Pourquoi le concentrat d'OI d'appoint nécessite sa propre chaîne de traitement
Une OI d'eau d'appoint fonctionnant à 75–85 % de conversion rejette encore 15–25 % de son alimentation sous forme de concentrat, et ce flux de concentrat transporte 4 000–10 000 mg/L de matières dissoutes totales, une silice élevée, des ions de dureté, des sulfates et tout entraînement organique provenant du prétraitement amont. L'envoyer vers un raccordement au réseau d'égout, une conduite de purge de tour de refroidissement ou un bassin d'évaporation est rarement gratuit : un cas unique de réutilisation OI industrielle a documenté 82 000 EUR d'économies annuelles d'eau et de rejets une fois le concentrat traité et renvoyé à l'usine (S1, MDPI 2021). La chimie compte également — une chaîne combinée adoucissement + OI sur des eaux usées de FGD a atteint une rétention saline quasi complète et un taux de valorisation de l'eau supérieur à 92 % (S2, MDPI Environments 2018-06), ce qui fixe la borne supérieure réaliste de ce qu'un étage secondaire correctement conçu peut délivrer sur un concentrat industriel.
Les éléments BWRO standard ne peuvent pas traiter un concentrat au-delà d'environ 10 000 mg/L de TDS sans effondrement du flux et entartrage accéléré ; au-delà de 15 000 mg/L, les éléments eau de mer deviennent obligatoires. C'est pourquoi le concentrat ne peut pas être renvoyé dans le banc d'OI du premier passage à un taux de conversion plus élevé — le plafond osmotique et l'enveloppe d'entartrage silice/CaSO₄ sont déjà épuisés en queue du premier passage. Une chaîne dédiée de second étage, dimensionnée selon la chimie réelle du concentrat, est le seul moyen de porter le taux de conversion global du système à 90–95 % et de réduire le volume de concentrat de 50–75 % avant rejet ou concentration ultérieure.
| Paramètre | Perméat OI premier passage | Concentrat OI premier passage (alimentation du second étage) |
|---|---|---|
| Débit (% de l'alimentation) | 75–85 % | 15–25 % |
| TDS (mg/L) | <50 | 4 000–10 000 |
| Silice (mg/L en SiO₂) | <1 | 20–60 |
| Dureté (mg/L en CaCO₃) | <5 | 800–2 500 |
| Sulfate (mg/L) | <5 | 1 500–4 000 |
| Usage final typique | Appoint chaudière/refroidissement | Réutilisation, rejet ou alimentation ZLD |
Un système OI industriel dimensionné pour ce flux de concentrat est la première décision d'investissement, mais le choix de configuration — surpression en simple passage, double passage ou OI de concentration de saumure — détermine si le concentrat devient une eau de qualité réutilisation ou une alimentation ZLD de volume réduit.
Réutilisation ou rejet : comment l'usage final dicte la configuration OI
L'usage final du perméat comme du concentrat dicte la configuration, et non l'inverse. Une voie de réutilisation renvoie le perméat du second passage comme appoint chaudière (cible <50 mg/L de TDS) ou appoint de tour de refroidissement ; le flux de concentrat est minimisé mais non éliminé et nécessite encore une filière d'évacuation. Une voie de rejet optimise le volume de concentrat et le TDS résiduel pour respecter la limite d'effluent locale, et la qualité du perméat est secondaire. Une voie zéro rejet liquide est la plus exigeante : l'OI n'est que l'amont d'une chaîne thermique, et la configuration doit délivrer un concentrat à 50 000–80 000 mg/L de TDS vers l'évaporateur ou le cristalliseur, ce qui implique une haute pression d'alimentation, un étagement alimentation-purge, ou une OI de concentration de saumure à 30–40 bar.
