Brevet FR3042491A1 — publié le 20170421

DESCRIPTION Actuellement, il est recensé près de 1380 millions de km3 d'eau sur terre et seulement 10 pays se partagent 60% des réserves alors que la quantité minimale d'eau potable nécessaire par homme et par année est de 1000m3. Près de 2,5 milliards de personnes pourraient souffrir du manque d'eau en 2050 d'où la nécessité et le besoin d'apporter une solution permettant de répondre aux besoins croissants en eau de la population. On trouve actuellement des installations d'osmose inverse et de distillation qui permettent de filtrer l'eau de mer afin de produire de l'eau douce (eau potable), de l'eau déminéralisée, de l'eau de process, de l'eau d'irrigation et ce, pour accroître la disponibilité en eau en toutes saisons. Ces installations présentant des inconvénients importants tels que des coûts énergétiques élevés et des répercussions négatives sur l'environnement (bouleversement de l'écosystème par rejets de sel en mer). La présente invention (plan technique [1] joint en annexe à cette description) consiste en la présentation d'une nouvelle installation combinant et optimisant les meilleures techniques de traitement de l'eau de mer et des boues de stations d'épuration (osmose inverse, distillation eau de mer et biogaz) afin d'apporter une solution globale pour lutter contre l'épuisement des ressources et pour répondre aux besoins de la population en eau et en énergie et qui soit en faveur du développement durable. La description de la présente invention soulève et fait face à deux problématiques environnementales majeures et actuelles (pénurie d'eau mondiale proche, nécessité d'élimination des déchets domestiques de manière propre et naturelle). La présente invention décrit le système 3 branches comme étant la combinaison de trois technologies connues dont il a été choisi d'optimiser certains points techniques avant de les combiner afin d'obtenir une station globale propre pouvant, s'autoalimentée en électricité, fournir de l'électricité, du chauffage, de l'eau d'irrigation, de l'eau déminéralisée, de l'eau douce sans rejets de sels et permettant l'élimination des boues de stations d'épuration. Cette nouvelle installation présente donc des perspectives encourageantes en faveur du développement durable et permet de répondre aux besoins de la population située en zones ou non isolées. 2 3 0 4 2 4 9 1 Il est nécesaire et d'apporter une nouvelle solution d'installation industrielle soucieuse des besoins de la population mais également du respect de l'environnement. Pourquoi dessaler l'eau de mer? 5 -1380 millions de km3 d'eau sur terre répartie de la manière suivante : eau de mer: 97,2%, glace : 2,15%, eau douce : 0,07% -10 pays se partagent 60% des réserves -1000m3: quantité MINIMALE d'eau potable nécessaire par homme et par année 10 -2,5 milliards de personnes pourraient souffrir du manque d'eau en 2050 Caractéristiques de l'eau de mer et de l'eau potable Valeurs moyennes de salinité: 15 L'eau de mer: Océan Atlantique : 35 g/L ; Mer Méditerranée : 38 g/L ; Mer Rouge : 40 g/L et plus ; Golfe Persique : 50 g/L ; -÷ La salinité moyenne des eaux des mers et océans est de 35 g/L ; pH moyen: [7,5-8,4] ; 20 .L'eau potable: Cl- HOCI + H+ + qui consiste en l'élimination des bactéries, micro-organismes, virus. 4 3042491 La filtration à l'aide de sable permet par la suite d'éliminer les particules en suspension et les procédés de traitement anticalcaire permettent d'éliminer aussi bien, Calcium, Magnésium, Barium ou Strontium. 5 Le dessalement de l'eau de mer par osmose inverse est l'un des procédés le plus récents. Il consiste à faire passer l'eau sous pression à travers une membrane qui laisse passer l'eau mais qui retient les sels et les impuretés. L'osmose est un principe naturel. Si deux solutions aqueuses ayant une concentration saline différente, sont séparées par une membrane, l'eau passe spontanément de la solution la moins 10 concentrée en sel à la plus concentrée. L'osmose inverse est basée sur le principe opposé. Elle consiste à appliquer à cette eau salée une pression importante (pression supérieure à la pression osmotique) pour la faire passer à travers une membrane (consommation énergétique élevée). Au terme de l'opération, seules les molécules 15 d'eau traversent la membrane, fournissant ainsi de l'eau douce. La filtration s'effectue grâce à l'application d'une pression externe sur la solution brute ou saline, de telle sorte que l'eau diffuse à travers la membrane semi-perméable vers le côté perméat. Les pressions d'exploitation optimales dépendent de la qualité de l'eau brute et du type de membrane. 