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NOTIONS D’EAU
Définition
Le dessalement de l’eau est un processus qui permet d’obtenir de l’eau douce à partir d’une eau saumâtre ou salée. En dépit du nom, il s’agit rarement de retirer les sels de l’eau, mais plutôt, d’extraire de l’eau douce. Très généralement, il est plus simple et plus économique de rechercher des sources d’eau douce à traiter, que de dessaler l’eau de mer. Cependant, dans de nombreuses régions du monde, les sources d’eau douce sont inexistantes ou insuffisantes au regard de la croissance démographique ou de la production industrielle.
Histoire du dessalement
L’idée de fabriquer de l’eau pure à partir de l’eau de mer tourmente les populations assoiffées depuis des centaines, pour ne pas dire des milliers d’années. La prémisse originale reposait sur l’idée que, par ébullition ou évaporation, l’eau pouvait être séparée du sel. Cette théorie – évaporation ou distillation – constituait le fondement de la technologie des premières installations de dessalement à grande échelle qui apparurent dans les années 50 et 60, principalement au Moyen- Orient. Ces régions, pauvres en eau mais riches en combustible, convertissaient leurs ressources énergétiques en ce qui leur manquait le plus : de l’eau.
Dessalement en Algérie
L’Algérie est un pays qui possède des ressources hydriques limitées pour des raisons climatiques capricieuses, caractérisé par une pluviométrie irrégulière oscillant entre 100 et 600 mm/an et enregistrant un déficit hydrique estimé à 20% durant les cinq dernières années.L’accroissement de la demande en eau dans les secteurs de l’irrigation, de l’industrie ainsi que besoins incompressibles ont amené les pouvoirs publiques à mobiliser de plus en plus de ressources superficielles.La mobilisation des eaux souterraines au nord du pays a atteint son seuil maximal, d’où la surexploitation des nappes superficielles. Le recours au dessalement d’eau de mer devient alors indispensable pour sécuriser l’alimentation en eau potable dans cette région.Dans le cas algérien, le dessalement réduit de manière durable les pénuries d’eau car plus de la moitié de la population réside sur la longue bande littorale de 1600km, théâtre, d’un déficit chronique en eau potable.En vertu d’une referme institutionnelle engagée en 2001, l’Algérienne Des Eaux a lancé la réalisation d’une série de 21 petites unités de dessalement de 2500m3/j chacune totalisant une production de 57500m3/j.
Conception d’une usine de dessalement d’eau de mer par osmose inverse
Une usine de dessalement par osmose inverse comprend essentiellement :
– Un système d’alimentation en eau de mer ;
– Un ensemble de prétraitement physicochimique de l’eau de mer ;
– Un dispositif de mise en pression de l’eau prétraitée ;
– Un osmoseur proprement dit ;
– Un système de récupération de l’énergie du concentrât ;
– Un ensemble de post-traitements du perméat ;
– Un poste de nettoyage chimique des membranes.
Etapes de dessalement par osmose inverse :(cas de Souk Tlata dans la wilaya de Tlemcen)
Poste de pompage
La première opération s’effectue au niveau de « la tour de captage de l’eau de mer » qui consiste à pomper l’eau de mer par le biais de plusieurs pompes dont une de réserve, par aspiration à vide. Cette tour est dotée d’un système de préfiltration comprenant trois tubes de grilles à gros grains et des tamis autonettoyants. Cette filtration d’eau permet d’assurer une entrée en eau moins chargée en débris marins et homogène.
Poste de prétraitement
Le prétraitement de l’eau de mer avant osmose inverse est absolument nécessaire car les membranes d’OI sont très sensibles au colmatage et une bonne qualité de l’eau en entrée des modules d’OI est indispensable pour assurer des performances stables de sur le long terme. Le prétraitement a pour objectif la réduction du colmatage, l’augmentation de la durée de vie des membranes, l’amélioration de la qualité de l’eau produite et la maintenance des performances de l’OI. Les procédés de prétraitement peuvent être divisés en deux catégories : physiques et chimiques. Les prétraitements physiques incluent les préfiltres mécaniques, les filtres à cartouche, la filtration à sable et la filtration membranaire. Le prétraitement chimique consiste en l’addition d’inhibiteurs d’entartrage, de coagulants, de désinfectants et de poly-électrolytes. Actuellement, la plupart des usines d’OI utilisent un procédé de prétraitement conventionnel mais avec la baisse constante du prix des éléments membranaires et la dégradation de la qualité des ressources en eau, le prétraitement par procédé membranaire trouve de plus en plus sa place dans les étapes de prétraitement avant osmose inverse.Nous allons détailler à présent le type de filière de prétraitement à membrane.
