Approches novatrices de la sédimentation pour le traitement de l'eau contaminée par le pétrole dans les industries pétrochimiques

Les déversements d'hydrocarbures, les rejets d'eau dans les procédés de traitement et les ruissellements provenant des raffineries entraînent des mélanges complexes d'huile libre, de gouttelettes émulsifiées et d'hydrocarbures dissous dans les plans d'eau naturels. Les méthodes traditionnelles de traitement de l'eau, en particulier la sédimentation, ne respectent souvent pas des normes réglementaires rigoureuses en matière de qualité des effluents, ce qui entraîne des amendes coûteuses, des dommages à la réputation et des dommages écologiques.

Méthodes traditionnelles de sédimentation et leurs limites

La sédimentation conventionnelle, aussi appelée décantation gravitationnelle, repose sur la tendance naturelle des gouttelettes et des solides d'huile à s'élever ou à tomber sous l'influence de la gravité.Dans un réservoir typique, les eaux usées huileuses sont laissées reposer pendant une période non perturbée, permettant à l'huile libre de s'élever à la surface et aux solides plus lourds de s'enfoncer au fond.

Le principal inconvénient est son inefficacité dans la manipulation des huiles émulsifiées.De nombreux processus pétrochimiques génèrent des émulsions stables huile-eau où les gouttelettes sont extrêmement petites (souvent moins de 10 microns) et enrobées d'agents de surface ou d'autres agents stabilisants.Ces gouttelettes fines augmentent très lentement, et beaucoup restent suspendues pendant de longues périodes, ce qui entraîne une mauvaise performance en matière d'élimination.

Les autres défis sont les longs temps de rétention, souvent de deux à quatre heures, qui exigent de grands volumes de réservoir et une empreinte importante, ce qui pose problème pour les installations ayant un espace limité ou celles qui cherchent à moderniser les stations de traitement existantes. De plus, le tassement de la gravité naturelle est sensible aux variations du débit, de la température et du pH, ce qui rend difficile le maintien d'une performance uniforme.

Les limites de la sédimentation conventionnelle ont conduit à la recherche d'approches novatrices qui peuvent surmonter ces obstacles. Les sections suivantes décrivent les progrès les plus prometteurs.

Systèmes améliorés de sédimentation gravitationnelle

La sédimentation gravitationnelle accrue englobe une gamme de technologies qui multiplient la force de décantation naturelle ou augmentent la zone de décantation efficace pour accélérer la séparation huile-eau.

Lamella Clarifiers et séparateurs de plaques inclinées

Les clarificateurs de lamelle, également appelés colons inclinés, se composent d'une série de plaques ou tubes inclinés très espacés. Les plaques créent une grande zone de décantation efficace dans un volume compact. L'eau huileuse s'écoule vers le haut entre les plaques, les gouttelettes d'huile s'élèvent et se collectent sur les faces inférieures des plaques, se fusionnant en gouttelettes plus grandes qui s'élèvent rapidement à la surface.

Dans les applications pétrochimiques, les clarificateurs de lamelle sont particulièrement efficaces pour traiter l'huile libre et les gouttelettes émulsifiées plus grandes. Ils sont souvent utilisés comme une étape de traitement primaire avant le polissage plus avancé. La conception appropriée de l'espacement des plaques, l'angle, et le matériau est critique pour empêcher l'encrassement des dépôts d'huile collants ou l'échelle.

Clarifères à haute densité

Dans ces systèmes, une partie des boues de sous-écoulement est retournée à l'entrée, où elle se mélange avec l'eau contaminée par les hydrocarbures entrants. Les solides recyclés servent de sites de nucléation pour les gouttelettes d'huile et les particules fines, favorisant la formation de plus grands flocons plus denses qui se déposent plus rapidement.

Pour les flux de déchets huileux, les CDH peuvent être combinés avec des coagulants chimiques et des floculants pour améliorer encore les performances. La densité accrue de la couverture de boues aide également à pièger les gouttelettes d'huile émulsifiées, obtenant des efficacités d'élimination qui approchent 90% ou plus pour l'huile et la graisse totales.

Sédimentation centrifuge et hydrocyclone

Bien que strictement différent de la gravité de décantation, la sédimentation centrifuge utilise les mêmes principes mais avec des forces gravitationnelles renforcées. Les hydrocyclones et les centrifugeuses à disques appliquent des forces centrifuges centaines ou milliers de fois plus grandes que la gravité de la Terre. Dans les hydrocyclones, l'eau huileuse est injectée tangentalement dans une chambre conique, générant un vortex. L'eau et les solides de Denser sont poussés vers le mur et sortent par le sous-courant, tandis que le pétrole et le gaz plus légers sont concentrés au centre et sortent par le débordement.

