# Etat de l'art des traitements d'effluents pour l'élimination des sels et leur valorisation

Association Record, C. Peyrelasse

► To cite this version:

Association Record, C. Peyrelasse. Etat de l'art des traitements d'effluents pour l'élimination des sels et leur valorisation. n°16-0248/1A, RECORD. 2018, pp.186. hal-05072141

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Submitted on 26 May 2025

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# Traitements d'effluents pour l'élimination des sels et leur valorisation

## Etat de l'art

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# ETAT DE L'ART DES TRAITEMENTS D'EFFLUENTS POUR L'ELIMINATION DES SELS ET LEUR VALORISATION

## RAPPORT FINAL

### mai 2018

C. PEYRELASSE, L. DUMERGUES, M. BEHAEGEL - APESA
Créée en 1989 à l'initiative du Ministère en charge de l'Environnement, l'association RECORD – REseau COopératif de Recherche sur les Déchets et l'Environnement – est le fruit d'une triple coopération entre industriels, pouvoirs publics et chercheurs. L'objectif principal de RECORD est le financement et la réalisation d'études et de recherches dans le domaine des déchets et des pollutions industrielles.

Les membres de ce réseau (groupes industriels et organismes publics) définissent collégialement des programmes d'études et de recherche adaptés à leurs besoins. Ces programmes sont ensuite confiés à des laboratoires publics ou privés.

### Avertissement :

Les rapports ont été établis au vu des données scientifiques et techniques et d'un cadre réglementaire et normatif en vigueur à la date de l'édition des documents.

Ces documents comprennent des propositions ou des recommandations qui n'engagent que leurs auteurs. Sauf mention contraire, ils n'ont pas vocation à représenter l'avis des membres de RECORD.

* ✓ Pour toute reprise d'informations contenues dans ce document, l'utilisateur aura l'obligation de citer le rapport sous la référence :

**RECORD**, Etat de l'art des traitements d'effluents pour l'élimination des sels et leur valorisation, 2018, 186 p, n°16-0248/1A

* ✓ Ces travaux ont reçu le soutien de l'ADEME (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie)

www.ademe.fr

© RECORD, 2018

### Comité de suivi de l'étude :

Gérard ANTONINI – RECORD, Matthieu CAO-THANH – TOTAL-RETIA, Bénédicte COUFFIGNAL – RECORD, Sylvain DURECU – SECHE ENVIRONNEMENT, Sébastien LOGETTE – SOLVAY, Agnès PILAS-BEGUE – SOLVAY
## RESUME

Les effluents salins sont générés par les activités industrielles à l'exemple de la chimie mais aussi par les filières de traitement de l'eau. Le traitement de ces effluents peut être complexe en fonction de leur salinité et de la présence ou non d'autres polluants (métaux, matière organique...). La mise en place de procédés coûteux peut alors être nécessaire (évaporation, filtration membranaire ou traitement physico-chimique). Un certain nombre de technologies sont connues et utilisées depuis de nombreuses années pour traiter ces effluents, certaines sont encore en développement. Les filières de traitement permettent la réutilisation de l'eau voire un rejet zéro liquide sur site. Des retours d'expérience montrent que des sels valorisables peuvent dans certains cas être générés. La présence d'impuretés dans ces sels, leurs coûts de traitement et de transport ainsi que la concurrence des sels naturels sont les principaux freins à leur valorisation.

Ce rapport fait l'état de l'art des différents procédés existants et émergents pour le traitement des effluents salins. Un comparatif de ces procédés est réalisé sur le plan technico-économique et environnemental. Cet état de l'art est accompagné de retours d'expérience permettant d'illustrer la mise en œuvre de filières de traitement des sels dans divers secteurs industriels (chimique, agroalimentaire, textiles, etc). Les voies de valorisation des sels sont également développées.

## MOTS CLES

Effluents salins, Procédés, Concentration, Sels, Valorisation, Rejet Zéro Liquide, Analyse de Cycle de Vie, Physico-chimique, Membranes, Thermique.

---

## SUMMARY

Saline effluent is produced by industrial activity such as the chemical industry, but also by water treatment plants. The treatment of effluent can be complex depending on the salinity of the water and whether (or not) other pollutants are present (metals, organic matter, etc). The implementation of expensive processes might be necessary (evaporation, membrane filtration, physico-chemical treatment). A certain number of these have been used for a long time and others are new technologies. The processes allow the reuse of water and even a zero liquid discharge on site. Some of them produce salts which are potentially reusable in different industrial sectors. The presence of organic matter or other pollutants (eg. heavy metals) is the main difficulty for the reuse of these salts.

