FR2668469A1 - Procede pour l'epuration de l'eau au moyen d'une combinaison d'unites de separation a membranes, et installation pour sa mise en óoeuvre. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système permettant d'obtenir de l'eau dessalée en utilisant une combinaison d'au moins deux unités/procédés à membranes, à savoir l'unité (4) d'électrodialyse (DE, y compris les variantes à inversion EDI et celle à compartiments pleins, EDP), suivies par l'unité (5) d'osmose inverse, y compris la nanofiltration, disposées selon une configuration en série dans laquelle chaque unité à membrane purifie progressivement l'eau jusqu'à ce que soit obtenu le degré de pureté désiré. Le traitement est amélioré en utilisant au moins une partie de la saumure de rejet de l'osmose inverse comme affluent, via (13) pour l'unité d'électrodialyse. Ce courant de rejet est utilisé pour économiser l'eau dans le procédé global.

Description

Procédé pour l'épuration de l'eau au moyen d'une combinaison d'unités de

séparation à membranes, et installation pour sa mise en oeuvre La présente invention concerne de façon générale le traitement des eaux, et plus particulièrement la production d'eau dessalée pure ou ultrapure par l'utilisation d'une combinaison de procédés basés sur l'utilisation de membranes, c'est-à-dire, dans la combinaison la plus simple, d'au moins un procédé d'électrodialyse et d'un procédé d'osmose inverse En outre, l'invention a pour objet une technique d'épuration selon laquelle le courant de rejet qui sort de l'unité d'osmose inverse est exploité en le recyclant dans l'unité d'électrodialyse au lieu de le décharger dans les égouts comme cela

est prévu normalement dans les procédés de conception ancienne.

Le champ d'application de l'invention concerne également une

installation pour la mise en oeuvre dudit procédé.

Les derniers progrès technologiques ont rendu pratiquement indispensable la disponibilité d'eau pure ou ultrapure pour des nombreuses applications industrielles et scientifiques, comme également dans le domaine de la production d'énergie Même si les systèmes d'épuration de conception ancienne sont déjà à même de fournir de l'eau présentant des caractéristiques qui satisfont en grande partie aux normes actuelles, ces procédés présentent de gros inconvénients En particulier, un procédé connu qui prévoit l'utilisation de moyens filtrants et/ou de cartouches filtrantes, suivie par un procédé d'osmose inverse (OI) et un traitement d'échange ionique à lit double ou mixte régénéré sur le site, présente les aspects négatifs suivants: (a) la nécessité d'un lavage fréquent à contre-courant des moyens filtrants, ou encore d'un fréquent remplacement des cartouches filtrantes, (b) la prolifération de bactéries dans les moyens filtrants; (c) la nécessité d'une traitement chimique et d'un écoulement des rejets suite à la régénération sur le site des résines échangeuses d'ions; et de façon plus importante encore (d) la nécessité d'utiliser des produits chimiques pour acidifier et/ou prétraiter l'eau avant de la soumettre à l'osmose inverse Un procédé de traitement antérieur de l'eau par l'utilisation d'unités mobiles contenant exclusivement des colonnes d'échange ionique est décrit dans les brevets US No 4 280 912, 3 766 060, 4 188 291, 4 332 685 et autres Un autre procédé de traitement connu prévoit l'utilisation de l'électrodialyse avant l'échange ionique, avec une purification finale de l'eau qui en résulte au moyen d'une unité d'ultrafiltration à fibres creuses (voir Zmolek, C R, "Ultrapure water for Integrated Circuits Processing", paru dans Industrial Water Engineering de décembre 1977) De toute manière, aucun des procédés indiqués ci-dessus n'a pour objet le procédé de traitement décrit ici, basé sur une électrodialyse suivie par une osmose inverse, en combinaison avec un système spécifique de récupération apte à garantir une amélioration sans précédent du procédé global Dans la nouvelle configuration, le courant salin de rejet qui sort de l'unité d'osmose inverse est conservé en le faisant refluer dans les chambres d'enrichissement en sels, de dilution et/ou des électrodes qui composent l'unité d'électrodialyse, plutôt que d'être déchargé dans

les égouts.

La présente invention consiste donc en la réalisation d'un système de traitement des eaux apte à fournir économiquement de l'eau épurée pendant de longues périodes sans que le procédé comporte de fréquents lavages à contre-courant, changements de filtres, adjonctions de réactifs, pertes excessives d'eau pendant la décharge

ou autres opérations de manutention.

Un autre but de l'invention est de proposer un procédé apte à séparer les substances organiques et à obtenir une eau biologiquement pure, caractérisée par une résistance électrique spécifique de l'ordre de 17- 18 mégohms/cm à 250 C. Un autre but de la présente invention est de réaliser une installation d'épuration d'eau comprenant une combinaison ou une série d'éléments individuels raccordés à une conduite d'eau ou à un autre système d'approvisionnement hydrique dans le but de traiter l'eau pour l'épurer, en réduisant dans le même temps les pertes de décharge dans les égouts Selon l'invention, cette installation compte au moins deux systèmes de traitement à membranes, soit une électrodialyse (DE, également selon les variantes à inversion "EDI" ou à compartiments pleins "EDP") et une osmose inverse (OI), également sous la forme de nanofiltration ("NF"), disposés en série avec des moyens qui permettent d'utiliser le courant salin de rejet de l'OI en tant que courant d'alimentation pour l'unité d'électrodialyse (on rappelle que l'0 I est parfois appelée hyperfiltration, soit en abrégé HF) Le complexe peut être intégré à d'autres éléments pour réaliser les caractéristiques désirées de l'eau finale, par exemple: un système d'ultrafiltration, le système de filtration dit "cross-flow"), des lits d'échange ionique, un générateur d'ozone et/ou des sources de rayons ultraviolets (UV) pour la destruction des microorganismes au

moment de l'utilisation du produit L'installation d'épuration ci-

dessus peut être le cas échéant facilement montée dans un conteneur ou dans une semi-remorque, de manière à pouvoir la transférer de façon commode jusqu'au siège de l'utilisateur Une fois raccordée aux prises d'énergie électrique, d'eau d'alimentation, d'eau de rejet et d'eau épurée, le complexe peut fournir une eau traitée conforme aux besoins

de clients ou d'utilisateurs quels qu'ils soient.

