Déminéralisation de l'eau saumâtre du forage Albien “Aïn Sahara''

Déminéralisation de l'eau saumâtre du forage Albien “Aïn Sahara''

Déminéralisation de l'eau saumâtre du forage Albien “Aïn Sahara'' pour l'alimentation en eau potable de la
ville de Touggourt
Salim Mebrouk Oussedik
Laboratoire d'Electrochimie et de Corrosion, Institut de Chimie Industrielle, Université de Blida Route de Soumâa,
BP 270 Blida 09000, Algérie
Tel. +213 (3) 43 36 31; Fax +213 (3) 43 11 54
Received 7 August 2000; 21 August 2000

Abstract
Pendant de longues périodes, l'eau a été considérée comme une ressource naturelle gratuite et inépuisable. Or, des études de prospection font apparaître une diminution alarmante des réserves d'eau à l'échelle du quart de siècle, voir même de la décennie. Dans certains pays, et en particulier dans certaines régions du Bassin Méditerranéen, la demande en eau potable dépasse très largement l'offre constituée par les ressources naturelles. L'Algérie vit actuellement le problème crucial de l'approvisionnement en eau d'alimentation publique, agricole et industriel, notamment dans les régions sahariennes qui représentent deux tiers de la superficie du pays et où les précipitations sont de l'ordre de soixante millimètres par an avec des années de totale sécheresse. C'est le cas de la ville de Touggourt. L'un des problèmes essentiel du processus de développement de ces régions est la recherche de techniques favorisant l'augmentation des potentialités en eau potable. Parmi ces potentialités, l'existence de nappes albiennes représentent une réserve en eau non négligeable qu'il est intéressant d'exploiter pour la mise en valeur du Sahara en général. Mais ces eaux sont chaudes et saumâtres et ne sont exploitables qu'après dessalement. L'eau du forage de Aïn-Sahara arrive en tête de station à une pression de 16 bars, une température de 60°C, une salinité de 2100 ppm et avec un débit de 130 l/s. Pour le traitement des eaux saumâtres dont la salinité est inférieure à 2500 ppm, l'électrodialyse, du fait de la simplicité des opérations de mise en service et de maintenance ainsi qu'à son bon rendement de déminéralisation, peut répondre au besoin d'amélioration de la qualité de l'eau [1]. L'unité d'électrodialyse conçue permet de produire 7850 m3/jour de salinité globale de 650 ppm, niveau de qualité tout à fait acceptable par le Code des Eaux Algérien et par les normes de qualité OMS.

Keywords: Water; Brackish; Desalination; Electrodialysis.
In French. [English title: Demineralization of brackish water at Albien well “Aïn Sahara” for potable water
supply for Touggourt City]

1. Principe de l'electrodialyse
L'électrodialyse est un procédé de dessalement électro-membranaire qui permet d'éliminer des sels dissous d'une eau saline par migration à travers des membranes sélectives sous l'action d'un champ électrique [2]. Pour comprendre ce procédé plus clairement, il est donné une description succincte des phénomènes auxquels il faut s'attendre au cours d'une électrodialyse car il est important de connaître l'effet potentiel d'un courant continu dans une solution saline [3].
Soit une cellule rectangulaire (Fig. 1) remplie d'une solution de chlorure de sodium NaCl, avec à chaque extrémité une électrode.
Quand une différence de potentiel est appliquée entre les électrodes supposées inattaquables, les phénomènes suivant ont lieu:
1. les cations (Na+) sont attirés par l'électrode négative, nommée cathode.
2. les anions (Cl-) sont attirés par l'électrode positive, nommée anode.
3. la réaction de dissociation de l'eau sous l'effet du courant produit: à l'anode, l'apparition d'ions H+ et une perte d'électrons (oxydation) suivant la réaction:

la cathode, l'apparition d'ions OH- et un gain d'électrons (réduction) suivant la réaction:


4. une réaction mettant en jeu la formation de chlore gazeux et donc une disparition d'ion chlore suivant la réaction:


Si, dans la même cellule que précédemment contenant la solution saline et les électrodes, on introduit plusieurs membranes sélectives pour contrôler le mouvement des ions dans la cellule et créer ainsi des compartiments hermétiques à l'eau comme le montre la Fig. 2. Le circuit étant ouvert, il n'y aura donc pas de transfert d'ions.
Dans ce cas deux types de membranes sont utilisés.
1. une membrane anionique sélective (représentée par la lettre A dans la Fig. 2), elle s'oppose au passage des cations et permet le passage des anions uniquement tout en restant imperméable à l'eau sous pression.
2. une membrane cationique sélective (représentée par la lettre C dans la Fig. 2), qui permet le passage des cations uniquement et s'oppose au passage des anions tout en étant imperméable à l'eau sous pression.
Sous l'influence du champ électrique créé par la différence de potentiel établie entre les électrodes supposées inattaquables, les ions Cl-et Na+ vont se déplacer respectivement vers l'anode et vers la cathode en traversant les membranes si possibilité. On aura donc un transfert d'ions comme le montre la Fig. 3.