20 Lorsqu'il s'agit de phase d'adoucissement d'eau, il est nécessaire d'appliquer une pression allant de 8 à 15 bars. Le traitement d'eaux saumâtres requiert quant-à lui que l'on applique une pression allant de 15 à 25 bars. Le dessalement d'eau de mer nécessite l'application d'une pression allant de 40 à 80 bars. Les facteurs qui différencient les différents types de membrane sont : 25 - leur taille de 2,5 à 8 pouces - leur débit de perrhéat (taille des pores) - leur pression maximale autorisée: de 60 à 100 bars environ - leur rejet de sel (supérieur a 99%) L'eau de mer profonde est plus intéressante pour l'osmose inverse car moins salée et présente moins d'impuretés (évite un vieillissement prématuré de la membrane). 5 3042491 Les' membranes peuvent être constituées d'acétate de cellulose, de polyamide ou encore de GE PCTE (Polycarbonate) permettant de filtrer des particules de dimensions précises (intervalle de taille : [0.01 - 0.1 micron]). Les membranes d'osmose inverse peuvent se présenter sous forme de module simple ou multiple. 5 Le taux de conversion se calcul suivant la formule suivante : Taux de conversion = débit d'eau produite / débit d'eau brute d'alimentation ^ Applications des membranes : 10 * L'extrusion de la plupart des liposomes (pour des tailles de 0.03 - 0.4pm) * Amiante * Retrait des matières colloïdales de l'eau * Retrait des mycoplasmes * Filtration de virus 15 Les principaux coûts d'une installation d'osmose inverse reposent principalement sur le coût énergétique (alimentation électrique importante) mais aussi sur le coût lié à la consommation des produits chimiques utilisés pour les opérations de traitement de l'eau de mer. 20 Il est donc impératif d'utiliser des turbines à récupération d'énergie afin de diminuer le besoin de la station en électricité. Ces turbines sont certes coûteuses mais compte-tenu du besoin en énergie de la station, leur prix sera rapidement amorti. Une solution existe en faveur de la récupération d'énergie, il s'agit de faire appel à des pompes haute pression qui peuvent être de deux types : 25 * Pompe à piston ou piston plongeur capable de traiter une quantité inférieure à 5 m3/h * Pompe centrifuge ou turbines de récupération d'énergie pouvant traiter une quantité supérieure à 5 m3/h et permettant de récupérer jusqu'à 40% d'énergie électrique. ^ Post-traitement 3C On fait appel pour cela au charbon actif végétal en granulé solution économique et fiable dans le but de procéder à: . Elimination du goût et de l'odeur du chlore . Rétention des pesticides, herbicides et métaux lourds 6 3042491 ^ Résultat après post-traitement de l'eau par osmose inverse : Obtention d'une eau peu minéralisée a quelques effets nocifs: - Un fort potentiel de corrosion - Une insuffisance diététique 5 Comparaisons entre une installation de distillation d'eau de mer et une installation d'osmose inverse : Description de la distillation par dépression : 10 - énergie thermique: Environ 5-6kWh/m3 - performances et coûts indépendants de la salinité - prétraitements simples (dégrillage et chloration) - très faible salinité de l'eau produite 5-30mg/I pour eaux de procédés 15 Description de l'osmose inverse: - faible consommation en énergie électrique: 3 à 4 kWh/m3 - coût investissement inférieur de 20% par rapport à une distillerie d'eau de mer - consommation en fonction de la salinité - prétraitements 20 - salinité de 300 à 500mg/I pour eaux domestiques Différentes qualités d'eau peuvent être obtenues à partir d'une unité de dessalement: -Eau potable: Diverses sources naturelles telles que les eaux souterraines, eaux de 25 surface (lac, rivière, etc), ou eau de mer sont à l'origine de l'eau potable. -Eau d'irriqation: L'Espagne, l'Italie, la France, la Grèce et le Portugal possèdent 85% de tout le secteur irrigué de l'Union Européenne. 