Les avantages de l'invention peuvent être résumés comme indiqué ci- après:

a) l'unité ou élément d'ultrafiltration ou de filtration "cross-

flow" (à courants croisés) assure un pré-traitement plus efficace que

les filtres communs à moyens filtrants libres et/ou en cartouche.

Considérant les dimensions minimes des pores des membranes UF (de 0, 002 à 0,02 micromètres), l'ultrafiltration est de toute manière préférable et est valable non seulement pour séparer les particules en suspension, mais également pour réduire le taux bactérien dans l'eau traitée Ce sont des avantages spécifiques dont on peut bénéficier quand on a recours, sur le site du pré-traitement en amont des procédés à membrane, à l'UF ou à la filtration "cross-flow" ainsi qu'aux filtres à moyens filtrants libres et/ou en cartouche Les moyens filtrants libres peuvent migrer, se désintégrer ou favoriser une prolifération exubérante d'espèces microbiologiques D'un autre côté, les filtres à élément filtrant peuvent parfois décharger sous l'effet d'une surpression momentanée, devenir des passages de dérivation à la suite d'erreurs de montage ou être rendus inefficaces à la suite du passage de solides libérés pendant les opérations de

remplacement des éléments filtrants.

b) L'unité ou élément d'électrodialyse, outre qu'elle abaisse le taux des solides dissous totaux (SDT), peut également réduire le p H de l'eau, c'est-à-dire augmenter l'acidité (on opère de préférence dans une plage de p H de 4 à 6,8), et éliminer ainsi la nécessité d'ajouter des acides de l'extérieur avant d'envoyer l'eau au traitement d'osmose inverse Dans le complexe d'épuration, l'unité d'électrodialyse peut

disposer de déminéralisateurs primaires.

Pendant le traitement de dessalement par électrodialyse, il est possible que se forment des "films de polarisation" contre la surface interne des membranes qui limitent les compartiments de déminéralisation, en présence de densités de courant relativement

élevées par rapport à la salinité de l'eau à déminéraliser.

Habituellement, ce phénomène se manifeste quand l'eau traitée présente un taux réduit de solides dissous totaux et quand la densité du courant appliqué est telle qu'elle épuise les ions contenus dans les strates d'eau mises en contact direct avec la surface des membranes; ainsi, le courant appliqué ensuite est transporté par les ions hydrogène et oxhydryle qui se sont formés dans la strate appauvrie à la suite de la décomposition des molécules d'eau En règle générale, cette séparation de l'eau est beaucoup plus intense dans le cas des membranes anioniques, raison pour laquelle les ions oxhydryle déposés sur celles-ci, à charge négative, traversent facilement les membranes

elles-mêmes pour atteindre les compartiments concentrateurs adjacents.

Par contre, les ions hydrogène ainsi générés, à charge positive, ne peuvent pas traverser la membrane anionique et tendent donc à s'accumuler dans le compartiment déminéralisateur, donnant lieu de ce fait à une acidification du courant d'eau en aval Cette acidification "naturelle" est exploitable de manière originale par la présente invention en ce sens qu'il n'est plus prévu aucune addition d'acide venant d'une source externe avant le traitement suivant par osmose inverse du produit partiellement déminéralisé Les effets de la polarisation sont examinés en détail dans un article intitulé "Limiting Current in Membrane Cells" paru dans Industrial &

Engineering Chemistry, vol 49, page 780, avril 1957.

La présente invention a donc pour objet un procédé d'épuration de l'eau, caractérisé en ce que l'on utilise une unité d'électrodialyse en combinaison avec une unité d'osmose inverse, ladite unité d'électrodialyse comprenant une ou plusieurs paires de compartiments déminéralisateurs et concentrateurs délimités par des membranes perméables respectivement aux anions et aux cations, lesquels compartiments sont disposés entre une paire de compartiments d'électrodes, eux-mêmes disposés aux extrémités, le passage d'une eau d'alimentation étant en outre prévu dans les compartiments déminéralisateurs pendant qu'un courant électrique continu est appliqué entre la paire susmentionnée d'électrodes, de façon à réduire le taux de salinité de l'eau d'alimentation en provoquant le passage du sel desdits compartiments déminéralisateurs vers les compartiments concentrateurs, à quoi on fait succéder la sortie de l'unité d'électrodialyse de l'effluent partiellement dessalé et son passage, sous pression, à l'entrée d'une unité à membrane qui fonctionne selon le principe de l'osmose inverse, à partir d'une sortie de laquelle on prélève le perméat notablement dessalé qui a passé à travers la membrane d'osmose inverse, tandis que par une autre sortie de celle-ci est prélevé un liquide de rejet concentré qui n'a pas passé à travers la membrane d'osmose inverse, et qu'au moins une partie de ce dernier liquide final est remise en circulation comme courant d'alimentation

pour ladite unité d'électrodialyse.