Prétraitement par les procédés membranaires
En raison des limitations du prétraitement conventionnel qui viennent d’être évoquées, un intérêt croissant s’est porté sur l’utilisation de procédés membranaires basse pression tels que la microfiltration (MF), l’ultrafiltration (UF) et la nano-filtration (NF). Les avantages majeurs des procédés membranaires sont :
• Flux de l’osmose inverse significativement élevé
• Plus faible consommation de produit chimique
• Meilleur compacité (-33 %)
• Augmentation de la durée de vie des membranes d’osmose inverse
• Capacité de fonctionnement à une qualité de l’eau d’alimentation variée
• Désinfection et nettoyage de l’osmose inverse moins nécessaire.
Parmi les trois procédés UF, MF et NF, l’UF semble le choix le plus courant dans les recherches et les essais à l’échelle pilote. A l’échelle industrielle, nous trouvons des prétraitements par UF ou MF seulement.
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Table des matières
Liste des tableaux
Liste des figures
Liste des abréviations
Introduction générale
Partie I : Partie théorique
CHAPITRE I : NOTIONS D’EAU
I. Généralités sur l’eau
I.1. Définition de l’eau
I.2. Importance de l’eau
I.3. Les besoins en eau
I.3.1. Besoins physiologiques
I.3.2. Besoins domestiques
II.Caractéristiques des eaux
II.1. Les eaux marines
II.2. Les eaux saumâtres
III.Composition de l’eau de mer
III.1 Espèces inorganiques
III.1.1. Constituants majeur
III.1.2. Les éléments traces métalliques
III.1.3. Les éléments nutritifs
III.2.Matières organiques
III.2.1. Matières organiques dissoutes
III.2.2 Matières organiques particulaires
IV.Répartition de l’eau douce sur la planète
V.Propriétés de l’eau
VI.Les paramètres de potabilité de l’eau
VI.1. Paramètres organoleptiques
VI.1.1. La couleur
VI.1.2. Goûts et odeurs
VI.1.3. La turbidité
VI.2. Paramètres physicochimiques
VI.2.1. La température
VI.2.2. pH
VI.2.3. Matières en suspension
VI.2.4. La conductivité électrique
VI.2.5. La dureté totale
VI.2.6. Solubilité des gaz dans l’eau
VI.2.7. L’alcalinité
VI.2.8. Cations et anions
VI.2.9. Les nitrates et les nitrites
VI.2.10. Pollution des eaux par les métaux lourds
VI.3. Paramètres microbiologiques
CHAPITRE II : GENERALITES SUR LE DESSALEMENT DE L’EAU DE MER
I. Définition
II. Histoire du dessalement
III. Dessalement en Algérie
IV. Conception d’une usine de dessalement d’eau de mer par osmose inverse
V. Etapes de dessalement par osmose inverse
V.1. Poste de pompage
V.2 Poste de prétraitement
V.3. Poste de dessalement (OI)
V.3.1. Constitution d’un système d’osmose inverse
V.3.2. Fonctionnement d’un poste d’osmose inverse
V.4. Poste de traitement
V.4.1. Les traitements de neutralisation ou de reminéralisation des eaux
V.4.2. La désinfection
V.4.3. L’aération
VI. Impacts environnementaux
VI.1. Evacuation de la saumure
VI.2. Rejet des produits de traitement
VII. coût d’investissement et d’exploitation
CHAPITRE III : SEPARATION MEMBRANAIRE
I.Historique des membranes
II.Généralités sur les procédés membranaires
III. Osmose inverse
III.1. Définition
III.2. Principes de l’osmose inverse
III.2.1. Pression osmotique
III.2.2. Mécanisme diffusionnel
III.3. Condition de fonctionnement
III.4. Modèle phénoménologique de transfert de matière
III.4.1. Grandeurs de transferts caractéristiques
III.4.2. Polarisation de concentration
III.4.3 Prédiction de la sélectivité à partir de grandeurs phénoménologiques
III.5. Récupération d’énergie
III.5.1. Installation avec récupération sur un turbo compresseur
III.5.2. Installation avec échangeur de pression (PX)
III.6 Configuration des modules
III.6.1. Module plan ou filtre-presse
III.6.2. Modules spirales (SW)
III.6.3. Modules tubulaires
III.6.4. Modules fibres creuses