30 -Eau de process: eau d'alimentation de chaudière, eau de refroidissement. -Eau déminéralisée ou ultra pure :Utilisée principalement dans les domaines du semiconducteur et dans les industries pharmaceutiques. 7 3042491 Les avantages et inconvénients des techniques de dessalement de l'eau de mer: Coût énergétique encore élevé i=> Répercussions négatives sur l'écosystème Impact sonore : les usines de traitement par osmose inverse gèrent de très gros 5 volumes d'eau et présentent un très grand nombre de pompes encore très bruyantes. => Accroissement des disponibilités en eau. Impact positif indirect sur l'environnement (traitement et élimination des pesticides, herbicides qui ont pu finir dans l'eau de mer) 10 n> Répondre aux besoins de la population ,=> Grande flexibilité f* Ces procédés sont adaptables en toutes saisons pour répondre aux besoins en toutes circonstances. 15 Les installations d'osmose inverse et de distillation de l'eau de mer actuelles sont souvent situées en bord de mer et présentent l'inconvénient de rejeter le sel à la mer et provoque une augmentation de la concentration en sel de l'eau de mer. Ce qui n'est pas sans conséquence sur l'écosystème qui se voit fortement perturbé. Pour pallier à ce problème, il est proposé d'ajouter à l'installation d'osmose 20 inverse et à l'installation de distillation d'eau de mer, un récupérateur de sel permettant de procéder à un traitement en sortie de la saumure concentrée afin de la récupérer, de la traiter et de la revendre en tant que sel comestible. La recherche actuelle s'opère dans plusieurs directions : 25 ^ Prétraitement de l'eau de mer pour limiter le colmatage des membranes à l'aval ^ Réduction des dépenses en énergie pour réduire le coût du dessalement et améliorer le bilan environnemental ^ Récupération de l'énergie: optimisation du procédé 30 Les directions prises sont soucieuses de réduire lês dépenses en énergie pour réduire le coût du dessalement de l'eau de mer et améliorer le bilan environnemental. 8 3042491 Le dessalèment hybride (couplage installation osmose inverse et distillerie) a très peu été exploité compte tenu des investissements nécessaires à la mise en place et des problèmes de rejets de sel en mer. Il est donc impératif de réduire la facture énergétique pour pouvoir y faire appel raisonnablement. 5 La cogénération ou le nucléaire peuvent limiter la consommation de ces techniques, voire l'optimiser et résoudre ainsi les problèmes liés aux fortes consommations d'énergie. Explication du choix de la technologie biogaz servant de 3ème branche dans une 10 nouvelle installation innovante [11: Le traitement anaérobie (sans oxygène) permet de faire fermenter les boues de station d'épuration. On réduit ainsi leur quantité et cela permet de récupérer du méthane utilisable pour le chauffage des habitations. La méthanisation directe des boues de station d'épuration concerne environ 1/3 des boues produites en France, soit 15 l'équivalent de 20 millions d'habitants. L'intérêt d'un traitement anaérobie en montagne est évident. Le traitement anaérobie permet de réduire de 50% la matière sèche tout en créant de l'énergie calorifique ou électrique. Réduire les boues d'épuration est une priorité car les quantités importantes posent des problèmes de réutilisation, notamment en période de forte fréquentation des stations. Le traitement anaérobie a pour but de 20 réduire la quantité des boues produites et de créer des gaz valorisables sous forme d'énergie (dioxyde de carbone et méthane). Les gaz récupérés par ce procédé ne participent pas à l'aggravation de l'effet de serre. Le méthane produit est utilisé pour créer de l'électricité et de la chaleur. Sans méthanisation, ces gaz se seraient dissipés dans l'atmosphère avec un impact direct sur le climat et sans valorisation énergétique. 