L'eau, utilisée comme matière première ou comme fluide de rinçage des membranes d'ultrafiltration ou d'osmose inverse, est de plus en plus la cause du colmatage de membranes de séparation. La solution la plus courante pour réduire son pouvoir colmatant est de la préfiltrer sur des " filtres profondeur " consommables. Dans certains cas de figure (débits importants, charge en contaminants élevée, risque de colmatage imprévisible) des systèmes Backwash décolmatables à contre courant sont conseillés. Ils ont notamment été utilisés avec succès pour protéger des boucles de distribution d'eau dans l'industrie cosmétique.
Dans de nombreux secteurs industriels (centrales énergétiques, automobiles, agro-alimentaire, pétrochimie, papeterie, électronique, etc.), la déminéralisation des eaux par échanges d’ions constitue une étape essentielle dans la filière des traitements, ayant pour but l’alimentation des installations industrielles en eau de haute qualité (chaudières, procédés de fabrications, etc.). Deux techniques principales, dites à régénération co-courant et contre-courant, sont proposées aux utilisateurs. Aujourd’hui la régénération à contre-courant a, depuis longtemps, fait ses preuves : économie de réactif de régénération, meilleure qualité de l'eau traitée, fiabilité plus grande de l’exploitation.
Pour être efficace, une régénération à contre-courant doit gérer au mieux le maintien en lit compact des résines afin d’éviter le bouleversement des couches et l’apparition des chemins préférentiels.
La technique de blocage mécanique des résines entre deux planchers ou plateaux s’est peu à peu généralisée pour devenir le procédé de référence proposé aux utilisateurs. Nous avons, pour notre part, mis au point, dès le début des années 80, un tel procédé breveté dénommé UFD (Up Flow Degrémont).
Le procédé UFD et ses avantages
L’échangeur d’ions est constitué par une colonne comportant deux plateaux à buselures entre lesquels est bloqué le lit de résine. En production, le flux s’écoule de haut en bas de l’échangeur, la régénération s’effectuant de bas en haut. Environ 95 % du volume compris entre les deux plateaux est rempli de résine afin d’éviter la fluidisation éventuelle du lit au cours de la régénération.
De par sa simplicité, ce procédé présente de nombreux avantages :
-
• Fiabilité d’exploitation : les changements de débit et les arrêts éventuels n’affectent pas le bon fonctionnement du système eu égard au sens de l’écoulement du fluide. Son exploitation demeure ainsi à l’abri des aléas tels que, par exemple, l’arrêt de l’alimentation en eau brute.
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• Tolérance sur la qualité de l’eau brute : dans tous les procédés mettant en œuvre la régénération à contre-courant, l’eau brute doit être de très bonne qualité et exempte de Matières En Suspension (MES). Cependant, l’UFD est moins sensible aux MES résiduelles que d’autres procédés. En effet, les billes les plus fines, constituant la couche supérieure du lit de résine, retiennent majoritairement d’éventuelles MES encore contenues dans l’eau brute. Sous l'effet de la vitesse relativement élevée du courant lors de la phase n° 1 de “compactage” de la régénération (figure 1), une part importante de ces MES retenues traverse la couche de résine inerte et est évacuée à l’égout, réalisant ainsi un nettoyage partiel du lit de résine à chaque régénération.
Par ailleurs, la couche supérieure du lit de résine étant la seule affectée par les MES, son nettoyage est, en général, suffisant sans avoir à bouleverser les couches inférieures qui assurent la finition du traitement, ce qui facilite le redémarrage après nettoyage, sans altération significative de la qualité d’eau traitée.
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• Mise en œuvre d’importantes hauteurs de résine (jusqu’à 3 m) qui améliorent la qualité du traitement.
• Possibilité de réaliser des échangeurs à plusieurs compartiments superposés, par exemple : cation faible – cation fort ou anion faible – anion fort.
Les autres avantages sont inhérents à la technique de la régénération à contre-courant :
- . faible quantité de réactifs de régénération : on se rapproche de la quantité stœchiométrique ;
- . excellente qualité de l’eau traitée grâce à l’efficacité de la couche de finition ;
- . rinçages très courts des résines en fin de régénération, d’où une obtention très rapide de la qualité de l’eau traitée au redémarrage et un volume de rejets minimisé.
