Brevet FR2979338A1 — publié le 20130301

PROCÉDÉ ET INSTALLATION DE TRAITEMENT D'EAUX RÉSIDUAIRES CONTENANT DES HYDROCARBURES, EN PARTICULIER DES COMPOSÉS AROMATIQUES. L'invention concerne un procédé de traitement d'eaux résiduaires contenant des hydrocarbures, en particulier des hydrocarbures du groupe de composés appelé BTEX contenant des composés aromatiques : benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes (ortho, méta et para). L'invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, des eaux résiduaires provenant d'une production ou d'un conditionnement de gaz naturel. Ces types d'eaux contiennent des composés qui ne sont pas compatibles avec un rejet direct au milieu naturel (rivière, lac ou mer). Les composés du groupe BTEX sont souvent présents en concentration importante, jusqu'à quelques grammes par litre, dans les eaux accompagnant la production ou le conditionnement du gaz naturel, et désignées pour simplifier par l'expression « eaux produites ». Ces composés étant volatils, il convient également d'éviter leur rejet dans l'atmosphère. L'élimination de BTEX présents dans les eaux produites, provenant de la production ou du conditionnement du gaz naturel, est souvent basée sur un procédé utilisant adsorption ou absorption sur un milieu granulaire comme des argiles, des zéolites modifiées, des charbons actifs ou des matières organiques. Ce type de procédé nécessite une régénération ou un remplacement périodique des matériaux d'adsorption en raison de leur saturation par les hydrocarbures éliminés de l'eau. Une technologie également utilisée actuellement consiste en un procédé connu sous le nom MPPE (macro porous polymer extraction extraction par polymère macroporeux). Le procédé met en oeuvre deux ou plusieurs colonnes contenant des lits de polymère granulaire. Le polymère agit comme un support pour un milieu d'extraction spécialement sélectionné pour sa capacité à absorber les hydrocarbures de la phase aqueuse. L'eau à traiter est introduite dans les colonnes et les hydrocarbures présents dans le flux d'eau sont éliminés par ce procédé d'absorption. Le groupe de composés BTEX est inclus dans les composés éliminés par ce procédé. Lorsqu'une colonne est saturée avec des hydrocarbures, il convient de procéder à une régénération de son matériau. La régénération est obtenue par injection de vapeur dans la colonne : les hydrocarbures sont dépouillés des granules de matériau support par la vapeur. Cette vapeur, qui sort contaminée avec les hydrocarbures, est ensuite condensée. Les hydrocarbures présents dans le condensat sont 2 9 7933 8 2 séparés physiquement par gravité et le concentré résultant est éliminé comme déchet, ou est recyclé. Du fait de ce besoin de régénération, il faut au minimum deux colonnes : une pour traiter l'eau, et une en régénération. Généralement, une colonne reste en phase de traitement pendant une heure environ et est 5 ensuite régénérée pendant une heure. Les phases de régénération compliquent les opérations de traitement. En outre, la pollution des eaux est déplacée de la phase aqueuse dans une autre phase, mais la question de son élimination subsiste. L'invention a pour but, surtout, de fournir un procédé d'élimination 10 des composés BTEX et plus généralement des hydrocarbures présents dans des eaux résiduaires destinées à être rejetées dans l'environnement naturel, sans polluer la phase aqueuse, ni la phase gazeuse terrestre. Selon l'invention, le procédé de traitement d'eaux résiduaires contenant des hydrocarbures, en particulier des hydrocarbures du groupe de 15 composés appelé BTEX contenant des composés aromatiques : benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes, est caractérisé en ce que les eaux résiduaires sont soumises à un strippage par un gaz combustible de sorte que la pollution d'hydrocarbures non seulement est retirée de l'eau par transfert dans le gaz, mais aussi est éliminée/valorisée ultérieurement lors de la 20 combustion du gaz. Avantageusement, le gaz combustible de strippage est du gaz naturel chargé en composés aromatiques, qui présente une teneur en BTEX comprise entre 1000 