Pentair X-FLOW Ultrafiltration pour la réutilisation des effluents de stations d'épuration - Études de cas en Chine

La filière de traitement commune aux projets est la suivante :

• • La source d’alimentation est soit l’effluent secondaire d’un processus de boues activées ou les rejets en eaux usées industrielles générées sur site.
• • L’effluent secondaire est clarifié avant traitement ultérieur. Les rejets en eaux usées industrielles sont typiquement traités au moyen de systèmes de préfiltration.
• • Le traitement tertiaire utilise la technologie d’ultrafiltration Pentair X-Flow.
• • La réutilisation de l’eau est prévue pour des applications non potables.

Les projets diffèrent entre eux sur plusieurs critères :

• • Les études de cas montrent de grandes variations de fonctionnement.
• • Les exigences de qualité de l’eau en vue de la réutilisation varient entre les différents cas.
• • Sur la base des exigences de qualité de l’eau à réutiliser, des traitements complémentaires sont requis.

Chaque projet de réutilisation a été mis en œuvre avec succès, démontrant ainsi la pertinence de l’ultrafiltration comme un procédé de traitement robuste et fiable capable de traiter les effluents d’eaux usées de qualité variable.

Réutilisation des eaux usées au niveau mondial

Bien que l’eau semble être abondante sur notre planète, la disponibilité de l’eau douce et son accessibilité est désormais un enjeu majeur. La filtration membranaire a toujours tenu la promesse d’être en mesure de fournir suffisamment d’eau fraîche provenant de sources non potables. Ces dernières peuvent être souterraines, de surface et de mer. De même, l’une des ressources la plus abondante en eau est celle disponible au départ d’installations de traitement des eaux usées municipales ou industrielles. Cependant, ce n’est que récemment que les services de santé ont permis de considérer le traitement de ces eaux sur membrane comme étant acceptable pour une réutilisation non potable. Les membranes d’ultrafiltration.

Ultrafiltration fournissent une barrière physique optimale réduisant le risque inhérent aux virus, bactéries et parasites présents dans les effluents. Ainsi, lors de la dernière décennie, les filières de traitement pour la réutilisation des eaux usées municipales et industrielles utilisant les membranes d’ultrafiltration se sont très largement répandues dans plusieurs régions et pour diverses applications :

• Réutilisation potable directe : à l'heure actuelle, un seul endroit dans le monde pratique la réutilisation directe des eaux usées municipales, la ville de Windhoek (Namibie). Cette installation mise en service en 2002 avec une capacité de 850 m³/h a été agrandie en 2008 à 1 000 m³/h.
• Réutilisation potable indirecte : cette approche est pratiquée dans plusieurs endroits à travers le monde. Singapour a mis en place un programme de réutilisation dans le cadre de sa stratégie « Four taps ». Grâce à l'utilisation de doubles barrières par UF et OI, les eaux usées sont traitées et mélangées avec des sources d’eau de surface stockées dans des réservoirs. Aux États-Unis, et en particulier en Californie, les effluents traités ont été utilisés pour recharger les nappes aquifères. Au Moyen-Orient, et ce depuis plusieurs années, deux pays sont à la pointe de la réutilisation des eaux usées de STEP municipales, à savoir :
  • Le Koweït avec la combinaison d’un étage UF et NF d'une capacité de 375 000 m³/j en service depuis 2004.
  • Le Qatar avec trois installations majeures : Doha West 175 000 m³/j, Doha South 225 000 m³/j et Doha North 439 000 m³/j.

La réutilisation de l’eau à des fins non potables constitue toutefois l'application la plus répandue pour la réutilisation des eaux usées traitées car elle ne souffre pas de l’a priori négatif des utilisateurs qui pourraient être rebutés à l'idée de boire une eau issue d'une STEP même si celle-ci est parfaitement propre à la consommation humaine.

Le présent document décrit ainsi trois de ces applications – non potables – réalisées en Chine, sur les centrales électriques de « Shang’An Huaneng » et de « Sun Palace » et sur l'usine de traitement des eaux usées de « Qinghe ». Ce document apportera des précisions sur les différences et les similitudes entre les trois projets.

Centrale thermique de Shang’An Huaneng

La centrale thermique au charbon de Shang’An Huaneng exploite quatre unités de production de vapeur : deux de 350 MW et deux de 300 MW. L'eau d’appoint pour le circuit de refroidissement est alimentée par un mélange d’eau douce et d’eau osmosée. Les eaux issues des purges de déconcentration du circuit de refroidissement sont envoyées vers une unité d’osmose inverse afin d’être réutilisées pour alimenter les générateurs de vapeur et les circuits de refroidissement.