On observe les déplacements des ions.
Compartiments et 1 et 6: ces compartiments sont uniques car ils contiennent les électrodes métalliques. Le chlore gaz, l'oxygène gaz et les ions H+ sont produits à l'anode. L'hydrogène gaz et les ions OH- sont produits à la cathode. Les gazs en sont pas représentés sur la Fig. 3.
Compartiment 2:
• les ions Cl- passent à travers la membrane anionique (A) dans le compartiment 3.

• les ions Na+ passent à travers la membrane cationique (C) dans le compartiment 1.
Compartiment 3:
• les ions Na+ ne peuvent pas traverser la membrane anionique et restent dans le compartiment 3.
• les ions Cl- ne peuvent pas traverser la membrane anionique et restent dans le compartiment 3.
Compartiment 4:
• les ions Cl- passent à travers la membrane anionique dans le compartiment 5.
• les ions Na+ passent à travers la membrane cationique dans le compartiment 3.

Compartiment 5:
• les ions Na+ ne peuvent pas traverser la membrane anionique et restent dans le compartiment 5.
• les ions Cl- ne peuvent pas traverser la membrane cationique et restent dans le compartiment 5.
L'ensemble de ces effets montre que les compartiments 2 et 4 s'appauvrissent en ions Na+ et Cl- (compartiment de déminéralisation) alors que les compartiments 3 et 5 se concentrent en ions Na+ et Cl- (compartiment de concentration).
Comme le montre la Fig. 3, l'alternance de compartiments de solutions déminéralisées et de solutions concentrées se forme quand une différence de potentiel est appliquée entre les électrodes. Dans les meilleures conditions, cette unité produit deux fluides majeurs séparément: une solution déminéralisée et de la saumure ainsi que deux flux mineurs provenant des compartiments électrodes.
Pour une application de dessalement d'eau plusieurs dizaines voir plusieurs centaines de ces compartiments de déminéralisation et de concentration sont assemblés dans un empilement de membranes. Cet empilement est serré entre deux presses soit à l'aide de tiges filetées et de boulons, soit à l'aide d'un vérin hydraulique. On peut ainsi obtenir, à partir d'une eau saline, une eau à la salinité désirée (500 ppm dans la plus part des cas [4]).
2. Situation de l'approvisionnement en eau de Touggourt
Ces régions désertiques ou semi-désertiques sont caractérisées en été par des températures moyennes maximales de 40°C et des minimales de 20°C. Les températures hivernales varient considérablement suivant l'altitude (70 m) et la position géographique de la région (33,07°N, 06,04°E). L'ensoleillement y est très important, de l'ordre de 280 jours par an avec une nébulosité de 23% environ [5]. Les vents ont une vitesse de 15 km/h de jour et de 6 km/h en moyenne la nuit. Il est bien entendu que ces chiffres représentent des moyennes et peuvent varier dans des limites assez larges d'une année à l'autre.
Les plus importantes ressources aquifères sont contenues dans les formations continentales.
Ainsi les nappes phréatiques forment avec les nappes albiennes l'un des plus vaste ensemble hydraulique du Sahara Algérien. La nappe albienne est de plus en plus exploitée depuis quelques années par de grands forages jaillissant dans la région de Touggourt au lieu dit Aîn Sahara et Sidi Mahdi.
L'analyse de l'eau du forage albien de Aîn Sahara (Touggourt) est consigné dans le Tableau 1 ci dessous. Il ressort de cette analyse que l'eau de ce forage est d'une manière générale, par rapport aux normes de qualité OMS ainsi que par rapport aux normes de qualité des Eaux Algériennes Publiées au Journal Officiel du 16 Juillet 1983, de forte salinité et ne convient pas à sa consommation comme eau de boisson, ni aux usages domestiques, agricoles et industriels.
De ces faits, un traitement de dessalement de ces eaux est recommandé. Le choix de traitement de dessalement étant l'électrodialyse, un prétraitement de l'eau est nécessaire pour réduire la température de l'eau et éliminer les matières en suspension ainsi que les éléments entartrants.

3. Le pretraitement
L'eau brute arrive en tête de station à une pression de 16 bars et à une température de 60°C, elle subit une détente à une atmosphère. L'eau est ensuite refroidie à une température de 30°C sur une tour de refroidissement à ventilation forcée, mettant en jeu le transfert de chaleur par évaporation.
L'échange s'effectue par l'intermédiaire de surfaces assurant un éclatement de l'eau en fines gouttelettes. L'air atmosphérique, au contact de l'eau s'échauffe et passe de l'humidité ambiante à une humidité proche de la saturation en évaporant une partie de l'eau à refroidir. La Fig. 4 et le Tableau 2 montrent schématiquement le bilan de chaleur sur la tour de refroidissement.


