La « dureté » dans l'eau à haute teneur en sel-fait principalement référence aux cations calcaires tels que le calcium (Ca²⁺), le magnésium (Mg²⁺), le strontium (Sr²⁺) et le baryum (Ba²⁺). S'ils ne sont pas éliminés avant le-traitement, ces cations formeront des couches de tartre dures telles que le sulfate de calcium, le carbonate de calcium et le silicate de magnésium au cours du processus de concentration élevé-suivant. Ceux-ci peuvent obstruer les pores de la membrane, endommager les éléments de la membrane ou adhérer aux tubes d'échange thermique de l'évaporateur, réduisant considérablement l'efficacité du transfert de chaleur et augmentant la fréquence de nettoyage et les coûts d'exploitation.
Voici quelques procédés de prétraitement de ramollissement et d'élimination de la dureté couramment utilisés et très efficaces :
1. Ramollissement par précipitation chimique
C’est le procédé le plus classique et le plus utilisé. Son principe de base est d'ajouter des produits chimiques pour convertir les ions de dureté en un précipité extrêmement faiblement soluble, qui est ensuite séparé par sédimentation ou filtration.
a) Procédé à la chaux-soude : il s'agit de la méthode privilégiée pour traiter les eaux usées de haute-dureté, en particulier lorsque la dureté calcique est élevée et la dureté magnésium est faible.
La réaction est un processus en deux-étapes :
Élimination de la calcification : Tout d'abord, de la chaux (Ca(OH)₂) est ajoutée pour convertir le bicarbonate de calcium présent dans l'eau en précipité de carbonate de calcium. Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O
Dureté non-carbonatée : Ensuite, du carbonate de sodium (Na₂CO₃) est ajouté pour réagir avec la dureté non-carbonatée du calcium et du magnésium dans l'eau.
CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄
MgSO₄ + Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂↓ + CaSO₄ (le CaSO₄ résultant réagit ensuite avec le carbonate de sodium).
Caractéristiques : Le pH optimal pour la décalcification de la chaux est généralement de 9,5 à 10,5 ; pour une élimination avancée du magnésium, le pH doit être augmenté à 10,5-11,0 ou même plus, car la précipitation de l'hydroxyde de magnésium nécessite une alcalinité plus élevée. Théoriquement, les concentrations de calcium peuvent être réduites à 30-40 mg/L (mesurées en CaCO₃) et les concentrations de magnésium à moins de 10 mg/L.
Avantages : Faibles coûts de réactifs (la chaux et le carbonate de sodium sont peu coûteux), technologie mature et capacité de traitement élevée.
Inconvénients : génère une grande quantité de boues chimiques (environ 1 à 3 % du volume d'eau traitée), nécessitant des unités de déshydratation des boues supplémentaires ; l'augmentation du pH augmente le total des matières dissoutes (TDS) dans l'eau.
b) Méthode à l'hydroxyde de sodium-soude : cette méthode utilise de la soude caustique liquide (NaOH) au lieu de la chaux et convient aux applications avec une dureté de magnésium élevée ou lorsque l'introduction d'ions calcium supplémentaires n'est pas souhaitable.
Principe:
Mg²⁺ + 2NaOH → Mg(OH)₂↓ + 2Na⁺
Ca²⁺ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2Na⁺
Caractéristiques : Par rapport à la méthode à la chaux, la quantité de boues produites est inférieure d’environ 30 à 50 %. Comme aucun ion calcium n'est introduit, la boue est principalement composée de Mg(OH)₂ et de CaCO₃, ce qui donne une boue plus pure.
Coût : Le coût du NaOH est nettement plus élevé que celui de la chaux, ce qui entraîne des coûts d'exploitation plus élevés. Cette méthode est couramment utilisée pour des volumes d’eau faibles à moyens ou lorsqu’une qualité élevée des boues est cruciale.
Fonctionnement : L'équipement de broyage et de préparation requis pour les systèmes de dosage de chaux n'est pas requis, ce qui permet d'obtenir un environnement d'exploitation plus propre.
c) Co-précipitation (ajout d'agents coagulants)
Pour améliorer l'efficacité de la précipitation et la qualité des effluents, une petite quantité de floculant (tel que le PAM) et d'un agent coagulant (tel que le chlorure ferrique FeCl₃) est généralement ajoutée pendant le processus de précipitation chimique. Cela peut réduire la turbidité des effluents à moins de 10 NTU, réduisant ainsi la charge sur les unités de filtration ultérieures.
2. Méthode d'échange d'ions
Bien que la précipitation chimique soit rentable-, la dureté résiduelle de ses effluents peut encore être trop élevée pour les systèmes à membrane sensibles comme l'osmose inverse (OI). L'échange d'ions peut être utilisé comme processus de polissage pour éliminer la dureté en profondeur.
En utilisant des résines échangeuses de cations acides forts, les ions sodium (Na⁺) remplacent les ions calcium et magnésium dans l’eau.
2R-Na + Ca²⁺ → R₂-Ca + 2Na⁺
Caractéristiques : Excellente qualité des effluents, avec une dureté résiduelle contrôlée de manière stable à<1 mg/L (as CaCO₃), perfectly meeting the feed water requirements of RO membranes (generally <1-2 mg/L). After the resin reaches saturation, it needs to be regenerated with a 5-10% NaCl solution (brine), which produces high-hardness waste brine.