L’unité de production d'eau osmosée possède une capacité de 600 m³/h et est précédée par une étape d’ultrafiltration de 800 m³/h comme prétraitement.

En effet, les eaux issues des purges de déconcentration présentent une teneur en MES de 56 mg/l et une turbidité jusqu’à 10 NTU leur conférant un indice de colmatage élevé et les rendant impropres pour une alimentation directe des membranes d’osmose inverse.

La technologie la plus appropriée pour éliminer les matières en suspension avant l’osmose inverse est l’ultrafiltration. Avec une taille de pores de 0,025 micron, les membranes d’ultrafiltration retiennent la totalité des matières en suspension et des substances non dissoutes responsables de la turbidité. Elles permettent de garantir une qualité de perméat optimale et constante dont l’indice de colmatage est très inférieur à 3.

Les membranes d’osmose inverse sont ainsi protégées efficacement contre les phénomènes de colmatage prématurés.

Le dimensionnement des installations d’ultrafiltration peut être prévu pour traiter des niveaux élevés de MES, jusqu’à 250 ppm. Cependant, du fait des principes de fonctionnement inhérents à la conception des installations d’ultrafiltration, les pertes en eau vont augmenter avec l’augmentation des niveaux de MES. Ceci est dû à l’augmentation de la fréquence des cycles de contrelavage nécessaires pour éliminer les matières en suspension accumulées à l’intérieur du système UF pendant le fonctionnement.

Afin de minimiser les pertes d’eau, le client a opté pour un système de prétraitement en amont des membranes UF. Il est fait usage d’un filtre « Comet » qui utilise un support fibreux plutôt qu’un substrat granulaire. Les avantages des médias fibreux sont :

• Une porosité très élevée, de 90 à 95 %, comparativement à seulement 45 % pour les milieux granulaires. Il en résulte une capacité de rétention importante des impuretés et une vitesse de filtration élevée pouvant atteindre 50 m/h, contre 10 m/h pour les filtres média granulaires.
• Les médias fibreux « se déploient » au cours d’un lavage. Cela garantit un lavage très efficace, avec des pertes de lavage minimales.

Le prétraitement au moyen des filtres Comet permet d’optimaliser le dimensionnement de l’ultrafiltration. Il en résulte un système de prétraitement très efficace pour le système OI.

L’installation UF/OI a été construite en 2008, après un essai pilote effectué en 2007. Les membranes d’ultrafiltration Aquaflex

de Pentair X-Flow ont été choisies pour le prétraitement en amont de l’unité OI, voir illustration 1.

La performance du système de prétraitement est illustrée dans les graphiques ci-contre reprenant les résultats de l’installation pilote. Les performances actuelles de l'installation sont conformes aux résultats du pilote et ce jusqu’à la date du présent document. Le graphique 1 montre la performance du filtre Comet sur l'eau brute d’alimentation. Ce diagramme indique clairement que la turbidité de l'eau d’alimentation est réduite à moins de 1 NTU en toutes circonstances. Deux membranes UF ont été testées de façon indépendante.

Le graphique 2 montre la performance de l'ultrafiltration au niveau de l’abattement de la turbidité. Cette dernière est presque réduite en dessous de la limite de détection pour le perméat.

Le graphique 3 montre le niveau de l'index de colmatage (SDI15) du perméat de l'ultrafiltration. Le niveau minimum de SDI15 requis pour le bon fonctionnement d'un système d'osmose inverse est de < 3. Il est évident que l’obtention d’un résultat moyen < 1,5 ne peut qu’améliorer les performances de l'osmose inverse en réduisant la fréquence des nettoyages. La fréquence de nettoyage réduite permettra également d’augmenter l’espérance de vie des membranes d’osmose inverse.

La performance du système d’ultrafiltration est indiquée par le flux (exprimé en litres par mètre carré par heure, lmh) et la pression transmembranaire (PTM, indiquée en bar). La membrane UF a été opérée à un flux constant de 80 lmh. Ce flux relativement élevé permet de réduire le niveau d'investissement et de minimiser les pertes d'eau dues au lavage de la membrane.