Ces dispositifs sont extrêmement compacts et peuvent gérer des débits élevés avec des temps de résidence courts. Ils sont particulièrement efficaces pour enlever les gouttelettes d'huile libres de plus de 10-20 microns. Cependant, ils sont moins efficaces pour les gouttelettes émulsifiées ou très fines. En pratique, les hydrocyclones sont souvent utilisés comme une étape de prétraitement pour enlever la majeure partie de l'huile libre avant de polir avec d'autres méthodes.

Sédimentation assistée par électrocoagulation

L'électrocoagulation (EC) est un procédé électrochimique qui a acquis une traction comme méthode de prétraitement pour améliorer la sédimentation de l'eau contaminée par l'huile. Le principe consiste à passer un courant électrique par des électrodes métalliques sacrificielles (généralement de l'aluminium ou du fer) submergées dans les eaux usées huileuses. Le courant provoque la libération d'ions métalliques par les électrodes, qui forment alors des flocs d'hydroxyde dans l'eau.

La synergie avec la sédimentation est puissante : l'électrocoagulation brise les émulsions stables en déstabilisant l'interface huile-eau, permettant aux gouttelettes de se fusionner. Simultanément, les flocs d'hydroxyde de métal fournissent une grande surface qui capture à la fois l'huile libre et l'huile émulsifiée. Les flocs résultant sont denses et se déposent rapidement sous la gravité.

Les principaux avantages de la sédimentation assistée par électrocoagulation sont la réduction de l'utilisation chimique par rapport à la coagulation classique, la réduction du volume de boues et la capacité de traiter les débits et la composition variables. Le processus n'introduise pas non plus d'anions supplémentaires, qui peuvent être bénéfiques pour la réutilisation de l'eau.

Plusieurs installations à grande échelle dans les raffineries et les complexes pétrochimiques ont démontré la faisabilité des systèmes de sédimentation CE. Par exemple, une étude réalisée dans une raffinerie de pétrole du Moyen-Orient a fait état d'une réduction de 200 ppm à moins de 10 ppm de l'huile et de la graisse à l'aide d'une unité compacte de la CE suivie d'un clarificateur de lamelle, ce qui souligne le potentiel de cette technologie en tant que composante essentielle du traitement moderne de l'eau huileuse.

Flottation d'air dissoute – Une approche complémentaire

Bien qu'il s'agisse d'une flottation plutôt que d'un processus de sédimentation, la flottation d'air dissous (DAF) est souvent discutée en même temps que la sédimentation parce qu'elle remplit une fonction similaire : enlever l'huile et les solides de l'eau. Dans DAF, l'air est dissous dans les eaux usées sous pression, puis libéré sous forme de bulles minuscules.

Dans de nombreux trains de traitement pétrochimique modernes, le DAF est utilisé en conjonction avec la sédimentation. Par exemple, un système combiné innovant pourrait d'abord passer de l'eau huileuse dans un réservoir de sédimentation à haut débit pour enlever les huiles libres en vrac et les grands solides, suivi par le DAF pour polir l'effluent pour respecter des limites de rejet strictes.

Parmi les progrès récents de la DAF, on peut citer l'utilisation de microbulles (généralement de 30 à 50 microns) générés par des buses ou des électrodes d'électroflottation spécialement conçues. Ces petites bulles améliorent l'efficacité de fixation et réduisent le temps de rétention requis.

Sédimentation innovante assistée par les médias

Une autre tendance émergente est l'utilisation de matériaux ou de supports spécialisés pour faciliter la séparation huile-eau dans les réservoirs de sédimentation, qui peuvent être classés en grands ensembles de matériaux et de supports adsorbants.

Les milieux de coalcing

Les milieux de coalescence, généralement fabriqués à partir de matériaux oléophiles tels que le polypropylène ou le polyester, fournissent une grande surface qui favorise la fusion de petites gouttelettes d'huile en plus grandes. Lorsque l'eau huileuse traverse un filtre ou un lit de coalçage, les gouttelettes se heurtent au milieu et adhèrent, en se développant jusqu'à ce qu'elles soient suffisamment flottantes pour se détacher et se lever rapidement.

Ces systèmes sont particulièrement efficaces pour traiter les huiles hydrauliques, les lubrifiants et les autres hydrocarbures non émulsifiés. Ils nécessitent un apport énergétique minimal et ont de faibles coûts d'exploitation. Cependant, ils peuvent devenir encrassés si les solides ou la croissance biologique s'accumulent, de sorte que le filtrage ou la filtration en amont est souvent nécessaire.