ppm (massique) et 15 000 ppm (massique). D'une manière générale, les teneurs exprimées dans la description 25 et les revendications sont des teneurs massiques. Le gaz combustible de strippage peut aussi être constitué de gaz naturel « propre », c'est-à-dire qui présente une teneur en BTEX inférieure à 1000 ppm. Avantageusement, le gaz naturel de strippage est celui de la 30 production ou du conditionnement de gaz naturel dont proviennent les eaux résiduaires à traiter. L'eau après strippage est avantageusement soumise à un traitement biologique, en particulier dans le cas d'eaux résiduaires provenant d'une production ou d'un conditionnement de gaz naturel. Le traitement biologique 35 peut être effectué en cultures fixées ou en cultures mixtes ou en cultures libres. Une étape d'élimination de matières en suspension et des hydrocarbures résiduels peut être prévue entre le strippage et le traitement biologique. Cette élimination de matières en suspension peut être réalisée par flottation, notamment dans un flottateur à air. Avantageusement, les boues du traitement biologique sont recyclées à l'entrée de l'étape d'élimination de matières en suspension prévue entre le strippage et le traitement biologique. Les boues de l'étape d'élimination de matières en suspension peuvent être soumises à une déshydratation et le liquide produit est recyclé à l'entrée de l'étape d'élimination de matières en suspension, tandis que les boues de déshydratation sont évacuées au rejet. De préférence, le rapport massique du gaz de strippage à l'eau traitée est inférieur à 3%, de préférence inférieur à 2%. L'invention concerne également une installation de traitement d'eaux résiduaires contenant des hydrocarbures, en particulier des hydrocarbures du groupe de composés appelé BTEX, pour la mise en oeuvre du procédé défini précédemment, ces eaux résiduaires provenant notamment d'une production ou d'un conditionnement de gaz naturel, cette installation étant caractérisée en ce qu'elle comporte un strippeur à gaz combustible, en particulier gaz naturel, dans lequel les eaux résiduaires sont soumises à un strippage, de sorte que la pollution d'hydrocarbures non seulement est retirée de l'eau par transfert dans le gaz, mais aussi est éliminée lors de la combustion ultérieure du gaz. Avantageusement, l'installation comporte un traitement biologique en aval du strippeur pour un traitement biologique de l'eau sortant du strippeur. Dans l'installation, le gaz qui a été utilisé pour le stripping de l'eau peut être recomprimé et renvoyé dans le circuit de distribution en vue de valoriser le pouvoir calorifique des BTEX extraits de l'eau. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'un exemple de réalisation décrit avec référence au dessin annexé, mais qui n'est nullement limitatif. Sur ce dessin : La figure unique est un schéma d'une installation mettant en oeuvre le procédé de l'invention. En se reportant à la figure du dessin on peut voir, schématiquement représentée, une installation de traitement d'eau résiduaire polluée arrivant par une conduite 1 en provenance d'une production de gaz naturel. Cette eau, qui peut être présente dans du gaz extrait par forage souterrain ou sous-marin, est appelée « eau produite » pour simplifier la terminologie. L'eau peut également provenir d'un conditionnement de gaz 2 97933 8 4 naturel, notamment lors de sa compression ou de son stockage. Cette eau est chargée en hydrocarbures polluants, en particulier en hydrocarbures du groupe de composés appelé BTEX contenant des composés aromatiques : benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes (ortho, méta et para). Ces composés sont 5 souvent présents en concentration importante, inacceptable pour un rejet direct à l'environnement. A titre d'exemple non limitatif, pour un rejet d'eau en mer, l'eau ne doit pas contenir plus de 8 ppm (8 parties par million) de benzène. Or, l'eau résiduaire admise par la conduite 1 peut contenir jusqu'à 660 ppm de benzène 10 et jusqu'à 900 ppm de BTEX (Benzène 660 ppm ; BTEX 900 ppm), cet exemple n'étant pas limitatif. Le débit d'eau à traiter peut être de l'ordre