Dans des modes de réalisation particuliers, le procédé de l'invention peut encore présenter les caractéristiques suivantes, prises isolément ou en combinaison: ledit liquide de rejet est remis en circulation de façon continue dans un système à anneau vers les compartiments concentrateurs de l'unité d'électrodialyse, avec prélèvement simultané à l'unité d'électrodialyse d'une partie du liquide remis en circulation; le liquide remis en circulation peut notamment être envoyé en tant qu'affluent à au moins l'un desdits compartiments d'électrodes; l'eau est soumise à une ultrafiltration ou à une filtration "cross-flow" avant de passer à la phase d'électrodialyse; le traitement d'électrodialyse s'effectue dans des conditions pratiquement polarisantes dans le but d'acidifier le produit partiellement dessalé qui sort des compartiments déminéralisateurs de l'unité d'électrodialyse; le produit partiellement dessalé peut être acidifié par électrodialyse jusqu'à un p H compris entre environ 4 et environ 6,8; à la suite de la phase d'osmose inverse, le perméat est soumis à un traitement ultérieur par échange ionique pour en séparer la totalité ou quasi-totalité des ions résiduels en solution; l'eau produite au moyen du traitement par échange d'ions est soumise à une stérilisation par l'ozone à une concentration appropriée ou à des rayons ultraviolets d'intensité appropriée dans le but de détruire les contaminants biologiques; l'eau produite au moyen du traitement par échange ionique est soumise à un traitement d'ultraépuration finale dans le but d'obtenir comme produit une eau ayant une résistance électrique supérieure à environ 17 mégohms/cm à la température de 25 OC; la polarité du courant continu est inversée à intervalles réguliers, avec commutation simultanée de la circulation des solutions en direction des compartiments déminéralisateurs et des compartiments concentrateurs. L'invention a également pour objet une installation pour la séparation des sels dissous d'une solution aqueuse, caractérisée par le fait qu'elle comprend une unité d'électrodialyse à plusieurs compartiments en combinaison avec une unité d'osmose inverse, ladite unité d'électrodialyse comprenant une multiplicité de compartiments, dont les deux compartiments terminaux sont les compartiments d'électrodes, des compartiments déminéralisateurs et des compartiments concentrateurs étant disposés alternativement entre lesdits compartiments d'électrodes, lesdits compartiments étant délimités par paires alternativement par des membranes perméables aux cations et des membranes perméables aux anions, avec en outre des dispositifs d'entrée pour l'admission de la solution affluente dans les compartiments déminéralisateurs, concentrateurs et d'électrodes, et des dispositifs de sortie pour le prélèvement d'une solution provenant desdits compartiments, ainsi que des dispositifs pour le passage d'un courant continu à travers les membranes et les compartiments susmentionnés, et des dispositifs pour la pressurisation d'au moins une partie de la solution qui sort des compartiments déminéralisateurs, ladite unité d'osmose inverse disposant de dispositifs d'admission pour recevoir l'effluent ainsi pressurisé desdits compartiments déminéralisateurs, des dispositifs d'émission pour le prélèvement du perméat de la membrane d'osmose inverse, des dispositifs d'émission pour la séparation du courant de rejet pressurisé, et des dispositifs pour le recyclage d'au moins une partie de ce courant de rejet en tant que partie du courant d'alimentation de

ladite unité d'électrodialyse.

Dans des modes de réalisation particuliers, l'installation selon l'invention peut encore présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: elle comprend des dispositifs pour acheminer au moins une partie du courant de rejet aux compartiments d'électrodes de l'unité d'électrodialyse, comme affluent d'alimentation; elle comprend des dispositifs pour remettre en circulation la solution à travers les compartiments concentrateurs, ainsi que des dispositifs pour le prélèvement d'une partie de ladite solution pour sa décharge dans les égouts; elle comprend des dispositifs d'ultrafiltration disposés en amont de l'unité d'électrodialyse; elle comprend des dispositifs aptes à faire fonctionner l'unité d'électrodialyse dans des conditions pratiquement polarisantes; en aval de l'unité d'osmose inverse, et en série avec les dispositifs d'émission pour le prélèvement du perméat est installé un système d'échange ionique à lit mixte; après l'unité d'osmose inverse, et en série avec les dispositifs d'émission du prélèvement du perméat, est installé un système de stérilisation; elle comprend des dispositifs aptes à inverser la polarité et

elle est disposée dans un conteneur transportable.

Les avantages de l'DE comme système de pré-traitement pour 1 OI sont les suivants. 1) Le courant d'eau qui parvient dans les compartiments concentrateurs, des électrodes et/ou des déminéralisateurs de l'unité DE peut être obtenu au moins en partie par le courant salin de rejet de l'unité (OI) Exploitant de cette façon originale le courant de rejet, au lieu de le décharger dans les égouts, on conserve dans le

procédé l'eau en même temps que les ions hydrogène.

2) Le bicarbonate et la dureté peuvent être éliminés sans avoir à recourir à des produits chimiques ajoutés L'indice de Langelier de l'eau qui sort d'une unité DE est généralement inférieur à celui de l'eau arrivante et a souvent un signe négatif Ainsi, l'eau produite par l'unité DE peut être pratiquement toujours envoyée vers l'unité QI

sans les additifs chimiques habituels.

3) Le pré-traitement DE en amont de l'OI rend superflue l'inclusion d'un agent de dégazage, avec la nécessité qui lui est liée

d'un repompage et le risque d'une contamination.

4) Le rendement de l'unité DE ne se ressent pas de façon appréciable de la basse température, même s'il peut en résulter une réduction du pourcentage de déminéralisation Généralement, l'OI

réagit en sens contraire de l'abaissement de la température, c'est-à-

dire présente un rendement hydraulique plus faible alors que le taux de rejet reste sensiblement invariable Donc, une combinaison des deux procédés garantit un maintien global meilleur en termes qualitatifs et

quantitatifs dans le cas de variations de la température.

Par ailleurs, l'osmose inverse (OI) réduit le taux de minéraux (TDM) de l'eau, et si on le désire peut être exécutée avec un traitement final par échange ionique, dans le but d'obtenir de l'eau extrapure Comme l'eau ainsi obtenue (perméat) qui dérive du traitement OI peut présenter un contenu extrêmement faible de sels dissous (ions), un traitement ultérieur au moyen de résines échangeuses d'ions peut être poursuivi pendant des durées assez longues avant que la résine ait besoin d'être régénérée Ceci rend possible l'utilisation de cartouches ou de réservoirs d'échange ionique portatifs sur le site des échangeurs d'ions avec régénération sur le site des solutions précédentes On élimine ainsi la nécessité de traitements chimiques difficiles et coûteux sur le site En outre, les problèmes liés à l'écoulement du courant de rejet concentré à la sortie de l'unité OI sont réduits ou éliminés en exploitant le courant lui-même en tant qu'alimentation pour les compartiments

concentrateurs, déminéralisateurs et/ou les électrodes de l'unité DE.