This report is a state of the art of different existing and emerging processes for the treatment of saline effluent. They are also compared on the technical, economic and environmental point of view. Salt reuse possibilities are also developed. Case studies are presented to illustrate the treatment processes in different industries (food, chemistry, textile, etc).

## KEY WORDS

Saline effluents, Processes, Concentration, Salts, Valorizable, Zero Liquid Discharge, Life Cycle Assessment, Physico-chemical, Membranes, Thermal.
# SOMMAIRE

<table><tr><td>LISTE DES TABLEAUX</td><td>6</td></tr><tr><td>LISTE DES FIGURES</td><td>7</td></tr><tr><td>LISTE DES PHOTOS</td><td>9</td></tr><tr><td>ACRONYMES</td><td>10</td></tr><tr><td>1. CONTEXTE ET OBJECTIFS</td><td>13</td></tr><tr><td>2. PROBLEMATIQUE DES EFFLUENTS SALINS</td><td>14</td></tr><tr><td>2.1. DEFINITION DES EFFLUENTS SALINS</td><td>14</td></tr><tr><td>2.2. GISEMENT DES EFFLUENTS SALINS EN FRANCE ET EN EUROPE</td><td>14</td></tr><tr><td>2.3. LES DIFFERENTES ACTIVITES PRODUCTRICES D'EFFLUENTS SALINS</td><td>16</td></tr><tr><td>2.3.1. Les consommations de sels (NaCl) en France [4]</td><td>16</td></tr><tr><td>2.3.2. Les rejets d'effluents salins</td><td>17</td></tr><tr><td>3. PROCEDES DE TRAITEMENT ADAPTES AUX EFFLUENTS SALINS</td><td>22</td></tr><tr><td>3.1. TRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES</td><td>24</td></tr><tr><td>3.1.1. Précipitation physico-chimique</td><td>24</td></tr><tr><td>3.1.2. Résines échangeuses d'ions</td><td>29</td></tr><tr><td>3.1.3. Extraction liquide-liquide : Adionics [35] [36]</td><td>32</td></tr><tr><td>3.2. PROCEDES MEMBRANAIRES</td><td>34</td></tr><tr><td>3.2.1. Nanofiltration</td><td>35</td></tr><tr><td>3.2.2. Osmose Inverse et procédés d'osmose avancée</td><td>36</td></tr><tr><td>3.2.3. Electrodialyse et Electrodialyse inverse</td><td>47</td></tr><tr><td>3.2.4. Electrodialyse par Métathèse</td><td>49</td></tr><tr><td>3.2.5. Osmose Directe</td><td>52</td></tr><tr><td>3.2.6. Distillation membranaire</td><td>56</td></tr><tr><td>3.3. PROCEDES THERMIQUES</td><td>59</td></tr><tr><td>3.3.1. Evaporation naturelle accélérée</td><td>59</td></tr><tr><td>3.3.2. Humidification-déshumidification</td><td>62</td></tr><tr><td>3.3.3. Evapoconcentration (CMV, TC, PAC, multiples effets)</td><td>65</td></tr><tr><td>3.3.4. Cristallisation</td><td>81</td></tr><tr><td>3.3.5. Dyvar</td><td>84</td></tr><tr><td>3.3.6. Congélation</td><td>86</td></tr><tr><td>3.3.7. Précipitation en conditions supercritiques [153] [154]</td><td>88</td></tr><tr><td>3.4. AUTRES</td><td>91</td></tr><tr><td>3.4.1. Désulfatation biologique [155]</td><td>91</td></tr><tr><td>3.4.2. Déionisation capacitive</td><td>95</td></tr><tr><td>4. COMPARAISON TECHNICO-ECONOMIQUE ET ENVIRONNEMENTALE DES PROCEDES DE TRAITEMENT</td><td>98</td></tr><tr><td>4.1. COMPARAISON TECHNICO-ECONOMIQUE DES PROCEDES DE TRAITEMENT</td><td>98</td></tr><tr><td>4.2. BILAN ENVIRONNEMENTAL DE FILIERES GENERIQUES DE TRAITEMENT</td><td>108</td></tr><tr><td>4.2.1. Analyse de Cycle de Vie</td><td>109</td></tr><tr><td>4.2.2. Conclusion</td><td>127</td></tr><tr><td>5. VALORISATION DES SELS</td><td>128</td></tr><tr><td>5.1. PROCEDES DE SEPARATION ET PURIFICATION DES SELS</td><td>128</td></tr><tr><td>5.1.1. RESOLEST [184] [185] [186]</td><td>128</td></tr><tr><td>5.1.2. Procédé Solvay</td><td>130</td></tr><tr><td>5.1.3. Purification du gypse par précipitation des hydroxydes [192]</td><td>131</td></tr><tr><td>5.1.4. Cendres volantes [193]</td><td>132</td></tr><tr><td>5.1.5. SAUMURE+® [195]</td><td>133</td></tr><tr><td>5.1.6. SAL-PROC™</td><td>134</td></tr><tr><td>5.2. VOIES DE VALORISATION DES SELS</td><td>135</td></tr><tr><td>5.2.1. Fondant routier</td><td>135</td></tr></table>
<table>
  <tbody>
    <tr>
      <td>5.2.2.</td>
      <td>Industrie chimique (NaCl, Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>, Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>)</td>