25 Le procédé est le suivant : la matière contenue dans l'eau subit une digestion par des microorganismes. Ceux-ci libèrent du gaz CO2 (dioxyde de carbone) et du gaz CH4 (méthane) qui est stocké pour être valorisé par exemple sous forme d'énergie calorifique. Le résidu de la digestion est stable, désodorisé, débarrassé en majeure 30 partie des germes pathogènes. La biométhanisation est le procédé biologique qui permet de produire du méthane à partir de déchets organiques. Au cours de sa production, le méthane est la plupart du temps mélangé à du gaz carbonique et d'autres gaz en petites quantités, ce mélange est appelé le biogaz. 9 3 0 4 2 4 9 1 Le méthane produit par la station biogaz est riche en énergie : 35 MJ/m3 (10 kWh/m3). - Le traitement des boues par méthanisation se pratique dans environ 70 stations d'épuration en France, produisant plus de 145 millions de m3 5 de biogaz. Il s'agit d'installations de taille souvent supérieure à 30 000 EH (équivalent habitant) et totalisant 21 millions d'EH. - Le nombre d'installations pratiquant la méthanisation passera à environ 130 d'ici 2020 - La digestion anaérobie conduit à une réduction de l'ordre de 50% de la matière 10 sèche. - La production de méthane est en moyenne de 550 litres par kg de matières volatiles dégradées. - La méthanisation directe des boues de station d'épuration concerne environ 1/3 des boues produites en France, soit l'équivalent de 20 millions d'habitants. 15 - Les productions de biogaz atteignent 15 à 25 m3 pour1000 habitants par jour La présente invention [1] repose sur la présentation d'une nouvelle installation industrielle combinant et optimisant les meilleures techniques de traitement de l'eau de mer et des déchets et ce, afin d'apporter une solution contre les pénuries futures en eau et en énergie. L'idée ici est de faire appel aux trois technologies évoquées 20 précédemment (osmose inverse, distillation et installation biogaz), d'en optimiser certains points contraignants (besoins de traitement des rejets de sel et de limiter la consommation d'énergie des installations de dessalement d'eau de mer) et de les combiner afin de mettre en avant les bénéfices apportés par leur association. En effet, l'installation globale pallie aux inconvénients connus de chaque technologie en y 25 apportant des solutions concrètes. Pour se faire, on procède à la combinaison suivant [1] entre une installation d'osmose inverse, une distillerie et une station biogaz qui serviront non seulement à traiter l'eau de mer mais également à traiter les rejets de sels, à réduire les déchets domestiques, à produire de l'électricité et de la chaleur qui serviront à l'alimentation de 30 la population via les réseaux de distribution (solution pour les zones isolées et les pays pauvres en eau douce). 10 3042491 Les' pompes centrifuges placées sur l'installation d'osmose inverse serviront à la récupération d'énergie électrique et le principe de cogénération issu du biogaz sera exploité afin d'assurer d'une part, le complément électrique nécessaire au fonctionnement de la station d'osmose inverse et d'autre part, à alimenter en énergie 5 thermique la distillerie. En effet, la station biogaz est capable de fournir suffisamment d'énergie pour alimenter en énergie la distillerie et l'installation d'osmose inverse qui permettent de produire de l'eau douce, de l'eau de process, de l'eau d'irrigation et de l'eau déminéralisée. Les rejets de sels produits en sortie des installations d'osmose inverse et de distillerie d'eau de mer, ne seront en aucun cas rejetés aux abords de l'usine mais seront récupérés, traités et revendus en tant que sel comestible afin d'éviter une perturbation de l'écosystème. Les installations d'osmose inverse et de distillation présenteront des procédés et méthodes de traitement des rejets de sel similaires. 15 Pour limiter l'impact sonore lié à l'utilisation de pompes bruyantes, il est possible de conditionner ces pompes dans des boîtes ou de les placer sur des tapis, en matériaux isolants acoustique, thermique et électrique afin de limiter l'impact sonore produit par ces dernières. 