Il est renvoyé au paragraphe qui suit, avec référence à la figure 2,

pour une description plus détaillée de la nouvelle combinaison

d'appareils d'électrodialyse/osmose inverse par utilisation d'une conduite permettant de faire refluer vers l'unité DE le courant de

rejet concentré de l'OI.

1-5 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention

apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit

avec référence aux planches de dessins annexées, présentées seulement à titre indicatif et dans lesquelles: la figure 1 représente un diagramme du flux de la combinaison d'éléments comprenant une installation d'épuration préférée faisant l'objet de l'invention, et la figure 2 constitue une représentation schématique détaillée en coupe transversale de la combinaison d'électrodialyse et d'osmose inverse de l'installation d'épuration préférée indiquée à la figure

précédente.

A la figure 1, une source d'eau 1 est raccordée à un dispositif préfiltrant facultatif 2 choisi parmi un filtre à cartouche ou un moyen filtrant libre classique avec une charge de carbone actif, de carbone actif argenté, de résine d'échange ionique macroréticulaire pour l'absorption de substances organiques, de résines d'échange anionique de piégeage, dites "scavenger" (type des résines Ambersorb de Rohm & Haas) ayant pour but d'intercepter les particules éventuelles en suspension relativement importantes On indiquera que le préfiltre (comme certains autres éléments du système), peut être modifié selon les nécessités ou complètement éliminé Si on prévoit l'utilisation de préfiltres, il est avantageux qu'ils soient utilisés par paires et raccordés de manière à permettre la circulation de l'eau en série, en parallèle ou dans une unité unique Naturellement, les divers tubes rigides ou flexibles optionnels (par exemple pour la circulation en série ou en parallèle, le recyclage, l'alimentation et la purge, etc) qui peuvent être installés pour augmenter la souplesse du système, ne sont ni représentés ni décrits ici, car il s'agit de solutions déjà largement connues par l'homme de l'art Pour la même raison, les divers composants communément utilisés dans les installations de traitement des eaux, tels que des réservoirs d'attente, des dispositifs de mesure de conductivité électrique, des instruments de mesure, des débitmètres, des enregistreurs, des pompes, des vannes, des dispositifs de mesure, etc ne sont pas non plus représentés Ensuite, l'eau qui est soumise à une préfiltration facultative est envoyée sous pression à l'unité d'ultrafiltration 3, avec des membranes ayant des pores dont le diamètre est compris entre 0,002 et 0,02 micromètres, pour la séparation des particules colloïdales et des substances organiques résiduelles, ou encore vers une unité de filtration dite "cross-flow" ou (FCF) (à courants croisés) La constitution et le fonctionnement des unités UF et FCF sont bien connus dans ce domaine Un type d'UF à disposition en spirale peut être facilement obtenu en s'adressant à la Osmonics Inc. de Minnetonka, Minnesota/USA A ce stade et dans ce qui suit, le terme "ultrafiltration" ou UF' s'entend comme incluant également le concept de filtration "cross-flow", c'est-à-dire "FCF" L'étape suivante du traitement consiste en la déminéralisation primaire au moyen d'une ou plusieurs unités d'électrodialyse 4, dont le but est d'éliminer la partie principale des électrolytes à faible poids moléculaire du courant d'alimentation 15 introduit dans les compartiments de déminéralisation de la ou des unité d'électrodialyse (Un système d'DE ou d'EDP à caractéristiques adéquates, commercialisé sous la marque Aquamite, peut être fourni par Ionics Inc de Watertown, Mass /USA Le système utilise des batteries ou des paquets de membranes, formées alternativement par des membranes "anioniques" et des membranes "cationiques" qui délimitent les compartiments dans lesquels circule il le liquide: l'unité ED/EDP sert à séparer les impuretés ionisées en solution L'unité EDI avec inversion peut maintenir une qualité constante des produits au moyen de l'inversion de la polarité du courant électrique à travers la batterie, comme décrit en particulier dans le brevet US No 4 381 232 (D Brown) L'eau 12 qui sort des batteries ED/EDI présente non seulement une teneur en minéraux

notablement réduite, mais sous l'effet d'une courant électrique quasi-

polarisant, manifeste même une augmentation marquée d'acidité Cette acidité, (qui est de préférence dans la plage de p H 4 à 6,8) constitue une caractéristique favorable pour l'eau ayant une dureté calcaire qui doit être traitée au moyen d'OI ( 5) Le recours à l'électrodialyse élimine la nécessité d'une adduction d'acide minéral de source externe au courant d'eau d'alimentation L'eau acidifiée permet de prévenir ou d'atténuer la formation de boue sur la membrane OI, et de permettre le fonctionnent en continu du système En outre, le traitement au moyen d'OI permet de séparer les résidus de colloïdes, bactéries et électrolytes, ainsi que certaines substances organiques dissoutes dans l'eau ainsi traitée Des filtres OI adaptés sont disponibles commercialement chez de nombreux fournisseurs Le courant de rejets salins qui sort de l'unité OI 5 est reflué, en tant que solution d'alimentation, vers les compartiments concentrateurs, déminéralisateurs et/ou les électrodes dans la ou les unités d'électrodialyse, en passant par la conduite 13 Le perméat (produit) 14 qui résulte du procédé d'OI peut être soumis à une autre épuration au moyen d'une résine d'échange ionique (EI) à lit double ou mixte 6, qui provoque la séparation des autres minéraux dissous Le lit mixte peut être formé par une résine anionique du type Amberlite 410 et par une résine cationique du type Amberlite IR-120, (les deux étant fabriquées par Rohm & Haas), mais il est possible d'utiliser avec succès également d'autres résines à lit mixte Le ou les lits d'échange ionique ont pour objet d'éliminer les ions indésirables subsistant encore dans l'eau traitée au moyen d'OI, avec un procédé dont les spécialistes dans ce domaine ont largement connaissance Les résines échangeuses d'ions sont de préférence non régénérées sur le site, mais remplacées par des éléments possédant des charges de résine fraîche. Ensuite, l'eau, débarrassée de pratiquement tout son contenu en solides dissous, est passée à travers une source de rayons ultraviolets ou d'ozone ( 03) 7 pour tuer la totalité ou quasi-totalité des microorganismes vivants Une longueur d'onde d'environ 253,7 nm permet de détruire efficacement et pratiquement tous les organismes vivants pouvant subsister dans l'eau Un système de désinfection UV produit par U V Technology Inc (Californie) a été trouvé parfaitement adapté à ce but Naturellement, comme l'homme de l'art le comprendra facilement, la quantité requise de rayonnement ultraviolet et/ou d'ozone dépend essentiellement du débit du système et d'autres facteurs En ce point, l'eau est déjà suffisamment pure pour la plupart des applications Mais si l'on veut que l'épuration soit encore plus poussée par l'utilisation facultative d'un ou plusieurs lits mixtes d'ultraépuration à résine 8 contenant une résine adsorbante additionnelle et un filtre final microporeux à cartouche 9 à pores extrafins Il est avantageux que l'eau ainsi traitée soit envoyée ensuite dans un dispositif de mesure de conductivité électrique 10 indiquant la résistance électrique de l'eau ainsi