      <td>136</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>5.2.3.</td>
      <td>Matériaux de construction (gypse et CaCO<sub>3</sub>)</td>
      <td>136</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>5.2.4.</td>
      <td>Production de verre (Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> et Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>)</td>
      <td>140</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>5.2.5.</td>
      <td>Papeterie (CaCO<sub>3</sub> et Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>)</td>
      <td>140</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>5.2.6.</td>
      <td>Agriculture (gypse, struvite, CaCO<sub>3</sub>)</td>
      <td>140</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>5.2.7.</td>
      <td>Synthèse</td>
      <td>144</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>5.3.</td>
      <td>STOCKAGE DES SELS NON VALORISABLES</td>
      <td>146</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>5.3.1.</td>
      <td>Comblement des mines de sel</td>
      <td>146</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>5.3.2.</td>
      <td>Installation de stockage de déchets dangereux (ISDD)</td>
      <td>147</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>6.</td>
      <td>RETOURS D'EXPERIENCES</td>
      <td>148</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>6.1.</td>
      <td>CENTRALE THERMIQUE A CHARBON DE CHANGXING [235, 236, 95]</td>
      <td>148</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>6.2.</td>
      <td>USINE DE TEINTURE TEXTILE EN INDE [238]</td>
      <td>151</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>6.3.</td>
      <td>USINE DE TRANSFORMATION DU CHARBON EN PRODUITS CHIMIQUES (CHINE) [239]</td>
      <td>153</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>6.4.</td>
      <td>CONSERVERIE D'OLIVES EN CALIFORNIE [240]</td>
      <td>155</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>6.5.</td>
      <td>INDUSTRIE MINIERE DEBIENSKO EN POLOGNE [241, 242]</td>
      <td>157</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>6.6.</td>
      <td>BILAN SUR LES RETOURS D'EXPERIENCES</td>
      <td>159</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>7.</td>
      <td>POINTS BLOQUANTS ET AXES DE RECHERCHE</td>
      <td>160</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>7.1.</td>
      <td>LES PROCEDES DE TRAITEMENT DES EFFLUENTS SALINS</td>
      <td>160</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>7.2.</td>
      <td>LA VALORISATION DES SELS</td>
      <td>161</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>7.3.</td>
      <td>ACV</td>
      <td>162</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>8.</td>
      <td>CONCLUSION</td>
      <td>164</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>9.</td>
      <td>BIBLIOGRAPHIE</td>
      <td>166</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>10.</td>
      <td>ANNEXES</td>
      <td>174</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>10.1.</td>
      <td>ANNEXE 1 : ECHELLE DES TRL</td>
      <td>174</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>10.2.</td>
      <td>ANNEXE 2 : IMPACT DES EFFLUENTS SALINS SUR L'ENVIRONNEMENT</td>
      <td>175</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>10.2.1.</td>
      <td>Impacts sur le milieu marin [248]</td>
      <td>175</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>10.2.2.</td>
      <td>Impact sur les eaux douces [250]</td>
      <td>175</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>10.3.</td>
      <td>ANNEXE 3: CATEGORIES D'IMPACTS UTILISEES POUR L'ETUDE [180, 251]</td>
      <td>176</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>10.4.</td>
      <td>ANNEXE 4 : ACTEURS DU DOMAINE</td>
      <td>177</td>
    </tr>
  </tbody>
</table>
## Liste des tableaux

