissent sur le métabolisme de la cellule. Mais quelle que soit la façon dont ils agissent, leur efficacité repose toujours sur un suivi analytique et un monitoring précis.
Les fabricants ont donc développé des solutions associant chimie, services à distance et appareils de surveillance et de contrôle sophistiqués pour faciliter leur mise en œuvre et approcher l’optimal économique. Les systèmes TrueSense™ de GE, 3D Trasar® de Nalco, Fluogest® d’Aquaprox, OnSite® de Buckman ou Aquavista V-Trace de Veolia Water Technologies peuvent ainsi détecter les signes précurseurs d’entartrage, de corrosion et de biofouling, puis fournir la réponse appropriée en déterminant à chaque instant le bon dosage en produit de traitement, indépendamment des appoints et des purges d’eau parasites. Ils permettent également de garder une traçabilité sur les circuits de refroidissement, répondant ainsi aux exigences réglementaires. En France, GE Water & Process Technologies revendique plus de 500 circuits de refroidissement connectés à la plate-forme de diagnostic et de communication Insight™ et ses automates TrueSense™.
Nalco annonce de son côté plus de 600 circuits de refroidissement connectés sur le Web en France, plus de 2 500 en Europe et plus de 133 000 Trasar® connectés dans le monde, tous circuits confondus (refroidissement, vapeur, station). « En plus de la plateforme web En Vision™, nous assurons une surveillance 24 h/24 et 7 j/7 des paramètres de fonctionnement des circuits », indique Patrice Hervé, Sr Industry Development Manager chez Nalco.
Les biocides évoluent sans cesse et tendent à se concentrer sur le biofilm. C’est le cas du Spectrus TD1100E de GE Water & Process Technologies qui repose sur une technologie permettant de cibler directement le biofilm et favoriser la pénétration des dépôts bactériens. Ce ciblage est basé sur l’utilisation de microcapsules contenant les matières actives. Cet agent d’encapsulation a une affinité pour les biofilms et les membranes microbiennes et ainsi permet
La libération du biocide directement dans le biofilm. C’est aussi le cas du premier biocide non chimique Biomeba d'Amoeba, commercialisé en exclusivité en France par Aquaprox, qui s’attaque aux bactéries pathogènes sessiles présentes dans le biofilm tout en diminuant le nombre de bactéries formant la flore bactérienne dans un biofilm mature.
Pour combattre plus spécifiquement l’entartrage, on peut aussi avoir recours à l’échange d’ions, à la décarbonatation électrolytique, ou aux adoucisseurs à sel qui ont fait leurs preuves dès lors qu’ils sont bien installés et bien exploités. Ces traitements imposent cependant des précautions importantes pour ne pas affecter la qualité microbiologique de l'eau.
Les équipements électromagnétiques et procédés électrolytiques semblent progresser. C’est par exemple le cas des procédés physiques proposés par Arionic, EFI Bio Concept, Efinode France, Exeau ou ISB Water présentant des effets détartrants et/ou antitartres.
Arionic exploite par exemple un procédé breveté qui repose sur la technologie dite de « polarisation magnétique » : l'eau passe à travers un champ magnétique contrôlé qui augmente sa capacité à accumuler de l’énergie sans modifier ses caractéristiques physico-chimiques essentielles. Le traitement permet, en préventif, de neutraliser le tartre en transformant le carbonate de calcium (CaCO₃) en aragonite, tout en présentant un effet curatif détartrant. En complément de ces effets obtenus sur le tartre, l'abattement des bactéries dû à la puissance du champ de polarisation génère un effet antibactérien et dislocateur sur le biofilm.
« Sur plusieurs centaines d’applications, notre procédé a remplacé les
adoucisseurs et supprimé le recours aux biocides, filmogènes et anticorrosion classiques nécessaires au traitement de l'eau », souligne Jocelyne Frayssines, Présidente CEO d'Arionic. Arionic a développé un logiciel de suivi des tours – Ecoptimum – en liaison avec la panoplie Ecotech, qui permet de contrôler, même à distance, le fonctionnement des équipements de la tour (débit, conductivité, etc.). Les paramètres biologiques de l'eau sont suivis en ATPMétrie en s'appuyant sur l'expertise des opérateurs du site ; un contrôle hebdomadaire est effectué par Arionic pour corriger les dérives éventuelles.