traitée pour s'assurer de la pureté requise au point d'utilisation 11.

Un lit en carbone actif ou mieux encore en carbone actif argenté peut être utilisé pour la séparation du carbone organique en substitution en addition au lit mixte 8 Ce carbone actif peut être avantageusement intégré dans le module OI décrit dans le brevet US No 4 735 717 En plus de la mesure de la conductivité électrique, on peut utiliser des analyseurs de carbone total ou de carbone organique total

et/ou des compteurs de particules ou de bactéries.

La figure 2 représente schématiquement une source d'eau 1 admise en tant qu'affluent via 16 dans les compartiments déminéralisateurs 17 d'une unité d'électrodialyse (DE) 4 de la figure 1, éventuellement sous la forme d'une unité d'électrodialyse à inversion (EDI) ou d'une

unité d'électrodialyse à cellules occupées (EDP).

Une unité ou batterie d'électrodialyse 4 (figure 2) comprend des chambres d'électrodes 18 situées aux deux extrémités de la batterie et contenant respectivement les électrodes 19 et 20 Dans la partie intermédiaire entre les deux électrodes sont prévus divers compartiments, alternativement déminéralisateurs (diluants) et concentrateurs 21, délimités par des membranes perméables alternativement aux cations et aux anions Ces membranes délimitent les compartiments de circulation (dont aucun n'est représenté dans son

ensemble sur la figure en question).

Pour séparer les unes des autres les membranes de manière à former des compartiments alternativement déminéralisateurs et concentrateurs, il est possible d'utiliser des éléments d'écartement à parcours tortueux du type décrit dans les brevets US No 2 708 657 et 2 891 889, ou encore des élément d'écartement à réseau La combinaison formée par une membrane d'échange anionique, une membrane d'échange cationique, un compartimentdéminéralisateur et un compartiment concentrateur constitue une paire de cellules Entre une paire d'électrodes, il est possible de regrouper des paires de cellules selon un nombre quelconque, de manière à former une batterie de déminéralisation comprenant dans une configuration typique 100 paires de cellules ou plus Des systèmes de ce genre sont décrits plus particulièrement dans les brevets US No 2 694 680, 2 752 306, 2 848 403, 2 891 899, 3 003 940, 3 341 441 et 3 412 006 La fabrication et les propriétés des membranes sélectives du type utilisé dans les systèmes d'électrodes d'électrodialyse sont discutées à fond dans les brevets US No Re 24 865, 2 730 768, 2 702 272, 2 731 411 et de nombreux autres Sous l'effet du potentiel électrique qui se transmet à travers la batterie, les cations sodium, calcium, magnésium et autres (à charge positive) migrent à travers les membranes cationiques et finissent dans le courant de rejet ou de concentré (saumure) 22 De la même manière, les particules à charge négative de chlorure, sulfate, nitrate, bicarbonate et autres anions finissent dans le courant de rejet 22 en passant par les membranes anioniques Bien que les ions susmentionnés constituent en général le groupe principal des sels indésirables, d'autres substances anioniques de faible poids

moléculaire sont séparées ou peuvent être séparées de façon analogue.

En outre, pendant le fonctionnent de la batterie, un courant d'électrolytes, via la conduite 23, circule en contact avec l'électrode 19 et un courant similaire circule en contact avec l'électrode 20 Au cours du procédé EDI (électrodialyse avec inversion), la polarité électrique est inversée périodiquement par une technique largement connue de l'homme de l'art Il en résulte une inversion de la direction du mouvement des ions, avec un effet de "lavage électrique" sur les ions incrustés et autres particules chargées qui peuvent se déposer sur les surfaces des membranes Il existe également la possibilité que les compartiments déminéralisateurs de la batterie 4/ED, ou encore les compartiments déminéralisateurs ou ceux qui sont concentrateurs, peuvent être remplis en grande partie de sphères, fibres, tissus, feuilles expansées, etc, d'échange ionique, comme cela est déjà largement

connu dans ce domaine Dans la présente description, ces batteries DE

remplies, de même que le système et le procédé associés, sont appelés respectivement batteries, systèmes et procédés EDI Chaque fois qu'il

est question ici et dans les revendications d'une "électrodialyse", ou

"DE", on se réfère également aux variantes de l'électrodialyse avec

inversion ou EDI et de l'électrodialyse à cellules pleines ou EDP.

L'eau partiellement déminéralisée qui se rassemble dans l'effluent 24 est alors introduite sous haute pression par la pompe 25 en tant que courant d'alimentation via 14 dans une unité d'osmose inverse 5 Cette dernière comprend une membrane d'osmose inverse 26, une conduite d'effluent 27 pour le perméat et une conduite d'effluent 28 pour la saumure de rejet ou la solution de décharge Il est possible d'incorporer dans la ligne 28 une vanne réductrice de pression 29 pour réduire la pression du courant de solution concentrée à la sortie de l'unité OI Une partie au moins du courant de saumure de rejet 28 (mais de préférence la totalité de ce courant) est dirigée par l'intermédiaire de la conduite 30 vers l'anneau de remise en circulation de la saumure 31, pour être refoulée au moyen d'une pompe de remise en circulation 32 dans les compartiments d'électrode 18 par l'intermédiaire de la conduite d'admission 23, ou dans les compartiments concentrateurs 21 par l'intermédiaire d'une conduite d'admission 33 Une partie de la saumure en recirculation via 31 peut

être déchargée dans la conduite 34 en traversant la vanne de purge 40.