<table><tr><td>Tableau 1 : principaux cations et anions représentant la salinité des effluents industriels</td><td>14</td></tr><tr><td>Tableau 2 : Flux de sels émis dans l'eau en 2014 en France (tonnes/an)</td><td>17</td></tr><tr><td>Tableau 3 : Etablissements référencés dans le registre français pour les émissions de sels dans l'eau pour l'année 2014 [3]</td><td>19</td></tr><tr><td>Tableau 4 : Caractéristiques des lixiviats jeunes et vieux [14]</td><td>20</td></tr><tr><td>Tableau 5 : Taux d'abattement et coûts en fonction du type de traitement de désulfatation [26]</td><td>26</td></tr><tr><td>Tableau 6 : Coûts d'investissement des échangeurs d'ions [34]</td><td>32</td></tr><tr><td>Tableau 7 : Taux de rejet des membranes de NF [40]</td><td>35</td></tr><tr><td>Tableau 8 : Coûts d'investissement des membranes de NF et OI [34]</td><td>36</td></tr><tr><td>Tableau 9 : Taux de rejet des membranes d'OI [40]</td><td>37</td></tr><tr><td>Tableau 10 : Performances du système OPUS® de San Ardo [56]</td><td>41</td></tr><tr><td>Tableau 11 : Performances de l'unité de traitement des lixiviats</td><td>43</td></tr><tr><td>Tableau 12 : Performances de traitement des lixiviats de l'installation de stockage de déchets d'El Bordo Poniente [65]</td><td>46</td></tr><tr><td>Tableau 13 : Consommations d'énergie du système VSEP et taux de conversion obtenus [66]</td><td>46</td></tr><tr><td>Tableau 14 : Caractéristiques de l'installation du projet ZELDA [75]</td><td>51</td></tr><tr><td>Tableau 15 : Références en OD de la société Oasys [94]</td><td>54</td></tr><tr><td>Tableau 16 : Références de Memsys dans le monde [103], [104]</td><td>57</td></tr><tr><td>Tableau 17 : Coûts de fonctionnement du procédé Nucléos (28 panneaux HBS08) [110]</td><td>61</td></tr><tr><td>Tableau 18 : Résultats des essais laboratoire de traitement d'effluent de résine epoxy par MHD</td><td>64</td></tr><tr><td>Tableau 19 : Coûts d'investissement et de fonctionnement du procédé MHD appliqué au traitement d'effluent de résine epoxy</td><td>64</td></tr><tr><td>Tableau 20 : Comparatif des évaporateurs à grimpage, flot tombant et circulation forcée [115], [116], [117]</td><td>69</td></tr><tr><td>Tableau 21 : Atouts et limites de l'évapo-concentration avec CMV</td><td>71</td></tr><tr><td>Tableau 22 : Atouts et limites de l'évapo-concentration avec thermo-compresseur adapté de [120], [117], [119]</td><td>72</td></tr><tr><td>Tableau 23 : Atouts et limites de l'évapo-concentration avec PAC adapté de [116] [123] [117]</td><td>74</td></tr><tr><td>Tableau 24 : Atouts et limites de l'évapo-concentration multiples effets adapté de [116] et [117]</td><td>75</td></tr><tr><td>Tableau 25 : Comparaison des coûts de fonctionnement et d'investissement des évaporateurs multiples effets et CMV adapté de [127]</td><td>76</td></tr><tr><td>Tableau 26 : Caractéristiques de l'effluent traité par un évaporateur CMV</td><td>78</td></tr><tr><td>Tableau 27 : Bilan économique de l'unité</td><td>79</td></tr><tr><td>Tableau 28 : Références de Paques pour le procédé SULFATEQ™ [155]</td><td>93</td></tr><tr><td>Tableau 29 : Caractéristiques d'un effluent sulfaté pour évaluation budgétaire</td><td>94</td></tr><tr><td>Tableau 30 : Performances de traitement du procédé CapDI® appliquées au traitement d'eaux usées de l'industrie automobile [166]</td><td>96</td></tr><tr><td>Tableau 31 : Comparaison technico-économique des procédés de traitement des effluents salins</td><td>99</td></tr><tr><td>Tableau 32 : Comparatif économique des procédés intégrés à l'arbre de choix</td><td>107</td></tr><tr><td>Tableau 33 : Principales méthodologies et outils d'évaluation des impacts environnementaux [176]</td><td>108</td></tr><tr><td>Tableau 34 : Catégories d'impacts de la méthode ReCiPe</td><td>110</td></tr><tr><td>Tableau 35 : Scénarii des analyses ACV</td><td>111</td></tr><tr><td>Tableau 36 : Différences d'impacts environnementaux sur les procédés étudiés</td><td>126</td></tr><tr><td>Tableau 37 : Paramètres de contrôle de la saumure avant envoi vers les soudières [188]</td><td>129</td></tr><tr><td>Tableau 38 : Performances de traitement des métaux [192]</td><td>132</td></tr><tr><td>Tableau 39 : Composition des gâteaux de filtration [192]</td><td>132</td></tr><tr><td>Tableau 40 : Présentation des différents types de gypses [15]</td><td>137</td></tr><tr><td>Tableau 41 : Valeurs limites autorisées dans les boues pour les paramètres ETM et CTO selon l'arrêté du 8/01/1998</td><td>141</td></tr><tr><td>Tableau 42 : Caractéristiques chimiques principales de la struvite [224]</td><td>142</td></tr><tr><td>Tableau 43 : Capacité de traitement nominale</td><td>143</td></tr><tr><td>Tableau 44 : Voies de valorisation des sels en fonction du secteur</td><td>144</td></tr><tr><td>Tableau 45 : Déchets refusés en mine de sel [230] [231]</td><td>147</td></tr><tr><td>Tableau 46 : Performances de l'installation de traitement des eaux</td><td>149</td></tr><tr><td>Tableau 47 : Performances de traitement [238]</td><td>152</td></tr><tr><td>Tableau 48 : Coûts opératoires et gains de l'installation (taux de conversion moyen 2014, 1€ = 82Rs) [238]</td><td>152</td></tr><tr><td>Tableau 49 : Caractéristiques des eaux en entrée et en sortie de traitement [239]</td><td>154</td></tr><tr><td>Tableau 50 : Performances de traitement [240]</td><td>155</td></tr><tr><td>Tableau 51 : Sels et flux d'eaux produits [241] [243]</td><td>158</td></tr></table>
## Liste des figures