En raison de sa conception, le blocage mécanique entre planchers ne permet pas le nettoyage et le défrinage in situ des résines, celles-ci devant être sorties hydrauliquement de l’échangeur pour être lavées dans une colonne externe et transférées de nouveau dans l’échangeur après lavage. Cependant, ces opérations de transfert, très peu fréquentes grâce aux avantages intrinsèques du procédé UFD précités, sont courtes, simples à réaliser et ne présentent aucun risque.
15 ans d’expérience dans l’industrie
Depuis 15 ans, le procédé UFD a été adopté pour équiper plus de 200 installations industrielles parmi lesquelles la raffinerie Esso de Port-Jérôme, dont le compte rendu ci-dessous donnera un éclairage particulier quant aux différents aspects du procédé en exploitation à l’échelle industrielle.
Quelques données préliminaires :
- Débit : 325 m³/h en déminéralisation
- Chaînage : 1 échangeur de cation faible : diamètre 3,5 m 1 échangeur de cation fort UFD : diamètre 3,5 m 1 éliminateur de CO₂ 1 échangeur d’anion faible et fort superposé UFD : diamètre 3,5 m
- Eau à traiter : eau de forage ou eau de Norville
- Régénération : acide sulfurique et soude
Tableau I
Eau industrielle
| TH : | 38 °F |
| TAC : | 30 °F |
| SAF : | 12,5 °F |
| Silice : | 20 mg/l |
Eau traitée
| Conductivité : | 0,5 µS/cm |
| Silice : | 12 µg/l |
Tableau II
| Éléments | Consommation de réactifs | Volume des effluents | |
|---|---|---|---|
| Acide sulfurique | Soude | ||
| Valeur design : | 0,55 kg/m³ | 0,27 kg/m³ | 630 m³ |
| Valeur mesurée : | 0,57 kg/m³ | 0,29 kg/m³ | 599 m³ |
Le Chef de Projet précise que la nouvelle chaîne était destinée à remplacer des déminéralisations existantes et à faire face aux nouveaux besoins en eau du site. En 1992, après examen des technologies existantes, le choix d’Esso s'est porté sur l’UFD pour trois raisons principales :
- - procédé compétitif,
- - avis de l’ingénieur-conseil favorable,
- - volume d’effluents plus faible.
Après 15 mois de fonctionnement totalisant 313 cycles de production, le responsable de la Technique déminéralisation a résumé comme suit les conditions dans lesquelles il a utilisé le procédé et les conclusions qu’il en tire.
L'installation produit actuellement 110 % de sa capacité nominale de traitement de l’eau de forage et 105 % sur l’eau de Norville en obtenant les performances moyennes portées sur les tableaux I et II :
Ces performances permettraient l’utilisation directe de l’eau déminéralisée pour alimenter en appoint des chaudières à 83 bars sans traitement de polissage. Par ailleurs, l’exploitant insiste sur les gains d’eau de service puisqu’il en économise 40 % par rapport aux anciennes chaînes à contre-courant avec blocage à l’air. Il précise que les pertes de charge sont stables, que les résines anioniques n’ont pas été régénérées, que les cationiques l’ont été une seule fois et qu’aucun apport de résine n’a été effectué depuis la mise en service. En conclusion, l’utilisateur juge le procédé simple, fiable, d’un fonctionnement vraiment automatique et apprécie tout particulièrement le fait de pouvoir arrêter et redémarrer la chaîne sans problèmes pendant le cycle de production.
Conclusion
15 ans d’expérience acquise avec l’UFD sur les cinq continents constituent en soi une consécration du procédé et prouvent son indépendance technologique vis-à-vis des producteurs de résines échangeuses d’ions. Depuis sa première installation aux Pays-Bas en 1980 jusqu’à aujourd’hui, de 7,5 m³/h à 325 m³/h par échangeur, il a équipé pas moins de 200 sites industriels à travers le monde, en totalisant un débit traité de plus de 15 000 m³/h et ce, dans des domaines aussi divers que les centrales énergétiques, l’agro-alimentaire, la papeterie, l’automobile, l’électronique et la chimie-pétrochimie.