En variante ou en outre, une partie au moins du courant de saumure de rejet 28 est acheminée par la conduite 41 dans les compartiments déminéralisateurs 17 par l'intermédiaire de la conduite d'admission 16 Les modalités de l'utilisation préalablement choisies du courant de saumure circulant dans la conduite 28 dépendent des détails de fonctionnent du système Par exemple, si la source d'eau à traiter I contient X ppm de TDM et le courant de saumure 28 présente une concentration sensiblement supérieure à X, il est avantageux que le courant 28 soit ajouté au courant 31 D'autre part, si le courant 28 présente une concentration sensiblement inférieure à X, il peut être

avantageux de l'ajouter au courant 16.

Chaque fois qu'il est question ici et dans les revendications

d'osmose inverse" ou d"'OI", on se réfère également aux variantes à

hyperfiltration (IF) et à nanofiltration (NF).

Une partie très importante de l'invention est constituée par l'exploitation du courant de saumure de rejet de l'osmose inverse 28 comme courant d'alimentation pour l'anneau de remise en circulation du courant salin concentré provenant de l'électrodialyse 31, au poste de décharge directe dans les égouts par l'intermédiaire de la conduite 42 Il en résulte un système de déminéralisation plus efficace et plus fiable, caractérisé par un meilleur rendement en termes de production

d'eau épurée.

Le système représenté à la figure 2, une fois incorporé dans le système dont le diagramme de flux est représenté à la figure 1, produit de l'eau ultrapure (plus de 17 mégohms/cm) en partant d'un courant légèrement salin comme l'eau du réseau (voir les exemples), mais peut être également utilisée sous la forme illustrée dans ses grandes lignes à la figure 2 pour traiter de l'eau saumâtre ou de

l'eau de mer de manière à obtenir de l'eau à taux de salinité réduit.

Le procédé et le système qui font l'objet de l'invention sont

davantage illustrés dans les exemples qui suivent, par comparaison.

L'exemple 1 présente un système de traitement des eaux dans lequel le courant de saumure de rejet de l'osmose inverse est déchargé dans les égouts, ainsi que cela se fait normalement avec les procédés de conception ancienne L'exemple 2 montre par contre le procédé et le système améliorés dans lesquels, conformément à la présente invention, le courant de saumure de rejet de l'osmose inverse n'est pas perdu,

mais conservé et reflué vers l'unité/batterie d'électrodialyse.

Exemple I

L'eau du réseau à traiter est envoyée dans le système d'épuration en passant par une vanne d'interception et une vanne de régulation de pression L'eau présente un p H de 8,1, une température de 17,5 C et une conductivité électrique de 500 micro siemens/cm, ces valeurs correspondant à environ 300 ppm de sels dissous L'eau est mise sous pression par une pompe et envoyée dans une unité d'ultrafiltration du type à disposition en spirale incorporant des membranes polysulfoniques ayant un seuil de coupure de 50 000 dalton en termes de poids moléculaire Le perméat du système d'ultrafiltration (UF), à un débit d'environ 31,9 m 3/h, sert d'affluent pour une unité d'électrodialyse avec inversion Aquamite X (produite par Ionics, Inc, Watertown, Massachusetts/USA) dont environ 28,4 m 3/h parviennent dans les compartiments déminéralisateurs (dessalants) et quant au reste, 3,4 m 3/h dans les compartiments concentrateurs pour la réintégration de saumure et 0,34 m 3/h dans les compartiments des électrodes Le complexe Aquamite X comprend trois batteries à membrane en série, utilise des membranes échangeuses d'ions mesurant 45,72 x 101,6 x 0,05 cm ( 18 " x 40 " x 0,020 ") et chaque batterie comprenant 500 paires de compartiments déminéralisateurs et concentrateurs Sur un total de 27,2 m 3/h d'eau épurée à la sortie de l'unité EDI, 0,6 m 3/h sont déchargés dans les égouts (ou reversés dans la saumure et dans le compartiment des électrodes), dans la mesure o ils ne sont pas conformes à la norme Ainsi, le rendement net de l'unité est de 26,7 m 3/h de produit pour le traitement suivant au moyen de l'OI L'effluent de l'unité EDI présente une conductivité électrique d'environ 60 micro siemens/cm (correspondant à environ 335 ppm de sels dissous) et une acidité accrue (p H 5,5-5,8) L'effluent des compartiments concentrateurs est recyclé en tant que courant d'alimentation des mêmes compartiments; simultanément, on fait sortir de l'anneau de remise en circulation de saumure 4,3 m 3/h de saumure ou de solution concentrée pour la décharge dans les égouts Il en va de

même pour 0,34 m 3/h d'effluents des compartiments des électrodes.