<table><tr><td>Figure 1 : Répartition des émissions de chlorures dans l'eau par pays référencé dans le registre européen E-PRTR en 2014 [2]</td><td>15</td></tr><tr><td>Figure 2 : Tonnages de sels rejetés dans l'eau en France en 2014 [3]</td><td>15</td></tr><tr><td>Figure 3 : Répartition des émissions de chlorures dans l'eau par bassin hydrographique métropolitain en 2014 [3]</td><td>16</td></tr><tr><td>Figure 4 : Répartition des ventes de sels cristallisés (NaCl) en France par secteurs d'activités (importations comprises) en % des ventes totales de sel cristallisé en France (2009) d'après les producteurs de sel [4]</td><td>17</td></tr><tr><td>Figure 5 : Répartition des émissions dans l'eau de sels (chlorures, sulfates et fluorures) par secteur d'activité en 2014 [3]</td><td>18</td></tr><tr><td>Figure 6 : Filière de désalinisation des effluents salins</td><td>22</td></tr><tr><td>Figure 7 : Schéma de principe du procédé LoSO4™ [24]</td><td>25</td></tr><tr><td>Figure 8 : Performances du procédé Outotec® [25]</td><td>25</td></tr><tr><td>Figure 9 : Coût de traitement (produits chimiques) en fonction de la concentration en SO4 éliminée par le procédé Outotec® (Outotec, 2014)</td><td>26</td></tr><tr><td>Figure 10 : Principe de régénération des résines échangeuses ions à co-courant (a) et contre-courant (b)</td><td>30</td></tr><tr><td>Figure 11 : Situation des techniques de séparation par membranes en fonction de la taille des particules retenues [37]</td><td>34</td></tr><tr><td>Figure 12 : Schéma de principe du fonctionnement du procédé HERO™ [49] adapté de [50]</td><td>39</td></tr><tr><td>Figure 13 : Schéma de principe du procédé OPUS® [53]</td><td>40</td></tr><tr><td>Figure 14 : Principe de fonctionnement du module d'osmose inverse Disc-Tube® de PALL [60]</td><td>42</td></tr><tr><td>Figure 15 : Schéma de principe de l'unité de traitement des eaux de l'installation de stockage des déchets de la société Baudelet [62]</td><td>43</td></tr><tr><td>Figure 16 : Système de création des oscillations (gauche) et module de filtration membranaire complet (droite) [64]</td><td>45</td></tr><tr><td>Figure 17 : Procédé VSEP sur l'installation de stockage d'El Bordo Poniente au Mexique [65]</td><td>45</td></tr><tr><td>Figure 18 : Schéma de principe de l'électrodialyse</td><td>47</td></tr><tr><td>Figure 19 : Principe de fonctionnement de l'électrodialyse par métathèse [71]</td><td>49</td></tr><tr><td>Figure 20 : Diagramme de l'installation du projet ZELDA [75]</td><td>50</td></tr><tr><td>Figure 21 : Schéma de principe de l'OI et de l'OD [82]</td><td>52</td></tr><tr><td>Figure 22 : Comparaison des consommations énergétiques de l'OD et de l'OI [92]</td><td>54</td></tr><tr><td>Figure 23 : Principe de fonctionnement de la distillation membranaire [96]</td><td>56</td></tr><tr><td>Figure 24 : Principe de fonctionnement de l'évaporation par humidification-déhumidification [111]</td><td>63</td></tr><tr><td>Figure 25 : Schéma de principe d'un évaporateur</td><td>66</td></tr><tr><td>Figure 26 : Evaporateur à grimpage (gauche) et thermosiphon (droite) - Doc GEA / Kestner tiré de [113]</td><td>67</td></tr><tr><td>Figure 27 : Evaporateur à flot tombant - Doc GEA / Kestner tiré de [113]</td><td>68</td></tr><tr><td>Figure 28 : Evaporateur à circulation forcée - Doc