S2 illustre comment le taux de conversion interagit avec le volume aval. Leur expérience d'OI à recyclage total a fonctionné à une TMP de 18 bar sur un élément ESPA 2540 et à une TMP de 26 bar sur un élément SWC-2540, tous deux à 20 °C et un facteur de conversion de 50 %, avec un facteur de réduction massique (WRF) correspondant de 2 — ce qui signifie que 50 % de l'eau d'alimentation a été forcée à travers la membrane comme perméat (S2, MDPI Environments 2018-06). Sur un flux de concentrat, chaque 10 % de conversion supplémentaire réduit le volume de concentrat envoyé au thermique d'un facteur à peu près équivalent, c'est pourquoi le BCRO est privilégié pour le ZLD même si sa consommation énergétique spécifique est deux à trois fois plus élevée qu'un second passage eaux saumâtres. La décision n'est pas de savoir quelle configuration est « la meilleure » — c'est de savoir quel compromis le site peut accepter.
Les trois configurations OI qui fonctionnent réellement sur le concentrat
Les ingénieurs qui évaluent les offres et les P&ID de traitement du concentrat rencontreront trois configurations distinctes, et chacune correspond à une enveloppe de fonctionnement différente.
Configuration 1 — OI haute pression en simple passage sur le concentrat : un banc d'éléments eaux saumâtres fonctionnant à 15–25 bar, alimenté directement depuis le collecteur de concentrat du premier passage. C'est l'option au CAPEX le plus bas et elle porte le taux de conversion du système premier passage à environ 85–90 %. Elle convient lorsque le site dispose d'un permis d'égout, d'un bassin d'évaporation ou d'une ligne de saumure aval capable d'accepter un concentrat de 4 000–8 000 mg/L à faible volume. Ce n'est pas une configuration de réutilisation, car le perméat se situera typiquement à 100–300 mg/L de TDS — acceptable pour l'appoint de tour de refroidissement mais limite pour l'alimentation chaudière sans polissage.
Configuration 2 — OI double passage avec conditionnement inter-étage : la voie standard de réutilisation. Le premier passage du second étage fonctionne à une TMP de 18–26 bar, comme documenté sur les éléments ESPA 2540 et SWC 2540 dans S2, et le perméat de cet étage est soit renvoyé directement au process, soit poli par un second passage OI pour abaisser le TDS sous 50 mg/L pour l'appoint chaudière haute pression. C'est la configuration qui obtient les 92 % de valorisation cités dans l'étude FGD et le cas d'économies annuelles de 82 000 EUR dans S1.
Configuration 3 — OI de concentration de saumure (BCRO) à 30–40 bar en arrangement alimentation-purge ou recyclage total. Le prétraitement UF de S2 a été mené à un facteur de conversion de 97,5 % en alimentation-purge comme analogue opérationnel de ce que l'étagement BCRO doit atteindre. Le BCRO porte le taux de conversion du système au-delà de 95 % et le concentrat au-delà de 50 000 mg/L de TDS, ce qui constitue l'alimentation adaptée pour un cristalliseur à recompression mécanique de vapeur (MVR). Au-dessus de 15 000 mg/L de TDS à l'alimentation du BCRO, les éléments eaux saumâtres standard doivent être replacés par des éléments eau de mer (classe SWC) dimensionnés pour une haute pression osmotique. Le choix d'une mauvaise classe d'éléments sur un étage BCRO est la cause la plus fréquente de remplacement prématuré de membranes dans les projets ZLD.
| Configuration | Pression de fonctionnement | Conversion d'étage | TDS du concentrat | Meilleur usage final |
|---|---|---|---|---|
| Surpression simple passage (BWRO) | 15–25 bar | 70–80 % | 6 000–12 000 mg/L | Rejet à faible volume, appoint tour de refroidissement |
| OI double passage (avec dosage inter-étage) | 18–26 bar par passage | 75–85 % par passage | 8 000–20 000 mg/L | Réutilisation chaudière/refroidissement, alimentation ligne de saumure |
| BCRO (alimentation-purge) | 30–40 bar | 50–60 % par étage | 50 000–80 000 mg/L | Alimentation cristalliseur ZLD |
Un système OI industriel associé à un filtre multimédia pour la réduction de la silice et de la turbidité constitue la spécification de skid typique des configurations 1 et 2 ; les skids BCRO sont généralement chiffrés comme un package séparé, à plus haute pression, avec éléments eau de mer.