Lits hydrophiles/oléophiles

Dans un contexte de sédimentation, une couche de ce type de milieu au fond d'un réservoir peut servir de polissage, captant les gouttelettes résiduelles qui ne se séparent pas par gravité. Ces milieux peuvent être régénérés ou remplacés périodiquement. La recherche se poursuit dans des revêtements nanostructurés et des matériaux à base de graphine qui offrent une surface élevée et une humidité thonable.

La sédimentation assistée par les médias demeure un domaine de développement actif, avec un potentiel d'intégration dans des unités de traitement modulaires compactes adaptées aux installations pétrochimiques éloignées ou à contraintes spatiales.

Analyse comparative des techniques de sédimentation innovantes

Pour aider les ingénieurs et les décideurs des installations à choisir la bonne technologie, le tableau suivant résume les principales caractéristiques de performance des méthodes examinées. (Note : Représenter comme liste les sous-titres pour plus de clarté puisque le tableau peut ne pas être bien dans tous les formats; utiliser un texte structuré.)

Chaque technique a des compromis. La solution optimale implique souvent un train de traitement en plusieurs étapes qui combine deux ou plusieurs de ces méthodes pour atteindre la qualité d'effluent souhaitée au coût le plus bas du cycle de vie.

Considérations relatives à la mise en œuvre des installations pétrochimiques

L'adoption d'approches novatrices de sédimentation exige une évaluation minutieuse des facteurs propres au site.

Caractérisation de l'eau d'eau:[ La nature de la contamination de l'huile, qu'elle soit libre, émulsifiée ou dissoute, détermine la technologie la plus efficace. Une analyse approfondie de la distribution de la taille des gouttelettes d'huile, de la concentration totale d'huile et de graisse, de la teneur en solides, de la température, du pH et de la présence d'agents de surface est essentielle.

Taux de refoulement et variabilité:[ Les installations à débit élevé peuvent favoriser les clarificateurs de lamelle ou les clarificateurs à haute densité en raison de leur conception compacte et de leur capacité à gérer les surtensions. Les processus par lots ou intermittents peuvent bénéficier de systèmes d'électrocoagulation qui peuvent être facilement activés et éteints.

Contraintes d'empreintes de fond et de rétro-ajustement : De nombreuses usines pétrochimiques existantes ont une marge limitée pour les nouvelles unités de traitement. Les clarificateurs de lamelles, les hydrocyclones et les cellules d'électrocoagulation sont relativement compacts et peuvent souvent être réaménagés dans des réservoirs existants ou des zones ouvertes.

Manipulation et élimination des boues :[ Les boues générées par les processus de sédimentation améliorés varient en composition et en volume.Les boues d'électrocoagulation sont généralement plus denses et ont une teneur en eau inférieure à celle des boues de coagulation chimique, ce qui réduit les coûts d'élimination. Toutefois, elles peuvent contenir des hydroxydes métalliques qui nécessitent leur élimination comme déchets dangereux si les concentrations de métaux sont élevées.

Coûts énergétiques et chimiques:[ Bien que les méthodes novatrices réduisent souvent la consommation de produits chimiques, elles peuvent accroître la consommation d'énergie. Une analyse des coûts du cycle de vie devrait comparer les dépenses d'exploitation de l'électricité, du remplacement des électrodes et de l'entretien aux économies réalisées grâce à la réduction des achats de produits chimiques, à la diminution des volumes de boues et à une meilleure réutilisation de l'eau.

Exigences réglementaires :[ Les limites de décharge pour les huiles et les graisses dans de nombreux pays deviennent plus strictes, exigeant parfois des concentrations d'effluent inférieures à 10 mg/L. Des technologies comme l'électrocoagulation suivie d'un polissage fin peuvent atteindre de tels niveaux.

Plusieurs entreprises pétrochimiques ont réussi à déployer ces systèmes. Par exemple, un important complexe pétrochimique asiatique a installé une combinaison de clarificateurs de lamelles et d'unités d'électrocoagulation pour traiter les eaux usées d'un cracker d'éthylène, réduisant la teneur en huile de 150 ppm à moins de 5 ppm et permettant la réutilisation de l'eau pour les tours de refroidissement.

Avantages environnementaux et économiques

L'adoption d'approches novatrices de sédimentation procure de multiples avantages au-delà de la conformité.