GEA / Kestner tiré de [113]</td><td>69</td></tr><tr><td>Figure 29 : Schéma de principe d'un évaporateur CMV</td><td>70</td></tr><tr><td>Figure 30 : Schéma de principe d'un évaporateur avec thermo-compression</td><td>71</td></tr><tr><td>Figure 31 : Principe de fonctionnement d'un thermo-compresseur [119]</td><td>72</td></tr><tr><td>Figure 32 : Schéma de principe d'un évaporateur PAC adapté de [123]</td><td>73</td></tr><tr><td>Figure 33 : Schéma de principe d'un évaporateur triple effets adapté de [126]</td><td>74</td></tr><tr><td>Figure 34 : Gamme de travail des technologies d'évaporation adapté de [116]</td><td>75</td></tr><tr><td>Figure 35 : Cristalliseur à circulation forcée avec CMV [133]</td><td>81</td></tr><tr><td>Figure 36 : DyVar Technology (Salttech)</td><td>84</td></tr><tr><td>Figure 37 : module Dyvar [140]</td><td>85</td></tr><tr><td>Figure 38 : Principe de fonctionnement du procédé EFC [146]</td><td>87</td></tr><tr><td>Figure 39 : Principe de fonctionnement du procédé de BGH [149]</td><td>87</td></tr><tr><td>Figure 40 : Schéma de principe du dessalement par eau supercritique [153]</td><td>89</td></tr><tr><td>Figure 41 : Schéma de principe du pilote de dessalement par eau supercritique de l'université de Twente</td><td>89</td></tr><tr><td>Figure 42 : Conversion biologique des sulfates en soufre [155]</td><td>92</td></tr><tr><td>Figure 43 : Schéma de principe du fonctionnement du procédé SULFATEQ™ [161]</td><td>92</td></tr><tr><td>Figure 44 : Schéma de principe de la déionisation capacitive [163]</td><td>95</td></tr><tr><td>Figure 45 : Domaine d'applicabilité des procédés éprouvés pour le traitement des effluents salins en fonction de la salinité de l'effluent à traiter</td><td>105</td></tr></table>
<table><tr><td>Figure 46 : Arbre de choix pour le traitement d'effluents salins</td><td>106</td></tr><tr><td>Figure 47 : Exemple de différences d'impacts liés à la fabrication de sulfate de sodium</td><td>113</td></tr><tr><td>Figure 48 : Procédé de valorisation des résidus d'épuration des fumées [184]</td><td>129</td></tr><tr><td>Figure 49 : Procédé Solvay (en noir) et procédé Decalco (en rouge) [191]</td><td>130</td></tr><tr><td>Figure 50 : Diagramme du procédé [192]</td><td>131</td></tr><tr><td>Figure 51 : Neutralisation de l'acide sulfurique avec des cendres d'incinération [194]</td><td>133</td></tr><tr><td>Figure 52 : Procédé SAUMURE+® [195]</td><td>133</td></tr><tr><td>Figure 53 : Principe du Procédé SAL-PROC™ [69]</td><td>134</td></tr><tr><td>Figure 54 : Schéma du procédé Gyrazur [214]</td><td>139</td></tr><tr><td>Figure 55 : Réaction de précipitation de la struvite</td><td>142</td></tr><tr><td>Figure 56 : Schéma du procédé de Naskeo</td><td>143</td></tr><tr><td>Figure 57 : Schéma de l'installation de traitement des eaux usées de la centrale thermique de Changxing</td><td>148</td></tr><tr><td>Figure 58 : Principe du procédé MBC™ [237]</td><td>149</td></tr><tr><td>Figure 59 : Schéma de la filière de traitement [238]</td><td>151</td></tr><tr><td>Figure 60 : Schéma de la filière de traitement [239]</td><td>153</td></tr><tr><td>Figure 61 : Schéma de la filière de traitement [240]</td><td>155</td></tr><tr><td>Figure 62 : Schéma de la filière de traitement de Debiensko</td><td>157</td></tr></table>
## Liste des photos