Le graphique 4 montre la performance du système au cours des premières 2100 heures de fonctionnement.

heures de fonctionnement. La performance est corrigée pour la température afin de permettre une comparaison non biaisée au fil des saisons. La PTM reste en dessous de 0,8 bar, à tout moment, avec une valeur typique de 0,3 bar. À 0,3 bar PTM la consommation d’énergie spécifique du procédé d’ultrafiltration est de 0,01 kWh/m³ d’eau en cours de production (en supposant un rendement de 90 %).

Centrale électrique

Beijing Sun Palace

La centrale thermique Beijing Sun Palace, située à Sun Palace district de Chaoyang à Pékin, est un projet qui fut construit pour les Jeux olympiques de 2008. L’unité de gaz-vapeur générateur de chaleur a une capacité de 2 x 350 MW. Outre l’électricité, la centrale fournit également de la vapeur pour le chauffage urbain. La source d’eau d'appoint pour le réseau de la chaudière et le chauffage dans le projet vient de la STEP de Jiuxianqiao. La STEP traite les eaux usées industrielles et municipales, où les principaux polluants sont : les matières organiques, matières en suspension et les huiles. L’usine est conçue pour traiter une capacité de 2500 m³/h. Le principal traitement est la dégradation biologique de la matière organique par un procédé d’oxydation suivi d’une clarification. Pour la réutilisation, l’effluent biologique est ensuite traité par une filtration sur multi-media et une stérilisation. La qualité de l'eau typique en aval des filtres multimédia est < 10 mg/l de MES. La centrale électrique requiert un débit de 153 m³/h d’eau avec deux niveaux de qualité : faible matière dissoute totale pour le chauffage urbain et déminéralisée pour l'alimentation de la chaudière. Ces exigences imposent l'utilisation de l’osmose inverse à simple étage pour le chauffage urbain et un deuxième étage OI suivi d'un traitement sur résine échange d'ions pour l'alimentation de la chaudière. Le premier étage du système d’OI ne peut pas fonctionner sur un niveau de MES de 10 mg/l. L’ultrafiltration est nécessaire pour assurer le pré-traitement de l’osmose inverse. Trois unités UF de 45 m³/h chacune fonctionnant en parallèle sont prévues. L’illustration 2 montre l'une des unités d’ultrafiltration. Chaque unité est équipée de 22 modules membranaires Aquaflex de 40 m³ chacun. Les graphiques 5 et 6 montrent les performances qualitatives du système d’ultrafiltration.

La turbidité à la sortie du système UF est réduite à la limite inférieure de détection pour la plupart du temps. La turbidité moyenne est calculée à 0,055 NTU à la sortie UF.

Le niveau SDI15 en sortie UF est illustré par le graphique 6.

Le niveau minimum de SDI15 requis pour le bon fonctionnement d’un système d'osmose inverse est de < 3. Il est évident que l'obtention d'un résultat moyen de 1,2 à 1,3 ne peut qu’améliorer les performances de l’osmose inverse en réduisant la fréquence des nettoyages. La fréquence de nettoyage réduite permettra également d’augmenter l'espérance de vie des membranes d’osmose inverse.

La performance du système d’ultrafiltration est indiquée par le flux (exprimé en litres par mètre carré par heure, lmh) et la pression transmembranaire (PTM, indi-

exprimée en bar). La membrane UF a été opérée à un débit constant de 80 l/m²·h. Le graphique 7 montre la performance du système au cours des premières 1200 heures de fonctionnement. Le PTM fluctue entre 0,2 et 0,4 bar, avec une valeur typique de 0,3 bar.

Projet de réutilisation des eaux usées de Qinghe

Contrairement aux deux projets présentés ci-avant, l'installation de réutilisation des eaux usées de Qinghe ne produit pas d’eau pour un seul client industriel. Le projet Qinghe est un projet exécuté par la société Beijing Drainage Group. Les eaux en provenance du traitement par ultrafiltration seront utilisées pour des applications industrielles, agricoles et municipales.

Les exemples sont : l'irrigation, la recharge de lacs et d’étangs, l'aménagement paysager et l'alimentation en eau de circuit de refroidissement. La source d’eau d’alimentation au projet de réutilisation sont les effluents de la STEP de Qinghe. Les exigences qualitatives de l'eau à réutiliser ne nécessitent pas un traitement complémentaire par osmose inverse car la teneur en minéraux de l'eau est acceptable pour les applications de réutilisation envisagées.

