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L’oxygène et le dioxyde de carbone : des alliés écologiques et économiques pour le traitement des eaux

31 decembre 2020 Paru dans le N°437 à la page 125 ( mots)
Rédigé par : Florian FOLLUT et Gilles QUETIN de MESSER FRANCE

Au cœur des activités humaines, l’usage de l’eau pour des besoins domestiques est une évidence (boire, se laver, etc.) et elle est également indispensable dans la plupart des procédés industriels qu’il s’agisse d’agriculture, de la production du béton, du nettoyage de moules, de la fabrication de papier ou encore la transformation d’aliments. Que ce soit pour la gestion de l’eau potable, des eaux usées ou des effluents industriels, l’oxygène et le dioxyde de carbone, deux gaz qui font partie du cycle naturel de l’eau, jouent un rôle clé pour aider les professionnels à répondre aux exigences de leurs secteurs de façon efficace, économique et respectueuse de l’environnement. En effet, si les applications et les industries concernées sont diverses, les besoins en matière de qualité de l’eau et de traitements le sont également.

Reminéraliser l’eau potable et améliorer sa qualité avec le CO2

Toutes les eaux naturelles n’ont pas les mêmes propriétés : si elles ne sont pas suffisamment minéralisées elles pourraient non seulement corroder les canalisations et les équipements, mais également être problématique pour la santé des consommateurs en raison de leur teneur faible en calcium et magnésium. C’est le cas par exemple des eaux issues de zones riches en granite, grès ou basalte, ainsi que des eaux produites par désalinisation (distillation, osmose inverse) qui sont très douces. De ce fait, une étape de minéralisation est alors nécessaire pour augmenter la dureté de l’eau et pallier les désagréments.
L’injection du dioxyde de carbone dans l’eau à traiter est également une méthode qui permet d’en renforcer la minéralisation. Pour la mettre en œuvre, deux solutions s’offrent aux usines de potabilisation de l’eau : soit la reminéralisation par ajout de CO et de chaux, soit la reminéralisation par injection de CO2 couplée à un passage sur un filtre calcaire. Le dioxyde de carbone réagit avec la chaux ou le filtre calcaire pour former du bicarbonate de calcium qui se dissout dans l’eau. Les équipements utilisés respectent la réglementation ACS pour les matériaux en contact avec l’eau potable. De plus, il est nécessaire d’utiliser du CO2 de qualité alimentaire et qui respecte la norme NF EN 936 spécifique à l’utilisation du CO2 pour la production d’eau potable. Cette solution apporte efficacité et qualité au cours de cette étape. De cette manière, l’eau obtenue est de qualité, la dissolution du CO2 dans l’eau est optimisée de même que la quantité de gaz nécessaire, l’équilibre calco-carbonique est maîtrisé et les équipements sont protégés contre le risque de corrosion.

Doper les stations d’épuration biologiques avec l’oxygène

Un accroissement de la pollution moyenne ou la pollution saisonnière peut impacter la capacité des stations d’épuration biologiques auquel cas l’utilisation exclusive de l’oxygène de l’air peut s’avérer insuffisante. L’importante teneur en azote de l’air limite l’apport en oxygène nécessaire pour la respiration et le métabolisme des micro-organismes chargés d’éliminer les composants organiques présents dans l’eau. Ce phénomène naturel peut notamment entraîner l’augmentation de la charge massique, ce qui se traduit le plus souvent par un déficit en oxygène dissous dans le bassin d’aération, le non-respect des normes, le dégagement de mauvaises odeurs ou encore le développement de bactéries filamenteuses. C’est dans ce contexte que le dopage à l’oxygène pur représente une alternative économique et souple aux méthodes traditionnelles d’aération. Cette solution consiste à injecter de l’oxygène pur dans les bassins au lieu d’injecter de l’air. Quel que soit le type de bassin, elle permet d’optimiser le rendement de dissolution d’oxygène. En fonction du type d’installation, deux méthodes d’injection peuvent être proposées : le bullage en fond de bassin ou l’injecteur de type Venturi immergé ou flottant. Le choix du système se fait en fonction de l’application, des caractéristiques de la station de traitement comme la géométrie et la disponibilité du bassin, ainsi que du coût de l’énergie électrique sur le lieu d’implantation.
Schéma du fonctionnement d’un bioréacteur à membrane équipé d’une injection d’oxygène pur (source : Messer France).

Les professionnels de nombreux secteurs tels que la chimie, l’agroalimentaire, la papeterie, la pharmacie ou encore l’assainissement collectif des eaux usées (stations d’épuration biologiques collectives) sont convaincus par cette technologie. En plus de réduire les coûts, les gros avantages d’utiliser de l’oxygène pur à la place d’air, sont le maintien d’une concentration d’oxygène dissous élevée et l’augmentation sensible de la capacité de traitement des installations sans aucune modification. De fait, les coûts d’investissements liés à la construction d’ouvrages supplémentaires (agrandissement de bassins, nouveaux bassins) sont supprimés. De même, les coûts de fonctionnement et de maintenance sont réduits par rapport à un système d’aération classique qui utilise l’air. Autres atouts : le dopage à l’oxygène pur maintient une concentration élevée de boues dans les bassins et assure un fonctionnement optimisé du clarificateur. On observe également une élimination des problèmes d’odeurs, une réduction du phénomène de moussage en surface des bassins et une forte diminution des émissions de composés organiques volatils (COV).