Les références, nombreuses, attestent de l'efficacité du procédé. Arionic avance une économie en eau de 10 à 15 % par rapport aux adoucisseurs et aux produits chimiques pour une gamme de débits allant jusqu’à 2 000 m³/h par appareil.
Le procédé développé par ISB Water, quoique physique lui aussi, se distingue des procédés magnétiques ou catalytiques et repose sur trois principes : une électrolyse galvanique, un dimensionnement conçu pour créer des hyper-turbulences capables d'extraire les gaz dissous, ce qui permet de freiner la corrosion et de favoriser la précipitation du calcaire sur une anode de zinc ainsi que des phénomènes d'encapsulation du calcaire autour de ces molécules de calcaire en suspension. Avantages : sa mise en œuvre ne nécessite ni énergie, ni additifs chimiques.
Maintenance particulière. Le procédé compte là encore de très nombreuses références dans de nombreuses branches industrielles en France comme à l'étranger. « Nous disposons aujourd'hui de plusieurs centaines de références dans le secteur industriel qui répondent parfaitement à des problématiques d'entartrage, d'embouage ou de corrosion en préventif comme en curatif, souligne Grégoire Profit, directeur technique chez ISB Water. Le procédé a fait ses preuves sur des échangeurs de chaleur, des tours aéro-réfrigérantes, des chaudières, des circuits EFG/ECS, etc. ». ISB Water revendique une économie d'énergie de 7 % à 25 % par l'optimisation des rendements des échanges thermiques et de 10 % à 30 % des consommations d'eau avec un retour sur investissement entre 18 et 24 mois.
Seuls ou plus fréquemment couplés à un antitartre ou à un anticorrosion, les UVc constituent également une réponse, notamment en préventif, pour traiter les eaux d'apports comme les eaux en circulation. Le dimensionnement de l'équipement est fonction de la transmittance de l'eau et du débit à traiter. Afigeo, Bio-UV, RER, Comap WT, Evoqua Water et UVGermi proposent des générateurs ultraviolets adaptés à la contamination des réseaux par Legionella pneumophila. Ces équipements sont généralement équipés d'un nettoyage automatique des lampes pour éliminer à intervalles réguliers les dépôts qui se forment sur les lampes et préserver l'efficience du traitement.
Comap WT a développé sur sa gamme de générateurs UVc C-PW, une nouvelle technologie de brassage de l'eau qui permet d’optimiser le traitement à un débit donné. L'entretien est également facilité puisque l'exploitant est informé automatiquement de la nécessité de remplacer la lampe UVc. Sur certains générateurs de ce fabricant, la durée de vie des lampes peut atteindre jusque 2 ans.
L'ozone est également utilisé en circuits de refroidissement du fait de son coût réduit : à part de l'électricité et de l'oxygène, aucun autre produit n'est nécessaire. Il se dégrade en oxygène.
Afin de contrôler les phénomènes d’encrassement minéral sur une tour de refroidissement, Veolia Water Technologies a développé IDRHOSUR FCP - Fouling Control Programme. Ce dispositif, breveté, permet de mesurer en continu le caractère incrustant d’une eau en recirculation, et ainsi de vérifier et optimiser l’efficacité des traitements dispersants appliqués.
Le suivi continu.
Raison pour laquelle Prominent, par exemple, associe ses installations Ozonfilt® et Bono Zon® avec des dispositifs de mesure et de régulation Dulcometer® et Dulcotest® pour réaliser une désinfection optimale.
Ces procédés ont tous fait leurs preuves même s'il est souvent nécessaire d’associer plusieurs traitements pour prévenir la corrosion, la formation de tartre, l’encrassement et le développement bactériologique. Une approche globale s’impose donc naturellement, même si le problème réside moins dans le choix d’un traitement que dans la validation de son efficacité au cas par cas sur chaque installation en fonction de paramètres variables et propres à chaque installation. Autre point crucial : tous ces traitements sont inopérants sans la mise en place d’un suivi analytique pointu et d'un monitoring adapté.