Le refroidissement est suivi d'une filtration sur 4 filtres à sable rapide de 22,5 m2 de surface filtrante, soit chaque filtre avec une largeur de 3m et une longueur de 7,5 m, avec corps de filtre constitué d'une structure parallélipipédique en béton armé et dont la couche filtrante est façonnée du radier vers la surface libre de la manière suivante:

• d'une couche de gravier de 40 cm séparant le système de drainage du lit filtrant
• d'une couche de sable grossier de 10 cm de taille effective comprise entre 0,8 et 2 mm
• d'une couche de sable moyen de 80 cm de taille effective de 0,6 mm
• la hauteur d'eau de 1m, maintenue constante par un système de régulation en aval du bassin filtrant
• d'une hauteur de sécurité de 20 cm qui a pour rôle de réduire l'introduction de poussière en cas de vent et d'empêcher le débordement de l'eau au cours de l'arrêt du filtre.
En somme, la hauteur du filtre à sable est de 2,5 m au dessus du radier.
4. Le poste de demineralisation
4.1. Microfiltration de sécurité
L'eau brute, ainsi refroidie et filtrée sur filtre à sable rapide, arrivant dans le poste de déminéralisation, subit une microfiltration. Cette microfiltration protège les membranes d'électrodialyse en arrêtant les matières solides imprévues et assure la pureté de l'eau. La couche poreuse des micro filtres a un diamètre de pore de 10μm.
Le débit de l'eau à traiter étant important il est prévu 4 filtres à cartouches de longueur 0,79 m (31"), de surface effective de filtration de 0,37 m2 (4 ft2) et de vitesse effective de filtration de 235m3/m2/jour (4 gal/min ft2). Le débit d'eau à traiter par cartouche est de 87,2 m3/jour, chaque filtre traite environ 357m3/j × 22/4 h = 1964m3/jour d'eau à traiter. Donc chaque filtre possédera 1964/87,2≈23 cartouches. Soit au total 92 cartouches pour les quatre filtres à sable rapide.
4.2. Calcul du poste de déminéralisation
Le poste d'électrodialyse est dimensionné,
pour une première approximation, de façon à obtenir une salinité résiduelle de l'eau de distribution de salinité totale (ST) 900ppm admise par les normes OMS [6] (Fig. 5).
Les équations de continuité et de conservation appliquées aux points A et B ainsi que le taux de conversion admis de 75%, nous donnent les débits et les concentrations à estimer pour une première approche du problème.
Nous utilisons des modules ayant 250 cellules unitaires par module. Les dimensions des compartiments sont 1020×4160 mm×mm. Le débit d'eau journalier à traiter étant important (356,8m3/h×22 h=7850m3/jour), nous le répartissons sur 03 postes de dessalement identiques, ceci pour obtenir une durée de vie maximale de l'unité d'électrodialyse [7]. Chaque poste reçoit donc 2616m3/jour d'eau brute. En considérant que le débit maximal par module est de 946 m/j

[7], chaque module reçoit 2616/3=872m3/j.
Donc chaque module reçoit -par cellule unitaire un débit d'eau à traiter Qd=0,04 l/s.
Les éléments de contrôle du procédé d'électrodialyse sont:
• la salinité et le dédit d'eau à traiter
• les propriétés des membranes d'électrodialyse
• la loi de Faraday, la loi d'Ohm et l'efficacité du courant.
La loi de Faraday est la base de calcul du besoin de quantité de courant nécessaire pour le transfert d'une quantité de sel donné à travers une membrane d'électrodialyse (pour une cellule).
Qd × Cdi × f = i × Ap × ç/1000 × F
Qd, débit d'eau dans le circuit de déminéralisation (l/s par cellule); Cdi, concentration à l'entrée du circuit de déminéralisation (éqgr/l NaCl); Ap, surface effective de transfert (cm2/ cellule); i, densité de courant appliqué (mA/cm2);
h, rendement Faraday; F, constante de Faraday (96,000 coulomb).
La loi d'Ohm, énoncée comme le produit du courant I par la résistance du système électrique R, détermine la différence de potentiel U aux bornes de ce système.
U (volt) = R (ohm) × I (ampère)
Pour déterminer le voltage d'un étage d'électrodialyse donné, le courant est déterminé par la loi de faraday et la résistance du système est déterminée par les parties constituantes de l'empilement membranaire et de la solution à traiter (nommée aussi résistance spécifique d'une cellule).
Les éléments contribuants à la résistance dû à l'empilement membranaire sont donnés par l'expression suivante:
Rcp = Rcm + Ram + Rc + Rd