• Réduction de l'impact environnemental:[ Une efficacité accrue de l'enlèvement des hydrocarbures empêche le rejet d'hydrocarbures dans les rivières, les lacs et les océans, protégeant ainsi les écosystèmes aquatiques.
• Possibilités de réutilisation de l'eau :[ Des procédés de sédimentation efficaces produisent des effluents de meilleure qualité qui conviennent au recyclage dans l'installation, comme pour le refroidissement de l'eau, l'alimentation des chaudières ou le lavage des procédés, ce qui réduit la demande en eau douce et réduit les coûts d'approvisionnement en eau.
• Production de boues plus basses:[ Les méthodes améliorées, en particulier l'électrocoagulation, génèrent moins de boues que la coagulation chimique conventionnelle. L'élimination des boues est un coût important dans de nombreuses usines; la réduction de son volume améliore directement la ligne de fond.
• Stabilité opérationnelle : Les systèmes de sédimentation avancés sont moins sensibles aux changements de débit et de composition, ce qui permet de réduire les risques de violations des permis et d'arrêts imprévus.
• La conception précise:[ Une petite empreinte permet aux installations d'accroître leur capacité de traitement sans travaux publics importants.
• Amélioration de la santé et de la sécurité :[ La réduction de la manipulation chimique et le moins grand nombre d'étapes de processus réduisent l'exposition des travailleurs aux substances dangereuses.

D'un point de vue financier, si les investissements en capital pour la sédimentation novatrice peuvent être plus élevés que pour les réservoirs classiques, le rendement des investissements est souvent favorable en raison de coûts d'exploitation moins élevés, de pénalités réduites et du potentiel de crédits de réutilisation de l'eau.

Orientations futures de la technologie de la sédimentation

Le domaine du traitement des eaux huileuses continue d'évoluer, avec plusieurs directions de recherche prometteuses à l'horizon.

Nanotechnologie et matériaux avancés: Des surfaces nanostructurées aux propriétés superoléophobes ou superhydrophiles sont en cours de développement pour créer des milieux de coalescence très efficaces.Les nanotubes de carbone, les revêtements d'oxyde de graphine et les cadres métal-organiques (MOF) peuvent offrir des performances de séparation sans précédent, même pour les gouttelettes d'huile submicron.

Smart Control Systems:[ L'intégration de capteurs pour la mesure en temps réel de la concentration d'huile, de la taille des gouttelettes et de la hauteur de couverture des boues peut permettre de contrôler le processus adaptatif.

Les processus hybrides :[ La combinaison de la sédimentation avec d'autres processus physiques ou biologiques dans un seul réacteur est un domaine de recherche actif. Par exemple, un réacteur « sédimentation-biofilm » pourrait utiliser des milieux flottants pour soutenir la croissance du biofilm qui digère les hydrocarbures résiduels tout en sédimentant les hydrocarbures et les solides.

Sédimentation assistée par membrane: Des systèmes compacts qui combinent la sédimentation et la filtration des membranes (p. ex. membranes céramiques) sont testés pour des effluents de haute qualité. L'étape de sédimentation enlève la majeure partie de l'huile pour protéger les membranes, tandis que les membranes permettent l'élimination absolue des fines gouttelettes.

Unités portables et modulaires :[ Pour les besoins de traitement temporaire ou les endroits éloignés, des unités de sédimentation modulaires sont en cours de conception qui peuvent être déployées et déplacées rapidement, et qui peuvent incorporer des hydrocyclones, des lamelles et de l'électrocoagulation dans un emballage conteneurisé.

Les entreprises pétrochimiques qui investissent aujourd'hui dans des technologies de sédimentation de pointe seront bien placées pour répondre aux normes environnementales et aux objectifs d'utilisation des ressources.

Conclusion

Les approches novatrices de sédimentation transforment la façon dont l'industrie pétrochimique traite l'eau contaminée par les hydrocarbures. Les systèmes de gravité améliorés tels que les clarificateurs de la lamelle et les clarificateurs de haute densité offrent un traitement primaire compact et efficace, tandis que la sédimentation assistée par électrocoagulation fournit une solution puissante pour briser les émulsions et atteindre des taux d'élimination élevés.

Les avantages dépassent la conformité : une empreinte environnementale réduite, des coûts d'élimination des produits chimiques et des boues, des possibilités de réutilisation de l'eau et la stabilité opérationnelle contribuent tous à une analyse de rentabilisation convaincante.

En comprenant les capacités et les compromis de chaque méthode, les installations pétrochimiques peuvent concevoir des trains de traitement robustes, économiques et à l'épreuve de l'avenir. Les innovations décrites dans cet article représentent la pointe de la science de la sédimentation, et leur mise en oeuvre généralisée aidera l'industrie à progresser vers une gestion de l'eau à décharge zéro liquide et circulaire.

Pour plus de détails sur les fondamentaux de la séparation gravitationnelle et de l'électrocoagulation, il faut se reporter aux ressources de la Fondation de recherche sur l'eau et de l'Agence de protection de l'environnement des États-Unis .