Associer un suivi analytique pointu à un monitoring adapté
Pour maintenir l’efficacité et la sécurité d'un circuit de refroidissement, il est indispensable de mettre en œuvre un suivi méthodique des traitements engagés ainsi que des actions de maintenance recommandées par le concepteur ou la société de services présente sur le site. Objectif : valider les combinaisons de traitements, évaluer leur efficacité, articuler les actions préventives avec les actions curatives, contrôler et piloter les injections, gérer les appoints et les purges d’eau parasites et conserver une traçabilité des actions réalisées sur le circuit de refroidissement et engager les actions correctives. La démarche repose essentiellement sur l’analyse, notamment sur les nouveaux outils de monitoring permettant de diagnostiquer la biomasse active au sein de l'installation : PCR et ATP.
La biosurveillance par ATPmétrie de seconde génération (ATP 2G) proposée par Aqua-Tools est une technologie d’analyse microbiologique facile à utiliser et dont les résultats sont donnés en quelques minutes seulement. La charge biologique totale mesurée par ATP 2G constitue un indicateur de qualité globale. Le dépassement d'une valeur critique prédéfinie peut suggérer une implantation de biofilms due à des bactéries hétérotrophes (Pseudomonas sp., Aeromonas sp., Flavobacterium sp.) dans les canalisations ou le bac de récupération des eaux de ruissellement, ou un risque biologique lié à la présence de Legionella Pneumophila ou de conditions biologiques favorables à l'implantation de cette bactérie et à l'acquisition d’une résistance à la désinfection (biofilms, protozoaires, algues).
« L'intérêt principal de cette technique pour les industriels est la réactivité qu'elle apporte pour anticiper les dérives du process, explique Marc Raymond chez Aqua-Tools, mais aussi la possibilité de vérifier l’efficacité des biocides ou les nouvelles stratégies de traitements non chimiques, sur l’ensemble des micro-organismes, les bactéries viables cultivables et les bactéries viables non cultivables ».
Les kits de terrain Dendridiag® développés par GL Biocontrol permettent également de réaliser un suivi microbiologique pertinent des eaux de tours aéroréfrigérantes selon un protocole simple et rapide. « L’intérêt de ces kits réside dans la possibilité de suivre en temps réel et à un coût avantageux l’évolution de la charge microbiologique contenue dans les eaux et anticiper une éventuelle dérive de l’écosystème, explique Nicolas Fabre chez GL Biocontrol. Ils complètent ainsi les analyses méthodiques des risques et les contrôles périodiques des installations de refroidissement et permettent de maîtriser les risques bactériens tout en optimisant l'injection des produits biocides et bio-dispersants ».
Actuellement, GL Biocontrol finalise le développement d'un automate online basé sur le principe de l’ATPmétrie qui permet de quantifier la flore totale d'une eau sans intervention humaine et piloter l'injection du produit biocide en fonction de la charge microbiologique mesurée.
GE Water & Process Technologies assure depuis de nombreuses années un suivi de la flore bactérienne par une mesure rapide d’ATP cellulaire. Chaque agent de
Le terrain dispose d’un kit de mesure rapide du nom de Bioscan, permettant de vérifier et d’adapter le traitement biocide à titre préventif. « L'expérience acquise a permis de développer une méthodologie basée sur le Bioscan permettant d’estimer non seulement l'activité des bactéries présentes dans l’eau de refroidissement mais également dans les dépôts d'origine bactérienne », souligne Julien Taconet.
Mais comment effectuer un contrôle et un suivi efficace en matière d’entartage et de corrosion ? La mise en place de manchettes témoin permet d’évaluer l’efficacité du conditionnement par un examen visuel d'un dépôt organique ou minéral. Le suivi du coefficient de transfert calorifique de l’échangeur renseignera aussi sur le niveau de son encrassement. Enfin, le suivi analytique, notamment physico-chimique, des eaux de circulation permet de comparer l’évolution de certains paramètres tels que TH, Ca, SO₄ ou Cl et ainsi d’en déduire la probabilité d’un encrassement.