20 Parmi les apports bénéfiques due à l'utilisation d'une station Biogaz: fz> Réduction du taux de matières résiduelles (élimination naturel des boues de stations d'épurations) ; i=> Gain énergétique (production d'énergie électrique et de chaleur) ; 25 i=> Installation en faveur du développement durable ; Parmi les avantages du système 3 branches (nouvelle installation industrielle): Auto-alimentation électrique de la station globale grâce aux systèmes de récupération d'énergie utilisés et à l'énergie importante apportée par le biogaz 30 servant à alimenter les installations de dessalement de l'eau de mer et d'osmos inverse ; i=> Production à la fois d'eau potable, d'eau déminéralisée, d'eau d'irrigation, d'eau de process, d'électricité et de chaleur ; Récupération de sel comestible par traitement des rejets de sel ; 11 3042491 Impact sonore limité et mieux contrôlé ; => Techniques couvrant une large gamme de salinité ; E> Perspectives encourageantes en faveur du développement durable ; Espoir pour les « pauvres en eau » et solution pour les zones isolées par 5 accroissement des ressources en et par élimination des déchets ; i=> Nécessité de prise de conscience : possibilité de combinaison de technologies optimisées pour anticiper de futurs besoins vitaux en réponse à l'épuisement des ressources en eau et en énergie ; .> Investissement en faveur de la production d'énergie écologique et d'eau à 10 destination de la population dont les ressources sont en danger ; L'installation formée de 3 branches (Osmose inverse + Distillation + Biogaz) est représentée par un plan technique [1]. Les différentes étapes de chaque procédé (prétraitement, traitement et post-traitement) ainsi que les liaisons nécessaires à la 15 bonne réalisation de cette installation y sont décrites. Certains inconvénients de chacune de ces installations disparaissent grâce à leur association et à l'optimisation de certaines parties des installations. Cette installation unique en son genre permet d'apporter une solution visant à lutter contre l'épuisement mondiale des ressources en eau et en énergie tout en favorisant l'élimination écologique des déchets et ce tout en 20 respectant l'environnement. 12 REVENDICATIONS1) Dispositif suivant [1], permettant d'accroître les ressources en eau et en énergie pour pallier aux pénuries futures et caractérisé en ce qu'il comporte à la fois trois technologies connues (osmose inverse /distillation eau de mer/biogaz) qui sont optimisées par certains points (récupérations des rejets de sel, réduction de la facture énergétique des installations de dessalement, réduction de l'impact sonore) et qui grâce à leur association vise à produire une nouvelle installation industrielle propre, autoalimentée en électricité et permettant de, produire de l'eau, alimenter en chauffage et électricité la population, le tout en favorisant l'élimination propre des déchets produits et d'éviter les rejets de sel en mer aux abords des usines de traitement d'eau de mer lors des opérations de dessalement de l'eau de mer. 2) Dispositif suivant revendication 1 et [1], représenté par le plan technique joint, 15 indiquant les liaisons nécessaires à la bonne réalisation de la nouvelle installation industrielle et qui reprend les différentes étapes de chaque procédé (étapes de prétraitement, traitement et post-traitement) ainsi que les points optimisés par technologie (turbines de récupérations d'énergie, charbon actif, traitement UV, récupérateurs de sels) et le processus d'élimination des déchets domestiques (matières 20 sèches : boues de stations d'épuration). 3) Dispositif suivant revendications précédentes et description, devant permettre de conditionner ces pompes dans des boîtes ou de les placer sur des tapis, en matériaux isolants vibratoire, acoustique, thermique et électrique afin de limiter l'impact sonore 25 produit par ces dernières. 4) Dispositif suivant revendications précédentes et [1], pouvant répondre aux besoins de la population et apportant une solution pour les zones isolées et les pays présentant peu de ressources en eau. 30 5) Dispositif suivant revendications précédentes et [1], s'adressant à tous les grands donneurs d'ordres intervenants dans la mise en place d'installations de traitement des eaux et spécialistes, de la chimie des eaux, du traitement des eaux et présents sur les marchés des installations écologiques en faveur du développement durable.