<table><tr><td>Photo 1 : Démonstrateur de Masdar (Adionics)</td><td>33</td></tr><tr><td>Photo 2 : Unité de distillation membranaire à Al Najdah [91]</td><td>54</td></tr><tr><td>Photo 3 : Unité de distillation membranaire Memsys [105]</td><td>58</td></tr><tr><td>Photo 4 : Modules d'évaporation Nucléos à ciel ouvert (gauche) et modules fermés (droite) [108]</td><td>60</td></tr><tr><td>Photo 5 : WAIV™ unité pilote avec cristallisation de sels - Israël [109]</td><td>61</td></tr><tr><td>Photo 6 : Evaporateur KMU LOFT de la gamme Destimat® LE [130]</td><td>78</td></tr><tr><td>Photo 7 : Installation de cristallisation de sulfate de sodium [120]</td><td>82</td></tr><tr><td>Photo 8 : Billes de carbonate de calcium obtenu avec Actina™ [216]</td><td>139</td></tr><tr><td>Photo 9 : Stockage des déchets toxiques [229]</td><td>146</td></tr><tr><td>Photo 10 : Stockage des résidus d'épuration des fumées [228]</td><td>146</td></tr></table>
Acronyms

<table><tr><td>1,4-DB</td><td>1,4-DichloroBenzène</td></tr><tr><td>ACV</td><td>Analyse de Cycle de Vie</td></tr><tr><td>ADEME</td><td>Agence de l'Environnement et la Maîtrise de l'Energie</td></tr><tr><td>Adionics</td><td>Advanced Ionic Solutions</td></tr><tr><td>AFNOR</td><td>Association Française de Normalisation</td></tr><tr><td>AGMD</td><td>Air Gap Membrane Distillation</td></tr><tr><td>AQWATEC</td><td>Advanced Water Technology Center</td></tr><tr><td>ATILH</td><td>Association Technique de l'Industrie des Liants Hydrauliques</td></tr><tr><td>BRGM</td><td>Bureau de Recherches Géologiques et Minières</td></tr><tr><td>BWRO</td><td>Brackish Water Reverse Osmosis</td></tr><tr><td>CDI</td><td>Capactive Deionization</td></tr><tr><td>CDS</td><td>Concentrated Draw Solution</td></tr><tr><td>CEREMA</td><td>Centre d'Etudes et d'Expertise sur les Risques, l'Environnement, la Mobilité et l'Aménagement</td></tr><tr><td>CESR</td><td>Cost Effective Sulfate Removal</td></tr><tr><td>CETIM</td><td>Centre Technique des Industries Mécaniques</td></tr><tr><td>CFC</td><td>Chlorofuorocarbure</td></tr><tr><td>CMV</td><td>Compresseur Mécanique de Vapeur</td></tr><tr><td>CNRS</td><td>Centre National de Recherche Scientifique</td></tr><tr><td>COT</td><td>Carbone Organique Total</td></tr><tr><td>COV</td><td>Composé Organique Volatil</td></tr><tr><td>CSD</td><td>Centre de Stockage des Déchets</td></tr><tr><td>CSRE</td><td>China Science Resources and Environmental technology Co Ltd</td></tr><tr><td>CTM</td><td>Centre Tecnològic de Manresa</td></tr><tr><td>CTO</td><td>Coal To Olefins</td></tr><tr><td>CTO</td><td>Composés Traces Organiques</td></tr><tr><td>CTP</td><td>Centre Technique du Papier</td></tr><tr><td>CTX</td><td>Coal To Chemicals</td></tr><tr><td>DBO</td><td>Demande Biolochimique en Oxygène</td></tr><tr><td>DCMD</td><td>Direct Contact Membrane Distillation</td></tr><tr><td>DCO</td><td>Demande Chimique en Oxygène</td></tr><tr><td>DDS</td><td>Diluted Draw Solution</td></tr><tr><td>Decalco</td><td>Piégeage et valorisation de Déchets Alcalins par passivation au CO₂ industriel</td></tr><tr><td>DM</td><td>Distillation Membranaire</td></tr><tr><td>DTRO</td><td>Disc Tube Reverse Osmosis</td></tr><tr><td>ED</td><td>Electrodialyse</td></tr><tr><td>EDF</td><td>Electricité De France</td></tr><tr><td>EDM</td><td>Electrodialyse par Métathèse</td></tr><tr><td>EDR</td><td>Electrodialyse Reverse</td></tr><tr><td>EDTA</td><td>Ethylène Diamine Tétra Acétique</td></tr><tr><td>EFC</td><td>Eutetic Freeze Crystallization</td></tr><tr><td>ENGEES</td><td>Ecole Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement de Strasbourg</td></tr><tr><td>ENSAIA</td><td>Ecole Nationale Supérieure d'Agronomie et des Industries Alimentaires</td></tr><tr><td>ENSIACET</td><td>Ecole Nationale Supérieure des Ingénieurs en Arts Chimiques Et Technologiques</td></tr><tr><td>ENSIP</td><td>Ecole Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Poitiers</td></tr><tr><td>EWP</td><td>Electronic Water Purifier</td></tr><tr><td>ETM</td><td>Eléments Traces Métalliques</td></tr><tr><td>FEBELCEM</td><td>Fédération Belge du Ciment</td></tr><tr><td>FGD</td><td>Flue Gas Desulfurization</td></tr><tr><td>FO</td><td>Forward Osmosis</td></tr><tr><td>GENIAL</td><td>Génie Industriel Alimentaire</td></tr><tr><td>GEPEA</td><td>Génie des Procédés Environnement - Agroalimentaire</td></tr><tr><td>GES</td><td>Gaz à Effet de Serre</td></tr><tr><td>GIS</td><td>Groupement d'Intérêt Scientifique</td></tr><tr><td>GPTE</td><td>Génie des Procédés – Technologies Environnementales</td></tr><tr><td>HERO</td><td>High Efficiency Reverse Osmosis</td></tr><tr><td>HEVAP</td><td>High Efficiency Evaporation</td></tr><tr><td>IC2MP</td><td>Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers</td></tr><tr><td>IFTS</td><td>Institut de la Filtration et des Techniques Séparatives</td></tr></table>
INAP International Network for Acid Prevention