Le CO2 : pour neutraliser le pH des effluents industriels

Si l’eau est une ressource indispensable pour les activités industrielles, son utilisation peut générer des effluents alcalins. Ces derniers sont encadrés de façon rigoureuse par la législation environnementale et doivent être traités avant de pouvoir être rejetés dans le milieu naturel ou recyclés et réutilisés dans le procédé. La loi exige en effet que leur pH soit compris entre 5,5 et 8,5.
Pour traiter ces effluents alcalins avant leur rejet et réguler leur pH, on peut généralement faire appel à des acides forts tels que l’acide sulfurique ou l’acide chlorhydrique. Certes efficace, cette méthode présente de nombreux inconvénients (émission de vapeurs nocives, corrosion des équipements ou encore rejet de chlorures, de sulfates). Dès lors, il est préférable pour les industriels, et c’est très répandu, de privilégier une alternative respectueuse des opérateurs et de l’environnement à savoir remplacer l’utilisation d’acides forts par l’injection de CO2. Le dioxyde de carbone est de loin la solution la plus adaptée ici. Dissous dans l’eau, il forme l’acide carbonique. Cet acide faible, grâce à son effet tampon, permet une régulation précise du pH en évitant tout risque de suracidification. Il n’augmente pas la salinité de l’eau contrairement à l’utilisation d’acides minéraux. À coût équivalent, voire moindre, la neutralisation du pH grâce au CO2 est une application vertueuse qui ne présente que des avantages par rapport aux solutions classiques plus agressives. Le CO2, gaz inerte, est stocké dans des bouteilles/cadres de bouteilles ou dans des réservoirs basse pression, selon les besoins. Les systèmes de neutralisation par injection de CO2 sont faciles à intégrer et à utiliser. De plus, l’acheminement du CO2 jusqu’au point d’application est simple. Les risques liés à la sécurité des équipements et des personnes sont également supprimés, car d’une part, il ne nécessite pas de manipulation et de stockage d’acides forts (brûlures des opérateurs, dégagements de vapeurs nocives). D’autre part, puisque le CO2 est non corrosif : il ne nécessite donc pas de maintenance coûteuse ou de renouvellement matériel. Enfin, c’est un procédé respectueux de l’environnement, car une fois dissous, le CO2 ne génère que des carbonates naturellement présents dans l’eau alors que les acides forts génèrent des chlorures ou encore des sulfates à l’origine d’une pollution secondaire de l’eau ainsi traitée.
Cette solution technologique est notamment mise en œuvre dans les secteurs des boissons, de l’agroalimentaire, du papier et de la cellulose, du textile, de la chimie/pharmacie, de la blanchisserie industrielle, de la transformation du béton, du lavage de pièces métalliques ou en verre.

Deux gaz, 2 ressources valorisées : l’oxygène et le CO2

Les deux gaz que nous venons de détailler sont présents sur la planète et nous pouvons les valoriser grâce aux différentes applications précitées. L’oxygène est obtenu par séparation de l’air ambiant dans des unités de séparation des gaz de l’air. Le CO2, quant à lui, est un produit de récupération : c’est un coproduit fabriqué in fine par les industries chimiques (production d’engrais, de bioéthanol, etc.). Il est récupéré de ces rejets industriels concentrés, puis purifié, liquéfié et contrôlé. La neutralisation des effluents industriels et la reminéralisation de l’eau potable constituent deux applications technologiques vertueuses du CO2. Celui-ci connaît en effet une seconde vie sans être rejeté dans l’atmosphère et remplace l’utilisation d’une autre solution moins performante économiquement et écologiquement.

L’expertise de Messer

Messer fournit non seulement les gaz nécessaires pour ces applications, mais propose également à ses clients des solutions clé en main qui vont de la consultation à la conception de l’installation et à la fourniture d’une large panoplie de moyens d’injection, sans oublier la mise en œuvre sur le site et l’assistance. L’objectif étant de leur fournir une technologie adaptée à leurs besoins et à la configuration de leur site. Une équipe d’experts spécialisés dans le traitement des eaux est à leur écoute et les accompagne tout au long de leur projet. Ainsi, Messer ne cesse d’innover en la matière.
Comparaison des courbes de neutralisation par injection de CO2 ou d’acide fort.

En complément, la digitalisation des procédés permet au fabricant de gaz industriels d’offrir une gamme complète de services adaptés aux besoins de ses clients, pour une gestion simplifiée des gaz au quotidien. C’est par exemple le cas de l’E-Invoice, pour recevoir ses factures par mail et y avoir accès sur un portail dédié ou encore de l’E-Monitoring. Ce système de télémétrie permet de visionner à distance les niveaux de remplissage des équipements de stockage de gaz liquéfié Messer et de déclencher le réapprovisionnement à l’initiative du client ou des équipes logistiques de Messer.

Afin de garantir un approvisionnement sûr et fiable en CO2 à ses clients, Messer a diversifié son sourcing usine et dispose aujourd’hui du panel le plus diversifié du marché, avec 5 types de sources (bioéthanol, industrie chimique, production d’engrais, production d’hydrogène et source naturelle). L’année 2020 a marqué une nouvelle étape de cette stratégie. En effet, en septembre dernier, Messer France a signé un nouvel accord avec son partenaire Vertex Bioenergy, leader dans la production de bioéthanol en Espagne et en France. Messer construira et exploitera une 2e unité de récupération de CO2 sur le site de Vertex Bioenergy à Lacq, dans le sud-ouest de la France. De son côté, Vertex Bioenergy, à travers sa société Bioénergie du Sud-Ouest S.A., fournira un total de 130 000 tonnes de CO2 brut par an pour les deux unités de récupération. Cette nouvelle usine représente un investissement de 11,3 millions d’euros et son démarrage, prévu en juillet 2022, permettra à Messer de doubler les capacités de production de CO2 de ce site. 
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