III.7 Avantage
III.7.1. Avantages des techniques membranaires
III.7.2. Avantages en exploitation
III.8. Comparaison avec d’autres procédés
IV. Membrane
IV.1. Définition
IV.2. Modes de fonctionnement
IV.2.1. Filtration frontale
IV.2.2. Filtration tangentielle
IV.3. Types de membrane
IV.3.1. De par leur nature
IV.3.2. De par leur porosité
IV.3.2.1 Membranes poreuses
IV.3.2.2 Membranes denses
IV.3.3. De par leur fabrication
IV.3.3.1 Membranes anisotropes (ou asymétriques)
IV.3.3.2 Membranes composites
IV.3.3.3 Membranes à charge électrique
IV.4 Structure de matériaux membranaire
IV.4.1- Les membranes organiques
IV.4.2. Les membranes minérales ou inorganiques
IV.4.3. Les membranes composites
IV.4.4. Les membranes liquides
IV.4.5. Les membranes échangeuses d’ions (MEI)
IV.4.6. Les sites fonctionnels utilisés
IV.4.7. Les textiles échangeurs d’ions
IV.5.Caractéristiques des membranes
IV.5.1. Sélectivité d’une membrane
IV.5.2. Perméabilité d’une membrane
IV.5.3. Résistance d’une membrane
IV.6.Vie utile des membranes
IV.7. Les ennemis de la membrane
IV.7.1. Pression d’opération
IV.7.2. Température
IV.7.3. Une sève mal filtrée
IV.7.4 Le développement bactérien
IV.8. L’entretien des membranes
V. Colmatage
V.1 Concepts liés au colmatage
V.2 Colmatage d’une membrane
V.3 Facteurs influençant le colmatage
V.4 Modèle des résistances en série
V.5 Lois du colmatage
V.6 Impact des prétraitements sur le colmatage membranaire
V.6.1 Ozonation
V.6.2 Filtration sur charbon actif biologique
Partie II : Partie expérimentale
CHAPITRE IV : Matériels et méthodes
IV.1. Introduction
IV.2. Objectif
IV.3. Le pilote TE200
IV.4. Description du pilote
IV.4.1. Construction
IV.4.2. Instrumentation
IV.4.3. Liste des vannes
IV.5. Expériences
IV.5.1. Préliminaires
IV.5.2. Procédure de démarrage du pilote
IV.5.3. Production d’eau osmosée
IV.5.4. Procédure générale d’arrêt
IV.5.5. Détermination de la perméabilité de la membrane
IV.5.6.Manipulation (Rétention globale du module)
IV.6. Description des appareillages de mesure
IV.6.1. Le conductimètre
IV.6.2. Agitateur
IV.6.3. La balance électronique
CHAPITRE V : Résultats et Interprétations
V.1. Perméabilité de la membrane au solvant
Pour une pression de 5 bars
V.2 Etude de la rétention globale du module
V.2.1 pour une concentration de 2 g/l
V.2.1.1 : La variation de la conductivité du perméat et du concentrât en fonction du temps
V.2.1.2 : La variation du volume du perméat en fonction du temps
V.2.1.3 : La variation du volume de la rétention globale du module
V.2.1.3.1 : La variation de la rétention globale en fonction du temps
V.2.1.3.2 : La variation de la rétention globale en fonction de la conductivité du perméat
V.2.2 pour une concentration de 2,5 g/l
V.2.2.1 : La variation de la conductivité du perméat et du concentrât en fonction du temps
V.2.2.2 : La variation du volume du perméat en fonction du temps
V.2.1.3 : La variation du volume de la rétention globale du module
V.2.2.3.1 : La variation de la rétention globale en fonction du temps
V.2.1.3.2 : La variation de la rétention globale en fonction de la conductivité du perméat
V.2.3 pour une concentration de 3 g/l
V.2.3.1 : La variation de la conductivité du perméat et du concentrât en fonction du temps
V.2.3.2 : La variation du volume du perméat en fonction du temps
V.2.3.3 : La variation du volume de la rétention globale du module
V.2.3.3.1 : La variation de la rétention globale en fonction du temps
V.2.3.3.2 : La variation de la rétention globale en fonction de la conductivité du perméat
Pour une pression de 7 bars
V.2.4 pour une concentration de 3 g/l
V.2.4.1 : La variation de la conductivité du perméat et du concentrât en fonction du temps
V.2.4.2 : La variation du volume du perméat en fonction du temps