de 30 m3/h. Une première étape facultative du traitement est assurée par un séparateur gravitaire 2 d'hydrocarbures insolubles. Le séparateur peut être du 15 type API (American Petroleum Institute), ou CPI (séparateur à plaques ondulées) ou PPI (séparateur à plaques parallèles). L'eau qui sort du séparateur 2 par une conduite 3 présente sensiblement la même teneur en polluants BTEX qu'à l'entrée. Selon l'invention, l'eau à traiter est ensuite introduite dans un 20 strippeur 4A pour y subir un traitement de strippage 4 par un gaz combustible, en particulier du gaz naturel, introduit par une conduite 5. Le « strippage », ou désorption, consiste à extraire les gaz dissous dans l'eau pour les faire passer en phase gazeuse. Les gaz extraits de la phase liquide sont entraînés par un fort contre-courant de gaz combustible. Le strippeur est l'appareil qui permet de 25 réaliser cette opération. Le strippeur 4A est du type colonne à plateau ou à garnissage (anneau Pall ou similaire). Le choix du type de colonne est basé sur la teneur en polluants de l'eau brute : par exemple, la présence d'une quantité importante de matières en suspension favorise le choix d'une colonne à plateau. 30 Le gaz combustible est introduit sous pression en partie basse du strippeur 4A par une conduite 5 et est réparti sur toute la section transversale pour provoquer un bullage dans l'eau à traiter qui remplit le strippeur 4A. Les bulles de gaz en montant dans l'eau se chargent en composés BTEX et autres polluants de l'eau. Le gaz contaminé par les composés BTEX, 35 transférés à partir de l'eau traitée, sort du strippeur 4A par une conduite 6. La pression du gaz injecté par la conduite 5 peut être de l'ordre de 5 à 6 bars, notamment 5,5 bars. Le gaz contaminé sortant par la conduite 6 se trouve à une pression relative réduite, notamment inférieure à 0.5 bar, de l'ordre de 0.4 bar. D'une manière surprenante, un strippage efficace est obtenu avec du gaz naturel « sale », c'est-à-dire chargé en composés aromatiques, et qui présente une teneur en BTEX comprise entre 1000 ppm et 15 000 ppm . Bien entendu, le gaz combustible injecté par la conduite 5 peut être du gaz naturel « propre », c'est-à-dire un gaz dont la teneur en BTEX est inférieure à 1000 ppm. Avantageusement, le gaz naturel de strippage est celui de la production ou du conditionnement de gaz naturel dont proviennent les eaux résiduaires à traiter. Le rapport massique du gaz de strippage à l'eau à traiter est généralement inférieur à 3%, de préférence inférieur à 2%. Ainsi, pour traiter un débit d'eau de 28m3/h, le débit massique de gaz peut être de 350kg/h, soit environ 1.25%. Le gaz contaminé sortant par la conduite 6 peut présenter une teneur massique en BTEX supérieure à 60 000 ppm (soixante mille ppm). Le gaz contaminé peut être dirigé par une conduite 7 commandée par une vanne vers un recyclage, après compression, dans l'installation de production de gaz, ou par une conduite 8, également commandée par une 2 0 vanne, vers une torchère. Ainsi, selon l'invention, le strippage de l'eau polluée, dans le strippeur 4, par du gaz combustible permet non seulement de dépolluer l'eau notamment de ses composés BTEX, mais aussi d'éliminer ces composés BTEX lors de la combustion ultérieure du gaz soit dans une torchère, soit lors de 2 5 l'utilisation du gaz. L'eau qui sort du strippeur 4 dans une conduite 9 présente une teneur en BTEX inférieure ou égale à 30 ppm, de préférence inférieure ou égale à 20 ppm tandis que sa teneur en benzène est inférieure ou égale à 15 ppm, de préférence inférieure ou égale à 12 ppm, lorsque le gaz utilisé est sale. Avec un 30 gaz propre, l'eau qui sort du strippeur 4 présente une teneur en BTEX inférieure à 1Oppm. Dans les premiers étages du traitement, l'eau est maintenue à l'abri de l'air pour éviter que les BTEX ne s'échappent dans l'atmosphère extérieure. L'eau sortant par la conduite 9 est avantageusement soumise à une 35 étape supplémentaire 10 de traitement visant à réduire encore les matières en suspension et/ou les hydrocarbures résiduels. Cette étape supplémentaire 10 peut être du type : - décantation, 