Pendant le fonctionnent électrique de l'unité EDI, une partie de l'eau (environ 0,9 m 3/h) est transférée (comme eau d'hydratation), à travers les membranes en même temps que les ions des compartiments déminéralisateurs et des compartiments concentrateurs Le courant de produit acidifié et déminéralisé qui résulte du traitement EDI est ensuite envoyé sous pression dans l'unité d'osmose inverse, du type à fibres creuses avec des membranes en triacétate de cellulose Les unités d'osmose inverse comportaient des membranes avec des pores d'environ 0,0005 micromètres et ont été fournies par la Dow Chemical Co de Midland, Michigan/USA Le perméat de l'unité OI correspond à environ 22, 7 m 3/h, avec une conductivité électrique égale à environ 2,0 micro siemens/cm (environ 1 ppm de TDM) et une température de 19,40 C Le courant de rejet de l'OI ( 3,97 m 3/h) présente une conductivité électrique d'environ 65 g S/cm et est déchargé dans les égouts L'eau résultante est soumise à un traitement ultérieur avec passage à travers deux bancs de cylindres d'échange ionique en série, chaque banc comprenant huit cylindres alimentés en parallèle Chaque cylindre contient 100 litres de résines d'échange ionique mélangées, et précisément 60 litres de résines anioniques A 101 D (forme OH-) et litres de résine cationique C 20 H (forme H+) Ces résines sont fournies par Rohm & Haas Co L'effluent total ( 22,7 m 3/h) du traitement par échange ionique présente un p H pratiquement neutre et une résistance finale de 17,8 mégohms/cm de préférence, il est soumis à un rayonnement ultraviolet pour détruire tous les organismes vivants

quelconques avant la décharge et l'utilisation finale par le client.

L'installation de traitement UV est facile à obtenir; un type qui peut être fourni par Aquafine Corp de Valencia, Californie/USA s'est avéré

sans problèmes pour cette application.

Comme on le voit, partant de 31,9 m 3/h de perméat UF, on obtient 22,7 m 3/h d'eau épurée comme produit final, avec un rendement en eau

relativement bas de 71,2 %.

Exemple 2

Dans ce second exemple, on a exploité l'aspect de l'invention qui consiste en l'utilisation du courant de saumure de rejet de l'0 I comme courant d'alimentation des compartiments concentrateurs et des compartiments des électrodes de l'unité EDI, en obtenant une amélioration sensible du rendement en eau ( 80,6 %, avec une réduction d'un tiers de la perte par décharge directe) En l'occurrence, on est parti de 28,1 m 3/h de perméat UF comme courant d'alimentation pour les compartiments déminéralisateurs Le perméat UF n'a pas été envoyé directement dans les compartiments concentrateurs ou dans les compartiment des électrodes, comme dans le cas précédent Les 3,97 m 3/h de solution de rejet à 65 AS/cm de l'OI, qui étaient déchargés dans les égouts à l'exemple 1, sont utilisés ici au taux de 3,63 m 3/h pour l'alimentation de l'anneau de remise en circulation de la saumure et à raison de 0,34 m 3/h pour l'alimentation des compartiments des électrodes Le produit final qui sort de l'unité OI se traduit par un débit de 22,7 m 3/h, ce qui correspond à une récupération d'eau de

80,6 % des 28,1 m 3/h du volume initial d'eau traitée.

En variante, le rejet de l'OI est envoyé dans les compartiments déminéralisateurs de la batterie DE, en remplacement des 3,47 m 3 d'alimentation Le produit hors tolérances a été accumulé et purgé dans l'anneau de remise en circulation de saumure/électrodes en remplacement de 0,57 m 3/h d'eau d'alimentation Le rendement en eau épurée a été d'environ 81,4 % et la consommation d'énergie dans les

batteries DE a été inférieure d'environ 3,5 %.

En conclusion, le procédé et l'installation préférés de l'invention se basent sur une combinaison des phases de traitement en série suivantes: (a) ultrafiltration ou filtration "cross-flow" pour le prétraitement de l'eau d'alimentation, dans le but de la rendre propre aux traitements ultérieurs; (b) électrodialyse de l'eau pré-filtrée pour en réduire notablement la salinité et en augmenter l'acidité (par exemple jusqu'à un p H de 4 à 6,8 environ) de manière à la préparer à la phase OI; (c) osmose inverse pour réduire la salinité en utilisant dans le même temps le courant de rejet de la saumure pour la renvoyer à l'unité DE, suivie de préférence par les phases suivantes de traitement supplémentaire; (d) échange ionique (de préférence avec des unités portables) pour diminuer encore plus le taux d'impuretés minérales; (e) traitement de désinfection aux ultraviolets ou à

l'ozone pour détruire les bactéries.

Chacune étant prise en tant que telle, les phases individuelles de traitement prévues par la présente invention (ultrafiltration/filtration "cross-flow", électrodialyse et osmose inverse) sont connues de l'homme de l'art Mais on voit qu'à la suite de la combinaison DE + OI (intégrée dans la solution originale consistant dans le recyclage comme décrit plus haut du courant de solution concentrée sortant de l'unité OI) on produit une synergie, cela signifiant que les avantages du procédé global augmentent d'une façon inattendue et que le procédé lui-même est extrêmement utile (spécialement en tant que système de traitement d'eau installé sur des unités mobiles) quand il s'agit d'obtenir une eau dessalée et/ou ultrapure sans avoir à ajouter des substances chimiques d'origine externe à l'eau avant la phase d'osmose inverse; en outre, on économise de l'eau d'alimentation précieuse et on réduit le volume des

décharges à éliminer.

La description qui précède a pour but d'illustrer des formes

représentatives et préférées de la présente invention Dans la présente demande, chaque fois que les divers éléments du procédé et de l'installation sont définis de façon générale, il est entendu que ces définitions couvrent des éléments correspondant à ceux qui ont été décrits, de même que des éléments équivalents en relation avec la

totalité du champ d'application de l'objet de l'invention.

Claims (17)

REVENDICATIONS

1 Procédé d'épuration de l'eau, caractérisé en ce que l'on utilise une unité d'électrodialyse ( 4) en combinaison avec une unité d'osmose inverse ( 5), ladite unité d'électrodialyse comprenant une ou plusieurs paires de compartiments déminéralisateurs et concentrateurs délimités par des membranes perméables respectivement aux anions et aux cations, lesquels compartiments sont disposés entre une paire de compartiments d'électrodes ( 18), eux-mêmes disposés aux extrémités, le passage d'une eau d'alimentation étant en outre prévu dans les compartiments déminéralisateurs ( 17) pendant qu'un courant électrique continu est appliqué entre la paire susmentionnée d'électrodes, de façon à réduire le taux de salinité de l'eau d'alimentation en provoquant le passage du sel desdits compartiments déminéralisateurs vers les compartiments concentrateurs ( 21), à quoi on fait succéder la sortie de l'unité d'électrodialyse de l'effluent partiellement dessalé et son passage, sous pression, à l'entrée d'une unité ( 5) à membrane qui fonctionne selon le principe de l'osmose inverse, à partir d'une sortie de laquelle on prélève le perméat ( 27) notablement dessalé qui a passé à travers la membrane d'osmose inverse, tandis que par une autre sortie ( 28) de celle-ci est prélevé un liquide de rejet concentré qui n'a pas passé à travers la membrane d'osmose inverse, et qu'au moins une partie de ce dernier liquide final est remise en circulation comme courant d'alimentation pour ladite unité d'électrodialyse.