Chaîne de prétraitement : ce que la seconde OI exige en amont
Le prétraitement du concentrat ne peut pas être une copie du prétraitement d'eau de puits. Le flux de concentrat est déjà concentré, donc l'enveloppe d'entartrage se referme plus vite et tout entraînement organique résiduel du prétraitement du premier passage est amplifié. Le prétraitement minimal est une filtration cartouche 5 µm ; un filtre multimédia est ajouté lorsque le risque d'entartrage siliceux ou des pics de turbidité sont présents. Le dosage d'antiscalant doit être reformulé pour les teneurs élevées en Ca²⁺, Ba²⁺ et silice, et le taux de dose est typiquement 20–40 % plus élevé que la dose du premier passage, car le LSI du concentrat et l'indice de stabilité Stiff-Davis tendent à être plus élevés.
La chimie d'adoucissement est le levier qui détermine si un étage à haute conversion fonctionne 12 mois ou 12 jours entre deux nettoyages. S2 a montré que l'ajout correct de Na₂CO₃ était déterminé par rapport à la concentration en ions Ca²⁺ dans l'eau usée traitée, et qu'un étage d'adoucissement sous-dosé fait s'effondrer les performances de l'OI en quelques heures après le démarrage. Le régime de CIP compte autant que l'antiscalant. L'étude de cas S1 sur la réutilisation d'eaux usées oléochimiques a constaté que le nettoyage à base de NaOH (pH 11–12, 35–40 °C) surpassait HCl pour la récupération de flux sur des flux chargés en organiques, et ce constat se transfère directement aux flux de concentrat transportant des résidus humiques, fulviques et d'antimousse du premier passage. Un système de dosage chimique automatique asservi à la conductivité d'alimentation du concentrat est le moyen le plus fiable de maintenir la dose d'antiscalant dans la plage lorsque le taux de conversion du premier passage dérive au fil des jours.
Exemple de dimensionnement : OI d'appoint de 100 m³/h à 75 % de conversion
Le moyen le plus rapide d'évaluer une configuration est de dresser le bilan matière. Supposez une OI d'appoint alimentée avec 100 m³/h d'eau de puits à 1 000 mg/L de TDS fonctionnant à 75 % de conversion : le perméat est de 75 m³/h à <50 mg/L, et le concentrat est de 25 m³/h à environ 4 000 mg/L de TDS. Envoyez les 25 m³/h de concentrat vers une OI double passage fonctionnant à 80 % de conversion : 20 m³/h reviennent comme perméat de qualité réutilisation (<100 mg/L de TDS) et 5 m³/h de concentrat à environ 20 000 mg/L de TDS quittent le second étage. Envoyez ces 5 m³/h vers un BCRO fonctionnant à 60 % de conversion : 2 m³/h sortent comme alimentation de cristalliseur à environ 50 000 mg/L de TDS et 3 m³/h sont recyclés vers le bac d'alimentation du BCRO.
Résultat net : le taux de conversion total du système est de 97 %, le volume total de concentrat est de 2 % de l'alimentation d'origine, et la réduction de 12,5× des déchets liquides est ce qui change la ligne de coût d'évacuation. Un site qui payait le transport de 25 m³/h de concentrat vers un puits d'évacuation de saumure paie désormais le transport de 2 m³/h vers un cristalliseur sur site ou une installation de solidification hors site. Le même bilan matière appliqué à une surpression en simple passage au lieu du double passage + BCRO donne environ 90–92 % de conversion totale et 8–10 m³/h de concentrat — un gain de 2,5–5×, mais bien en deçà de ce qu'exigent les économies du ZLD.