Scénario d'application : la nanofiltration n'est généralement pas utilisée uniquement pour l'adoucissement primaire des eaux usées à haute salinité, car la salinité élevée (TDS élevée) de l'eau brute entre en compétition avec les ions de dureté pour les sites d'échange sur la résine, ce qui entraîne une forte baisse de la capacité de la résine, une régénération fréquente et une mauvaise efficacité économique. Il est plus approprié pour un ramollissement profond secondaire après un prétraitement par précipitation chimique.
3. Nanofiltration membranaire
La nanofiltration est une technologie membranaire entre l'osmose inverse et l'ultrafiltration. Sa charge unique et ses effets de tamisage lui confèrent des avantages distincts dans le domaine de l'adoucissement.
Nanofiltration membranes have a high rejection rate (>95 à 98 %) pour les ions divalents (tels que Ca⁺, Mg⁺ et SO₄²⁻), tandis que le taux de rejet pour les ions monovalents (tels que Na⁺ et Cl⁻) est inférieur (20 à 80 %).
Caractéristiques : Le taux d'élimination théorique du sulfate de calcium (CaSO₄) peut atteindre 99,8 %, empêchant efficacement la formation de tartre de sulfate. La pression de fonctionnement est généralement de 5 à 15 bars, bien inférieure à celle des membranes RO, ce qui entraîne une consommation d'énergie relativement faible.
Avantages : Processus physique, aucun réactif requis, aucune boue chimique générée ; peut simultanément éliminer une partie de la matière organique et de la couleur.
Inconvénients : Doit reposer sur un bon prétraitement (tel que l'ultrafiltration (UF)) pour éviter l'encrassement de la membrane ; produit une solution concentrée (eau de brousse) avec une dureté plus élevée, nécessitant un traitement ultérieur ; et a des coûts d'investissement élevés.
Applications : Particulièrement adapté au pré-traitement d'eau à haute-salinité avec une dureté de sulfate élevée et une teneur élevée en matières organiques.
4. Microfiltration tubulaire (TMF)
Utilise une réaction de précipitation chimique (telle que le procédé à la chaux-soude) pour convertir les ions de dureté en précipités insolubles (tels que CaCO₃ et Mg(OH)₂). Cependant, l'étape ultérieure de séparation des boues-eau ne repose plus sur la décantation par gravité, mais est plutôt réalisée grâce à la filtration à haute efficacité-de la membrane de microfiltration tubulaire.
Unité de réaction chimique : les eaux usées sont soigneusement mélangées et réagissent avec des agents adoucissants (tels que la chaux, le carbonate de sodium et le NaOH) dans un réservoir ou un réacteur de réaction, formant des particules de précipité de taille micrométrique- ou même nanométrique-.
Unité de séparation par membrane : l'effluent de réaction riche en précipité-entre directement dans le système de membrane de microfiltration tubulaire. Les micropores (généralement 0,1-0,2 μm) dans la paroi de la membrane laissent passer uniquement l'eau et les sels dissous, tout en interceptant complètement toutes les particules précipitées, les matières en suspension, les colloïdes et la plupart des bactéries et virus, permettant ainsi une séparation instantanée et efficace de l'eau boueuse.
Module membranaire : se compose de plusieurs membranes tubulaires parallèles, généralement de 5 à 12 mm de diamètre, avec un support interne et une couche filtrante en surface. Cette conception de grand diamètre offre une résistance exceptionnelle à la contamination et à l'usure.
Pompe de circulation : fournit une vitesse de flux croisé-à travers la membrane (généralement 3 à 4,5 m/s). Ce débit élevé rince vigoureusement la surface de la membrane, empêchant ainsi efficacement l'encrassement et le colmatage.
Mode opérationnel : Un système de filtration en circulation est utilisé, le concentré recirculant continuellement dans le réacteur pour maintenir une concentration élevée de solides (jusqu'à 1 à 3 %). Le perméat (eau produite) est évacué en continu. Lorsque la concentration des boues dans le réacteur atteint un certain niveau (par exemple 2,5 à 3 %), une partie des boues concentrées est automatiquement évacuée.
Avantages : Qualité des effluents excellente et stable, avec une turbidité constamment faible de<0.2 NTU and an SDI15 value of <3 (typically <1).
Concentration élevée de boues avec un volume minimal : Le système TMF rejette des boues à une concentration de 2,5 % à 3,5 % (en poids). Cette réduction du volume des boues de plus de 60 % réduit considérablement la charge et le coût des unités de déshydratation des boues ultérieures (par exemple, la consommation de produits chimiques et d'énergie pour les centrifugeuses et les filtres-presses à plaques et cadres).
L'encombrement compact et la conception modulaire éliminent le besoin de bassins de décantation encombrants et de filtres multimédias, ce qui donne lieu à un système hautement intégré qui peut réduire l'encombrement de 50 à 70 %.
Inconvénients : Nécessite une pompe de circulation pour fournir des vitesses de flux croisés-élevées, ce qui entraîne une consommation électrique relativement élevée du système (bien que cela soit partiellement compensé par la réduction des coûts de traitement des boues). Les éléments membranaires nécessitent un nettoyage chimique régulier (CIP), généralement avec un lavage acide (par exemple, acide citrique) pour éliminer le tartre inorganique et un lavage alcalin (par exemple, NaOH) pour éliminer les contaminants organiques. Les membranes tubulaires de haute-qualité, lorsqu'elles sont correctement entretenues, peuvent durer de 5 à 7 ans.