V.2.4.3 : La variation du volume de la rétention globale du module
V.2.4.3.1 : La variation de la rétention globale en fonction du temps
V.2.4.3.2 : La variation de la rétention globale en fonction de la conductivité du perméat
V.2.5 pour une concentration de 3,5 g/l
V.2.5.1 : La variation de la conductivité du perméat et du concentrât en fonction du temps
V.2.5.2 : La variation du volume du perméat en fonction du temps
V.2.5.3 : La variation du volume de la rétention globale du module
V.2.5.3.1 : La variation de la rétention globale en fonction du temps
V.2.5.3.2 : La variation de la rétention globale en fonction de la conductivité du perméat
V.2.6 pour une concentration de 4 g/l
V.2.6.1 : La variation de la conductivité du perméat et du concentrât en fonction du temps
V.2.6.2 : La variation du volume du perméat en fonction du temps
V.2.6.3 : La variation du volume de la rétention globale du module
V.2.6.3.1 : La variation de la rétention globale en fonction du temps
V.2.6.3.2 : La variation de la rétention globale en fonction de la conductivité du perméat
Pour une pression de 9 bars
V.2.7 pour une concentration de 4 g/l
V.2.7.1 : La variation de la conductivité du perméat et du concentrât en fonction du temps
V.2.7.2 : La variation du volume du perméat en fonction du temps
V.2.7.3 : La variation du volume de la rétention globale du module
V.2.7.3.1 : La variation de la rétention globale en fonction du temps
V.2.7.3.2 : La variation de la rétention globale en fonction de la conductivité du perméat
V.2.8 pour une concentration de 4,5 g/l
V.2.8.1 : La variation de la conductivité du perméat et du concentrât en fonction du temps
V.2.8.2 : La variation du volume du perméat en fonction du temps
V.2.8.3 : La variation du volume de la rétention globale du module
V.2.8.3.2 : La variation de la rétention globale en fonction du temps
V.2.8.3.2 : La variation de la rétention globale en fonction de la conductivité du perméat
V.2.9 pour une concentration de 5 g/l
V.2.9.1 : La variation de la conductivité du perméat et du concentrât en fonction du temps
V.2.9.2 : La variation du volume du perméat en fonction du temps
V.2.9.3 : La variation du volume de la rétention globale du module
V.2.9.3.1 : La variation de la rétention globale en fonction du temps
V.2.9.3.2 : La variation de la rétention globale en fonction de la conductivité du perméat
V.2.10 pour une concentration de 5,5 g/l
V.2.10.1 : La variation de la conductivité du perméat et du concentrât en fonction du temps
V.2.10.2 : La variation du volume du perméat en fonction du temps
V.2.10.3 : La variation du volume de la rétention globale du module
V.2.10.3.1 : La variation de la rétention globale en fonction du temps
V.2.10.3.2 : La variation de la rétention globale en fonction de la conductivité du perméat
Pour une pression de 11 bars
V.2.11 pour une concentration de 3 g/l
V.2.11.1 : La variation de la conductivité du perméat et du concentrât en fonction du temps
V.2.11.2 : La variation du volume du perméat en fonction du temps
V.2.11.3 : La variation du volume de la rétention globale du module
V.2.11.3.1 : La variation de la rétention globale en fonction du temps
V.2.11.3.2 : La variation de la rétention globale en fonction de la conductivité du perméat
V.2.12 pour une concentration de 3,5 g/l
V.2.12.1 : La variation de la conductivité du perméat et du concentrât en fonction du temps
V.2.12.2 : La variation du volume du perméat en fonction du temps
V.2.12.3 : La variation du volume de la rétention globale du module
V.2.12.3.1 : La variation de la rétention globale en fonction du temps
V.2.12.3.2 : La variation de la rétention globale en fonction de la conductivité du perméat