Mais d’autres procédés existent. Afin de contrôler les phénomènes d’encrassement minéral sur une tour de refroidissement, Veolia Water Technologies a développé IDRHOSUR FCP – Fouling Control Programme. Ce dispositif, breveté, permet de mesurer en continu le caractère incrustant d’une eau en recirculation, et ainsi de vérifier et optimiser l'efficacité des traitements dispersants appliqués. Ce type de monitoring, de concert avec les technologies OSG Hydrex et Aquavista V-Trace, permet aux exploitants de sécuriser leurs installations et de réduire les consommations de produits chimiques. Chaque client équipé en solutions technologiques Veolia est connecté au nouveau portail VISION, duquel il a accès en un clic à l'ensemble des documents réglementaires à stocker concernant son process de refroidissement (AMR, FDS, cahier sanitaire...). La passerelle VISION AIR lui donne accès à l’enregistrement de l'ensemble des données (graphiques, mesures physico-chimiques, niveaux dans les cuves, consommations...) et lui permet d’avoir une traçabilité et une réception d’alarme en temps réel.
Autre indicateur, les bactéries sulfato-réductrices et thiosulfato-réductrices (BSR et BTR), connues pour générer de la corrosion biologique (biocorrosion). Ce phénomène est dû à l’activité métabolique des bactéries : elles absorbent le sulfate ou le thiosulfate dans le milieu et produisent du sulfure d’hydrogène (H₂S) par une réaction d'oxydo-réduction, et précipitent les ions ferreux (Fe²⁺), issus de l'oxydation des parois en acier des puits de forage, en sulfure de fer (FeS). Le sulfure d'hydrogène, à odeur nauséabonde d'œuf pourri, est un gaz extrêmement corrosif et toxique.
Les tests-kits Labège de type BSR ou BTR sont des milieux de culture développés par CFG Services permettant la mise en évidence et la numération sélective des bactéries BSR et BTR. Ils permettent de diagnostiquer la corrosion d'origine bactérienne et ainsi d’ajuster le traitement par les bactéricides. Ils se présentent sous la forme de petits flacons contenant 9 ml de milieu de culture. L’utilisation est simple : il suffit d’ensemencer le flacon avec 1 ml d’échantillon à analyser. Le noircissement du milieu, après incubation, indique la présence de BSR ou de BTR. Ces tests permettent d’effectuer deux
types d’analyses : la détermination de la présence ou de l’absence de bactéries dans un échantillon de dépôt de corrosion ou dans une eau par ensemencement d’un seul flacon, et la numération de BSR ou BTR dans les mêmes types d’échantillons, par ensemencement de plusieurs flacons.
CFG Services a également développé MIC Sensor®, un outil de mesure directe de la vitesse de biocorrosion sur des circuits industriels en acier au carbone. Issu d’un programme de recherche mené dans l’industrie pétrolière fortement consommatrice en biocides, l’outil permet de suivre en temps réel la corrosion associée à la présence d’un biofilm et ainsi d’optimiser les traitements chimiques. Il repose sur une sonde électrochimique capable de mesurer en temps réel la vitesse de corrosion, associée à un boîtier de commande déporté et un logiciel de pilotage spécifique.
Plusieurs développements de capteurs en ligne ont également abouti à des développements commerciaux dont les sondes de la gamme Neosens FS-1000 d’Aqualabo qui peuvent mesurer en ligne, ou sur by-pass, l’encrassement d’un circuit : biofilm, entartrage, slime, biofouling, etc. L’analyse de l’encrassement est basée sur un principe thermique, breveté, consistant en une mesure de la micro-diffusion d’impulsions de chaleur permettant d’évaluer les effets de résistance thermique liés à la présence d’un dépôt à la surface de la sonde.
La technologie Alvim, développée par Pronteau, repose quant à elle sur la mesure d’un signal électrochimique spécifique au biofilm. Elle permet également une détection efficace et fiable du début d’apparition du biofilm avec un signal proportionnel au recouvrement de la sonde, en temps réel.
Diogrem travaille également sur un capteur de biofilm, le Biox, capable de déclencher une alarme quand les conditions sont réunies pour permettre la croissance d’un biofilm. Le capteur est conçu de façon à ce que les microorganismes, stimulés électriquement, se déposent d’abord sur sa surface et ses côtés, ce qui permet de recevoir une alerte très en amont sur l’activité biologique et ses effets en termes de biofilm. Le capteur est prolongé par un analyseur permettant d’ajuster le dosage du biocide en conséquence, ou de mettre en place les mesures correctives qui s’imposent.