Rcp, résistance par unité de surface d'une paire de cellules (W.cm2); Rcm, résistance par unité de surface de la membrane cationique (W.cm2); Ram, résistance par unité de surface de la membrane anionique (W.cm2); Rc, résistance par unité de surface du circuit de concentration (W.cm2); Rd, résistance par unité de surface du circuit de déminéralisation (W.cm2).
Les facteurs influençant les différentes résistances sont la température, l'espèce ionique considérée et la concentration des solutions.
L'efficacité du courant, basée sur la loi de Faraday, est utilisée pour calculée le transfert de sel. Théoriquement, pour tout les 26,8 ampère heures un équivalent gramme de sel est transporté dans chaque paire de cellules. Dans le cas bien sur que le procédé soit à 100% efficace.
L'efficacité E du courant est définie par :
E = F × Qd × (Cdi - Cds) × 100/ I × N*
F, constante de Faraday (26,8 ampére-heures); Cds, concentration à la sortie du circuit de déminéralisation (éqgr/l NaCl); I, intensité du courant (A); N*, nombre de paires de cellule.
Le calcul du nombre d'étage se fait à partir d'une ligne de traitement avec comme données de base, la température de l'eau brute, la salinité de l'eau brute à l'entrée des compartiments de déminéralisation et de concentration du premier étage, le rendement faraday et la salinité désirée à la sortie du poste d'électrodialyse. Le Tableau 3 et la Fig. 6 donnent les principales caractéristiques d'une ligne de modules du poste de déminéralisation composée de 03 étages.


En résumé pour traiter 7849 m3/j d'eau brute de salinité 2100 ppm (0,036 eqgr/l NaCl), il faut 03 postes de déminéralisation traitant chacun 2616 m3/j. Chaque poste comprend 03 lignes de traitement chacune traitant 872 m3/j. Le taux de conversion est de 2094/2616 ×100 = 80%.
5. Post-traitement: la chloration
La chloration de l'eau produite est l'ultime étape du traitement de dessalement. L'introduction de 2 gr/m3 de chlore libre est préconisée afin qu'après désinfection, il ne reste que 0,5 g/m3 de chlore libre dans l'eau de distribution.
Il faut 20 l d'eau de javel, titrant à 20°, par heure de production pour assurer la désinfection de l'eau produite.

6. Conclusion
Le choix du procédé d'électrodialyse apparaît comme un procédé industriel avantageux pour le dessalement des eaux saumâtres de faibles salinité vu certaines caractéristiques spécifiques à ce procédé comme la simplicité de construction des installations à capacité énergétique et métallique faible (matériaux utilisable en plastique), la bonne tenue des membranes à la température (45°), le prétraitement (filtration) simple, une simplicité des opérations de mise en service et de maintenance (possibilité de démontage des modules pour un nettoyage poussé), ainsi qu'une pression de service inférieure à 3 bars. Il en résulte que le procédé d'électrodialyse est particulièrement intéressant du point de vue coût de dessalement pour une eau de salinité inférieure à 2500ppm. Néanmoins, en raison des circonstances locales et des variations rapides des charges financières, du coût de l'énergie ainsi que du coût d'exploitation, le calcul du coût du m3 d'eau produit pour l'alimentation en eau potable est à estimer avec prudence. Il est cependant utile pour fixer l'ordre de grandeur du coût de dessalement qui est approximativement de US $170 000 [7] pour une unité de 50m3/j comprenant le prétraitement sur filtre à sable, la microfiltration sur cartouches, les pompes d'alimentations, le système CIP et ECIP (Clean In Place et Electrode), le poste de désinfection et l'unité d'électrodialyse.
References
[1] D. Heshka, Internat. Desalination Wat. Reuse Q., 1996.
[2] A.J.M. von Gottgerg and L.R. Siwak, Desalination Wat. Reuse, 7(4) (1998) 33.
[3] F.H. Meller, ed., Electrodialysis (ED) and electrodialysis reversal (EDR) technology, IONICS Inc., 1984, pp 11–32.
[4] A. Maurel, Déminéralisation des eaux saumâtres par électrodialyse, Séminaire international sur la technologie appropriée à la déminéralisation de l'eau potable, 1986, Alger.
[5] M. CAPDEROU, Atlas solaire de l'Algérie, Office des Publications, Universitaires, Alger, 1986.
[6] J. Rodier, L'analyse de l'eau, eaux naturelles, eaux résiduaires, eaux de mer, Dunod Technique, Paris, 1986, pp. 889–890.
[7] Ionics, Inc, Documentations techniques, Bureau de
Liaison, Alger.