V.2.13 pour une concentration de 4 g/l
V.2.13.1 : La variation de la conductivité du perméat et du concentrât en fonction du temps
V.2.13.2 : La variation du volume du perméat en fonction du temps
V.2.13.3 : La variation du volume de la rétention globale du module
V.2.13.3.1 : La variation de la rétention globale en fonction du temps
V.2.13.3.2 : La variation de la rétention globale en fonction de la conductivité du perméat
V.2.14 pour une concentration de 4,5 g/l
V.2.14.1 : La variation de la conductivité du perméat et du concentrât en fonction du temps
V.2.14.2 : La variation du volume du perméat en fonction du temps
V.2.14.3 : La variation du volume de la rétention globale du module
V.2.14.3.1 : La variation de la rétention globale en fonction du temps
V.2.14.3.2 : La variation de la rétention globale en fonction de la conductivité du perméat
V.2.15 pour une concentration de 5 g/l
V.2.15.1 : La variation de la conductivité du perméat et du concentrât en fonction du temps
V.2.15.2 : La variation du volume du perméat en fonction du temps
V.2.15.3 : La variation du volume de la rétention globale du module
V.2.15.3.1 : La variation de la rétention globale en fonction du temps
V.2.15.3.2 : La variation de la rétention globale en fonction de la conductivité du perméat
V.2.16 pour une concentration de 5,5 g/l
V.2.16.1 : La variation de la conductivité du perméat et du concentrât en fonction du temps
V.2.16.2 : La variation du volume du perméat en fonction du temps
V.2.16.3 : La variation du volume de la rétention globale du module
V.2.16.3.1 : La variation de la rétention globale en fonction du temps
V.2.16.3.2 : La variation de la rétention globale en fonction de la conductivité du perméat
V.2.17 pour une concentration de 6 g/l
V.2.17.1 : La variation de la conductivité du perméat et du concentrât en fonction du temps
V.2.17.2 : La variation du volume du perméat en fonction du temps
V.2.17.3 : La variation du volume de la rétention globale du module
V.2.17.3.1 : La variation de la rétention globale en fonction du temps
V.2.17.3.2 : La variation de la rétention globale en fonction de la conductivité du perméat
V.2.18 pour une concentration de 6,5 g/l
V.2.18.1 : La variation de la conductivité du perméat et du concentrât en fonction du temps
V.2.18.2 : La variation du volume du perméat en fonction du temps
V.2.18.3 : La variation du volume de la rétention globale du module
V.2.18.3.1 : La variation de la rétention globale en fonction du temps
V.2.18.3.2 : La variation de la rétention globale en fonction de la conductivité du perméat
V.2.19 pour une concentration de 7 g/l
V.2.19.1 : La variation de la conductivité du perméat et du concentrât en fonction du temps
V.2.19.2 : La variation du volume du perméat en fonction du temps
V.2.19.3 : La variation du volume de la rétention globale du module
V.2.19.3.1 : La variation de la rétention globale en fonction du temps
V.2.19.3.2 : La variation de la rétention globale en fonction de la conductivité du perméat
V.3. Etudes concernant la pression d’alimentation
V.3.1. pour une concentration de 3 g/l
V.3.1.1. pression 5 bar
V.3.1.2. Pression 7 bar
V.3.1.3. Pression 11 bar
V.3.2. Pour concentration =4g/l
V.3.2.1. Pression 7 bar
V.3.2.2. Pression 9 bar
V.3.2.3. Pression 11 bar
V.3.3. pour une concentration de 5.5 g/l
V.3.3.1. pression 9bar
V.3.3.2. Pression 11 bar
V.4. Interprétations des Résultats
V.4.1. Pour une pression de 5 bars
V.4.2. Pour les pressions de 7, 9 et 11 bars
V.4.3. Etudes concernant la différence de pression de part et d’autre de la membrane (ΔP)
V.4.4. Etudes concernant la pression d’alimentation
Conclusion générale
Annexe
Bibliographie
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