2 9 7933 8 6 - flottation, - filtration, - nouveau strippage, en particulier à l'azote. Avantageusement, l'étape 10 est réalisée dans un flottateur à air 10A. 5 Cette étape supplémentaire 10 est facultative et dépend de la qualité de l'eau en sortie du strippeur 4, de la qualité du gaz injecté par la conduite 5 et des normes de rejet acceptables dans l'environnement. L'eau sortant de l'étape supplémentaire 10 est dirigée par une conduite 11 vers une étape 12 d'élimination par un traitement biologique, dans 10 un filtre biologique 12A, des composés organiques solubles restant dans l'eau. Le traitement biologique de l'étape 12 peut être constitué par : - un procédé à cultures fixées : typiquement un filtre biologique 12A, en particulier du genre BIOFOR®, à savoir un réacteur biologique à cultures fixées sur un matériau monocouche fixe et immergé, à base d'argile expansée, 15 - ou un procédé à cultures mixtes (libres et fixées), typiquement un réacteur biologique à cultures libres en mélange avec des cultures fixées sur des supports plastiques flottants ; - ou un procédé à cultures libres : boues activées ou réacteur biologique à membranes. Avantageusement, les boues issues du traitement biologique de l'étape 12 sont dirigées par une conduite 13 à l'entrée de l'étape 10 pour être recyclées. Les boues issues de l'étape 10 peuvent être dirigées par une conduite 14 jusqu'à une centrifugeuse 15A pour y subir un traitement de centrifugation 15 qui donne un centrat liquide recyclé par une conduite 16 à l'entrée de l'étape 10. Le sédiment ou culot issu de la centrifugation est évacué au rejet par une conduite 17. Les recyclages assurés par les conduites 13 et 16, en combinaison avec la centrifugeuse 15A, permettent de n'avoir qu'une seule sortie de rejet au niveau de la conduite 17, ce qui simplifie sensiblement l'installation. L'eau traitée sort de l'étape de traitement biologique 12 par une conduite 18 et peut être rejetée au milieu naturel. La structure précise de la ligne de traitement est fonction de la qualité de l'eau brute à traiter introduite par la conduite 1 et des normes s'appliquant à la qualité d'eau à rejeter. La présence d'un séparateur 2 d'hydrocarbures insolubles est déterminée selon la quantité des huiles et graisses présentes dans l'eau à traiter. La présence de l'étape de séparation 10 pour l'élimination de matériau en suspension dépend du type de traitement biologique sélectionné pour l'étape 12 et de la qualité de l'eau brute. Un traitement biologique par cultures libres, prévu à l'étape 12, pourra accepter une charge plus importante en matières en suspension que des traitements par cultures fixes. Le choix du traitement biologique, lors de l'étape 12, est généralement effectué selon la pollution soluble restant dans l'eau en aval du strippeur 4A. On notera que cette pollution soluble est faible dans le cas de l'utilisation du MEG (traitement au Mono Ethylène Glycol), ou bien est forte dans le cas de l'utilisation du méthanol, dans le procédé de production ou de conditionnement du gaz naturel. Le strippage des BTEX de l'eau produite par un flux de gaz combustible, en particulier de gaz naturel, est essentiel selon l'invention, et est avantageusement combiné avec les autres étapes de traitement, en particulier un traitement biologique lors de l'étape 12 pour les eaux destinées au rejet au milieu naturel. EXEMPLE Un exemple d'installation mettant en oeuvre le procédé de l'invention est proposé pour un terminal de production de gaz naturel. L'eau à traiter provient de la production et du conditionnement du gaz. La qualité de l'eau à traiter est de l'ordre de : - 100 mg/L de matières en suspension, - 900 mg/L de BTEX solubles (dans les eaux produites), - 600 mg/L d'hydrocarbures insolubles (BTEX inclus provenant des eaux produites). L'objectif est d'obtenir une qualité d'eau traitée (pour un rejet à la mer) de : - BTEX total D'une manière générale, l'invention concerne le cas où les eaux à traiter sont destinées au rejet au milieu naturel, mais reste applicable aux cas où la réutilisation de l'eau traitée par le procédé de l'invention est envisagée.