La protection
des membranes filtrantes
par des systèmes de filtration
décolmatables
L’eau, utilisée comme matière première ou comme fluide de rinçage des membranes d’ultrafiltration ou d’osmose inverse, est de plus en plus la cause du colmatage de membranes de séparation. La solution la plus courante pour réduire son pouvoir colmatant est de la préfiltrer sur des “filtres profondeur” consommables. Dans certains cas de figure (débits importants, charge en contaminants élevée, risque de colmatage imprévisible) des systèmes Backwash décolmatables à contre-courant sont conseillés. Ils ont notamment été utilisés avec succès pour protéger des boucles de distribution d’eau dans l'industrie cosmétique.
L’utilisation de membranes de séparation d’ultrafiltration, d’osmose inverse et de microfiltration tend à se généraliser dans les industries pharmaceutiques, alimentaires, chimiques...
Pour réduire au minimum les coûts d’exploitation de ces membranes, l'utilisateur devra veiller à leur assurer la durée de vie la plus longue possible tout en gardant intactes leurs performances.
Pour cela, il est nécessaire que les fluides qui entrent en contact avec ces membranes, en particulier l’eau, utilisée comme matière première, ou bien comme fluide de service pour les rinçages et les nettoyages, soit de bonne qualité, donc peu colmatante.
Dans la pratique, il s’avère en effet que les plus graves problèmes observés sur les membranes sont dus au contact de la membrane avec une eau chargée de matières en suspension, ce qui entraîne son colmatage plus ou moins rapide.
Fouling Index
Il existe actuellement des méthodes pour mesurer le pouvoir colmatant lié à la teneur en contaminants particulaires et colloïdaux de l’eau. En Europe, on utilise la méthode du Fouling Index (ou indice de colmatage), qui consiste à faire passer sur un disque de membrane de 0,45 μm, sous pression, à des instants différents, une même quantité d’eau et à comparer les temps de passage (encadré). La valeur du Fouling Index varie en fonction de la nature de l'eau : c’est ainsi qu’une eau de surface (lacs, rivières ou réservoirs), riche en matière organique, de faible minéralisation pourra correspondre à un Fouling Index non mesurable et qu’une eau souterraine (de forage profond), à forte minéralisation et faible taux de matière organique présentera un indice peu élevé (souvent inférieur à 5). Même les eaux de ville peuvent présenter des valeurs d’indice importantes et nécessiter un prétraitement (tableau 1).
Préfiltration de l'eau
Il existe une relation directe entre ces valeurs d’indice et l'encrassement des membranes de filtration, d’ultrafiltration et d’osmose inverse, qui intervient en général à plus ou moins longue échéance. L'installation de préfiltres est alors conseillée pour améliorer la qualité de l’eau : ils permettent en effet de réduire la valeur de l’indice à un niveau permettant de minimiser cet encrassement.
Dans certains procédés de fabrication, l'eau matière première doit être stérile. Il est alors indispensable de protéger par un préfiltre la séquence finale quand le fouling index de l’eau est trop élevé, si l’on veut maximiser la durée de vie de la membrane finale et donc obtenir des coûts d’exploitation réduits.
Dans les installations de traitement d’eau utilisant l’osmose inverse, la préfiltration permet de pratiquer des nettoyages moins fréquents des membranes, et donc d’obtenir une augmentation de leur durée de vie. Dans celles qui emploient l’ultrafiltration, où l’eau est utilisée pour le rinçage final (destiné à éliminer les restes de souillures désorbées ainsi que les restes de nettoyants et de désinfectants), la préfiltration évite de même le colmatage prématuré de la membrane.
Les fabricants de membranes et les sociétés de nettoyage se sont penchés sur ce problème et recommandent de ne pas dépasser certaines valeurs
d’indice de colmatage (tableau II).
Pour obtenir une eau correspondant à ces critères, il est recommandé de placer un préfiltre avant les membranes. Le préfiltre idéal doit présenter des caractéristiques spécifiques :
• il doit abaisser le Fouling Index au-dessous des valeurs requises par le constructeur ou la société de Nettoyage En Place (NEP) quelle que soit la valeur initiale de l’eau et avec une efficacité continue tout au long de la vie du filtre ;
• il doit posséder une forte capacité de rétention en poids afin d’allonger la durée de vie du filtre ;
• il doit être très poreux pour diminuer la perte de charge du système initial et augmenter sa durée de vie ;
• le coût de la préfiltration (rapport du prix d’achat à la durée de vie du filtre) doit être raisonnable.