2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit liquide de rejet est remis en circulation de façon continue dans un système à anneau ( 31) vers les compartiments concentrateurs ( 21) de l'unité d'électrodialyse, avec prélèvement simultané à l'unité

d'électrodialyse d'une partie du liquide remis en circulation.

3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le liquide remis en circulation est envoyé en tant qu'affluent vers au

moins l'un desdits compartiments d'électrodes.

4 Procédé selon l'une quelconque des revendications

précédentes, caractérisé par le fait que l'eau est soumise à une ultrafiltration ou à une filtration cross-flow" avant de passer à la

phase d'électrodialyse.

Procédé selon l'une quelconque des revendications

précédentes, caractérisé par le fait que le traitement d'électrodialyse s'effectue dans des conditions pratiquement polarisantes dans le but d'acidifier le produit partiellement dessalé qui sort des compartiments déminéralisateurs de l'unité d'électrodialyse. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le produit partiellement dessalé est acidifié par électrodialyse

jusqu'à un p H compris entre environ 4 et environ 6,8.

7 Procédé selon l'une quelconque des revendications

précédentes, caractérisé par le fait qu'à la suite de la phase d'osmose inverse, le perméat est soumis à un traitement ultérieur par échange ionique pour en séparer la totalité ou quasi-totalité des ions

résiduels en solution.

8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'eau produite au moyen du traitement par échange d'ions est soumise à une stérilisation par l'ozone à une concentration appropriée ou à des rayons ultraviolets d'intensité appropriée dans le but de détruire les

contaminants biologiques.

9 Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'eau produite au moyen du traitement par échange ionique est soumise à un traitement d'ultraépuration finale dans le but d'obtenir comme produit une eau ayant une résistance électrique supérieure à environ

17 mégohms/cm à la température de 25 *C.

Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 9,

caractérisé par le fait qu'il est réalisé dans un conteneur

transportable.

11 Procédé selon l'une quelconque des revendications

précédentes, caractérisé par le fait que la polarité du courant continu est inversée à intervalles réguliers, avec commutation simultanée de la circulation des solutions en direction des

compartiments déminéralisateurs et des compartiments concentrateurs.

12 Installation pour la séparation des sels dissous d'une solution aqueuse, caractérisée par le fait qu'elle comprend une unité d'électrodialyse ( 4) à plusieurs compartiments en combinaison avec une unité d'osmose inverse ( 5), ladite unité d'électrodialyse comprenant une multiplicité de compartiments, dont les deux compartiments terminaux sont les compartiments d'électrodes ( 18), des compartiments déminéralisateurs ( 17) et des compartiments concentrateurs ( 21) étant disposés alternativement entre lesdits compartiments d'électrodes, lesdits compartiments étant délimités par paires alternativement par des membranes perméables aux cations et des membranes perméables aux anions, avec en outre des dispositifs d'entrée pour l'admission de la solution affluente dans les compartiments déminéralisateurs, concentrateurs et d'électrodes, et des dispositifs de sortie pour le prélèvement d'une solution provenant desdits compartiments, ainsi que des dispositifs pour le passage d'un courant continu à travers les membranes et les compartiments susmentionnés, et des dispositifs ( 25) pour la pressurisation d'au moins une partie de la solution qui sort des compartiments déminéralisateurs, ladite unité d'osmose inverse disposant de dispositifs d'admission ( 14) pour recevoir l'effluent ainsi pressurisé desdits compartiments déminéralisateurs, des dispositifs d'émission ( 27) pour le prélèvement du perméat de la membrane d'osmose inverse, des dispositifs d'émission pour la séparation du courant de rejet pressurisé, et des dispositifs ( 30, 31, 41) pour le recyclage d'au moins une partie de ce courant de rejet en tant que partie du courant d'alimentation de ladite unité d'électrodialyse.

13 Installation selon la revendication 12, caractérisée par le fait qu'elle comprend des dispositifs ( 28, 31, 23) pour acheminer au moins une partie du courant de rejet aux compartiments d'électrodes de

l'unité d'électrodialyse, comme affluent d'alimentation.

14 Installation selon la revendication 12, caractérisée par le fait qu'elle comprend des dispositifs pour remettre en circulation la solution à travers les compartiments concentrateurs, ainsi que des dispositifs pour le prélèvement d'une partie de ladite solution pour

sa décharge dans les égouts.

Installation selon la revendication 12, caractérisée par le fait qu'elle comprend des dispositifs d'ultrafiltration disposés en

amont de l'unité d'électrodialyse.

16 Installation selon la revendication 12, caractérisée par le fait que sont prévus des dispositifs aptes à faire fonctionner l'unité

d'électrodialyse dans des conditions pratiquement polarisantes.

17 Installation selon la revendication 12, caractérisée par le fait qu'en aval de l'unité d'osmose inverse, et en série avec les dispositifs d'émission pour le prélèvement du perméat est installé un

système d'échange ionique à lit mixte.

18 Installation selon la revendication 17, caractérisée par le fait qu'après l'unité d'osmose inverse, et en série avec les dispositifs d'émission du prélèvement du perméat, est installé un

système de stérilisation.

19 Installation selon la revendication 12, caractérisée par le

fait qu'elle est disposée dans un conteneur transportable.

20 Installation selon la revendication 12, caractérisée par le fait que sont prévus des dispositifs aptes à inverser la polarité du

courant continu à des intervalles réguliers.