Pressions de fonctionnement, limites de conversion et modes de défaillance courants
Fixez les attentes sur l'énergie et le plafond de conversion avant de signer un bon de commande. Une OI double passage sur concentrat fonctionne à 15–25 bar de pression d'alimentation et doit être plafonnée à 80–85 % de conversion par étage pour rester sous les limites d'entartrage silice et CaSO₄ — dépasser 85 % sur un seul étage divise typiquement par deux l'intervalle de CIP. Le BCRO fonctionne à 30–40 bar et est plafonné à 50–60 % de conversion par étage, car la pression osmotique du concentrat dépasse 50 bar à 60 000 mg/L, et la pression motrice nette à travers la membrane s'effondre à quelques bars même à pleine pression d'alimentation.
Deux modes de défaillance expliquent la majorité des nettoyages non planifiés en service concentrat. Premier, l'entartrage siliceux sur l'élément de queue du second passage ou l'élément de tête du BCRO : il se maîtrise en maintenant la température du concentrat sous 35 °C, en maintenant le pH dans la plage 6,8–7,2 pour minimiser la polymérisation de la silice, et en sélectionnant un antiscalant spécifique silice. Second, le colmatage organique provenant de la biologie amont, de l'antimousse ou de l'entraînement de polymère de prétraitement : il se maîtrise par un CIP NaOH en premier à pH 11–12 et 35–40 °C (S1, MDPI 2021) et en maintenant le SDI de l'alimentation concentrat sous 3, cible plus stricte que le SDI <5 typique du service premier passage. Pour le dimensionnement du prétraitement et le choix des médias, le guide de sélection des filtres multimédia détaille les cibles de réduction du SDI et les débits de contre-lavage spécifiques au service concentrat. Pour les projets ZLD pilotés par l'ammoniac où le concentrat est également riche en NH₃-N, le guide de traitement ZLD de l'azote ammoniacal couvre les décisions de stripage et de chloration au point de rupture qui affectent le bilan matière OI en amont du second passage.
Questions fréquentes
Quelle configuration OI faut-il pour traiter le concentrat d'OI en vue d'une réutilisation ou d'un rejet ?
OI double passage pour la réutilisation ou le rejet conforme, OI de concentration de saumure (BCRO) ajoutée comme troisième étage lorsque le site vise le zéro rejet liquide. Une OI haute pression en simple passage n'est acceptable que lorsque le site dispose d'une filière d'évacuation à bas coût et n'a pas besoin d'un perméat de qualité réutilisation.
Quel taux de conversion global une chaîne OI de second étage peut-elle atteindre sur le concentrat d'appoint ?
Les systèmes double passage sur concentrat atteignent typiquement 90–95 % de conversion globale. L'ajout d'un polissage BCRO porte le taux de conversion total du système à 95–97 %, avec 2–5 % de l'alimentation d'origine sortant comme saumure concentrée vers l'étape thermique ou de solidification.
Quelle pression d'alimentation une OI de traitement du concentrat exige-t-elle ?
L'OI eaux saumâtres double passage sur concentrat fonctionne à 15–25 bar par étage. Le BCRO fonctionne à 30–40 bar, c'est pourquoi il est vendu comme un skid séparé, à plus haute pression, avec éléments eau de mer plutôt que comme une extension de l'OI du premier passage.
Quel prétraitement est requis en amont de la seconde OI ?
Filtre multimédia pour la réduction de la turbidité et de la silice brute, polissage cartouche 5 µm, et un antiscalant adapté aux concentrations en Ca²⁺, Ba²⁺ et silice du concentrat. Le CIP est NaOH en premier à pH 11–12 et 35–40 °C, suivi d'un acide ; le NaOH s'est avéré supérieur à HCl pour la récupération de flux sur un concentrat chargé en organiques (S1, MDPI 2021).
Quel type de membrane est utilisé au second passage versus BCRO ?
Éléments eaux saumâtres à haut rejet (p. ex. classe ESPA) pour le second passage jusqu'à environ 10 000 mg/L de TDS en alimentation. Au-dessus de 15 000 mg/L de TDS — ce qui est normal sur l'alimentation BCRO — les éléments eau de mer (classe SWC) sont requis, car les éléments BWRO standard ne peuvent pas soutenir la pression transmembranaire sans compactage irréversible.