Utilisation de filtres “profondeur” consommables
Le filtre Profile II constitue une excellente solution aux problèmes posés par le caractère colmatant de l’eau. Sa structure “profondeur”, où le diamètre des pores augmente graduellement de l’extérieur jusqu’à l’intérieur, lui donne la capacité de faire chuter efficacement le Fouling Index d’une eau même très colmatante. L’efficacité et la constance de cette filtration au cours du temps est garantie par le seuil de rétention absolu de ces cartouches Profile II, quelles que soient les variations de débit ou de pression appliquées.
Ces filtres, du fait de leur construction originale, présentent une porosité supérieure à celle des autres cartouches profondeur (bobinées, thermocompressées...), et donc une capacité de rétention bien accrue, qui permet dans des circonstances équivalentes d’obtenir une durée de vie bien plus longue (avec des volumes filtrés 2 à 3 fois plus importants).
Dans le cas de débits relativement faibles, et quand la charge en contaminant n’est pas trop élevée et régulière, la solution aux problèmes de colmatage consiste à placer un carter et ces cartouches consommables avant le point d’utilisation critique de l’eau. L’investissement est faible et les coûts d’exploitations ne représentent qu’une part infime du prix de l’eau ou de la membrane de séparation placée en aval.
Utilisation de filtres décolmatables
D’autres cas de figure peuvent toutefois se présenter : certaines configurations d’installation, la possibilité d’accidents obligent parfois les utilisateurs à envisager un système décolmatable.
Cette possibilité ne devra a priori être retenue que si on a l’assurance qu’un système consommable n’est pas économiquement acceptable, ce qui correspond aux cas suivants :
• Débits importants, quand le dimensionnement de l’installation est synonyme d’investissement élevé, et que les procédures de maintenance sont lourdes et laborieuses ;
• Charge en contaminants élevée, quand le changement fréquent des cartouches oblige à interrompre trop souvent les cycles de production ;
• Risques de colmatages imprévisibles, quand des accidents de contamination dus au mauvais contrôle de la qualité de l’eau peuvent colmater rapidement un jeu de cartouches neuf.
Dans ces situations, il est recommandé d’utiliser des systèmes décolmatables à contre-courant, ou Systèmes Backwash.
LES SYSTÈMES BACKWASH
Les systèmes Backwash sont employés pour assurer la clarification des fluides et en particulier la filtration de l’eau, en continu dans un procédé. Les performances de la filtration sont constantes et l’utilisation des filtres optimisée grâce à la régénération périodique des cartouches sans démontage.
Fonctionnement
Les cartouches de filtration, de forme cylindrique, sont suspendues sous une plaque circulaire fixée dans un carter (figure 2). Le carter comprend deux volumes séparés par la plaque porte-filtre et les filtres. Le liquide à traiter arrive par la partie inférieure du carter, et le filtrat est récupéré dans la partie supérieure du carter. Ce second volume a également vocation de réserve du liquide de décolmatage des cartouches. En cours de filtration (figure 3), les particules solides se déposent sur la surface des filtres et la perte de charge due à la traversée de la paroi filtrante augmente avec le volume filtré. Au-delà d’une certaine valeur de cette perte de charge, la filtration s’interrompt et l’opération de décolmatage est déclenchée.
Tableau I
Caractère colmatant d'une eau suivant les valeurs du Fouling index.
| Valeurs repères | Qualité de l'eau | Traitements recommandés |
|---|---|---|
| 0 à 3 | Non colmatante | Peut être utilisée directement sans traitement particulier |
| 3 à 10 | Peu colmatante | Traitement physique : préfiltration |
| 10 à 20 | Eau très colmatante | Traitement d'eau plus poussé indispensable : généralement coagulation/floculation |
Tableau II
Valeurs maximales recommandées pour l'eau suivant les membranes concernées.
| Membranes | Fouling index |
|---|---|
| Osmose inverse – Fibres creuses | 3 |
| Osmose inverse – Spiralée | 5 |
| Ultrafiltration | 2 |
| Microfiltration frontale ou tangentielle | 2 |
Tableau III
Évolution du Fouling Index lors de la filtration sur système Backwash.
| Eau de ville | Après Septra 1,4 µm absolu |
|---|---|
| 2,1 | 0,8 |
| non mesurable | 2 |
| 2,1 | 1,6 |
| 2,7 | 1,3 |
| 1,3 | 0,8 |
Représentation schématique du système
Les particules solides détachées des filtres lors du décolmatage, selon leur densité et en fonction des caractéristiques du procédé, sont évacuées par l’orifice de vidange, avec le liquide contenu dans le carter.