L'usine de réutilisation peut fournir jusqu’à 320 000 m³/jour d’une eau purifiée de haute qualité qui est distribuée via un réseau dédié. Ce projet est l'un des plus importants de ce type dans le monde et fait partie de la stratégie globale du gouvernement de Pékin de réutiliser toutes les eaux usées produites dans la ville. Ce projet fait suite à une usine de démonstration utilisant la technologie d’ultrafiltration et mise en service en 2006 avec une capacité de 80 000 m³/jour.

Afin d’assurer la sécurité d’approvisionnement et d’améliorer le délai de livraison du projet global, le projet a été scindé en deux usines d'ultrafiltration : l'une de 140 000 m³/jour et l'autre de 180 000 m³/jour. GreenTech Water Engineering Co. Ltd., conjointement avec Pentair X-Flow, ont été sélectionnés pour fournir l’usine ayant la plus grande capacité : soit une capacité moyenne de 180 000 m³/jour et maximale de 250 000 m³/jour.

Une vue 3D de l'installation UF une fois terminée est présentée en illustration 3. L'installation d'ultrafiltration se compose de 12 unités UF. Ces unités sont regroupées en quatre groupes de trois, chaque groupe avec son propre ensemble d’alimentation comprenant les pompes d’alimentation et préfiltres. Ceci garantit la redondance des systèmes et une flexibilité maximale. Le contrôle du débit est établi par la combinaison du contrôle du débit d'alimentation propre à chaque unité et par la mise hors circuit d’une ou plusieurs unités UF en cas de plus faible demande.

L'installation de nettoyage comprenant les pompes de contre-lavage et les systèmes de dosage des produits chimiques est commune à toute l’installation. L'installation de Qinghe a été mise en service en juillet 2013.

Conclusion

Les études de cas ci-dessus présentent différentes options pour la réutilisation des eaux usées en provenance de STEP et ceci en fonction des objectifs de qualité pour l'eau réutilisée. Dans tous les cas, chaque installation fournit une eau d'une excellente qualité grâce à la mise en œuvre de l'ultrafiltration dans la filière de traitement.

Bien que chaque système utilise différentes sources d’alimentation (eaux usées industrielles et des eaux usées municipales) et de post-traitement différents (aucun, osmose inverse simple étage ou double étage suivis par une étape sur résine échangeuse d'ions), ils reposent tous sur la même technologie de base, les membranes d’ultrafiltration X-Flow.

La technologie d’ultrafiltration garantit l’élimination bactériologique et virale nécessaire pour une réutilisation directe ou fournit une eau de qualité pour d'autres étapes de traitement tel que le procédé membranaire d’osmose inverse (SDI < 3).

La compétitivité de la technologie membranaire s’étant fortement améliorée durant la dernière décennie en fait une technologie de choix par rapport aux traitements conventionnels dans le cadre de la réutili-

Voici une liste sommaire des références sélectionnées pour des applications de réutilisation en Chine qui emploient la technologie d'ultrafiltration de Pentair X-Flow :

• • Centrale électrique de Dalian Taishan : capacité 240 m³/h (5 760 m³/j) – installation avec configuration Xiga.
• • Centrale électrique de Jingfeng : capacité – phase 1 : 225 m³/h (5 400 m³/j) et phase 2 : 300 m³/h (7 200 m³/j) – installation avec configuration Xiga.
• • Centrale électrique de Zangshan : capacité 220 m³/h (5 280 m³/j) – installation avec configuration Aquaflex.
• • Municipalité de Changping, réutilisation des eaux usées : capacité 833 m³/h (20 000 m³/j) – installation avec configuration Xiga.
• • Municipalité de YangQuan, réutilisation des eaux usées : capacité 2 × 833 m³/h (2 × 20 000 m³/j) en deux phases – installation avec configuration Xiga.

Toutes ces installations rencontrent les trois principales exigences requises pour la réutilisation de l’eau :

1. 1. Réduction des agents pathogènes, même dans le cas de contact humain involontaire.
2. 2. Le traitement par ultrafiltration est compétitif compte tenu des risques inhérents à l’utilisation de traitement conventionnel comme pré-traitement à l’osmose inverse, offrant des coûts d’exploitation minimisés (durée de vie des membranes supérieure à 7 ans).
3. 3. Il fournit un approvisionnement constant et sécurisé en eau aux utilisateurs potentiels tout en satisfaisant aux critères des autorités gouvernementales de la santé.