Décolmatage
Le Backwash permet de régénérer les cartouches filtrantes qui se sont chargées d’une couche de particules solides lors de la filtration. Le décolmatage est obtenu par un flux inverse de liquide (un volume déterminé de filtrat ou de liquide de rinçage) au travers de la cartouche filtrante. La régénération des cartouches est obtenue en provoquant l'envoi d’un flux de liquide à grande vitesse et à contre-courant. Ce flux est réalisé par la pressurisation de la partie aval du centre avec un gaz sous pression (en général de l'air).
Utilisation d'un système Backwash pour protéger une séquence de filtration stérilisante d'eau
Un système Backwash est utilisé avec succès pour protéger une boucle de distribution d’eau dans l'industrie des cosmétiques.
L'utilisateur avait observé une consommation parfois élevée du préfiltre 1 µm qui protège ici la filtration finale stérilisante. Les mesures effectuées (Fouling Index, turbidité, matières organiques) avaient permis de montrer que le colmatage des filtres situés au départ de la boucle, en particulier du 2ᵉ préfiltre, provenait de l’eau d'alimentation de la boucle. Cette eau à fort pouvoir colmatant (FI non mesurable) présentait une dominante de contamination organique (vraisemblablement micro-organismes et polysaccharides associés). L’augmentation de la durée de vie des filtres au départ passait donc par une limitation du volume de contaminants entrant dans le système bouclé et par un contrôle du développement microbien (et donc des matières organiques) à l'intérieur de la boucle, et en particulier au niveau des résines.
Un pilote Backwash assurant un prétraitement en continu a donc été mis en place pour protéger les résines en réduisant la charge colmatante et le Fouling Index de l'eau en amont.
Les cartouches Septra décolmatables utilisées dans cette application comportent un médium de filtration en polyaramide plissé qui permet d’offrir une grande surface de filtration par élément (1,9 m² pour 1 m de longueur). La filtration de l'eau est ainsi assurée avec un seuil de rétention absolu de 1,4 µm.
Des mesures de Fouling Index, effectuées avant et après le pilote, une fois par jour pendant trois semaines, ont montré que les résultats obtenus étaient toujours conformes aux prescriptions du cahier des charges qui préconisaient une valeur de FI inférieure à 3 (tableau III). Des essais critiques, menés en simulant une forte charge de contaminants, supérieure à celles qu’on avait pu observer sur la boucle, se sont révélés aussi satisfaisants. Un dimensionnement du système adapté au débit a conduit à l'installation d'un Backwash comprenant cinq éléments filtrants de 1 m de longueur.
L'installation fonctionne en discontinu (en fonction de la demande sur une période maximum de 12 h par jour) et elle est régénérée pendant la nuit. L'intervention du Backwash dure moins d'une minute ; le décolmatage est parfois complété par une stérilisation chimique. Le système est vidangé chaque jour et rincé avant utilisation. Il fonctionne depuis six mois et donne toute satisfaction tant du point de vue de la qualité de l'eau que du coût d'exploitation.
Conclusion
Les systèmes Backwash, qui peuvent être entièrement automatisés, présentent une facilité de mise en œuvre et une sécurité de fonctionnement importantes pour les utilisateurs.
Leur utilisation sera particulièrement appréciée dans les opérations de filtration des eaux.
De nombreuses applications sont envisageables pour l'utilisation de systèmes sur l’eau de procédés dans les industries des boissons, laiteries ou la fabrication de médicaments où les débits d’eau sont importants et dans lesquelles les arrêts de productions dus aux changements de filtres sont très dommageables pour la bonne marche de l'exploitation.