INSA Institut National des Sciences Appliquées

IPREM Institut des sciences analytiques et de Physico-chimie pour l'Environnement et les Matériaux

IRH Institut de Recherches Hydrologiques

ISD Installation de Stockage de Déchets

ISDD Installation de Stockage de Déchets Dangereux

ISDND Installation de Stockage de Déchets Non Dangereux

IWA International Water Association

IX Ion Exchange

K+S Kali und Salz

LCABIE Laboratoire de Chimie Analytique, Bio-inorganique et Environnement

LGC Laboratoire de Génie Chimique

LIEC Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements Continentaux

LRGP Laboratoire Réactions et Génie des Procédés

M2P2 Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres

MBC Membrane Brine Concentrator

MCDI Membrane Capacitive Deionization

MEE Evaporateur Multiple Effets

MES Matières En Suspension

MF Microfiltration

MHD Multi Humidification-Déshumidification

MS Matières Solides ou Matière Sèche

MVR Mechanical Vapor Recompression

NF Nanofiltration

NITT National Institute of Technology

NMVOC Non-Methane Volatile Organic Compound

NREL National Renewable Energy Laboratory

NTU Nephelometric Turbidity Unit

OD Osmose Directe

OI Osmose Inverse

OPUS Optimized Pretreatment and Unique Separation

PAC Pompe à Chaleur

PACB Pompe à Chaleur double effet

PEHD Poly Ethylène Haute Densité

PM10 Particulate Matter 10 µm

PRTR Pollutant Release and Transfer Register

RASPODEE Recherche d'Albi en génie des Procédés des Solides Divisés, de l'Energie et de l'Environnement

REFIOM Résidus d'Epuration des Fumées d'Incinération des Ordures Ménagères

REI Résine Echangeuse d'Ions

REP Registre des Emissions Polluantes

RO Reverse Osmosis

ROSP Reverse Osmosis Sal - Proc

SAC Strong Acid Cations

SBA Strong Basic Anions

SCA Svenska Cellulosa Aktiebolaget

SEP Salt & Evaporation Plants Ltd

SGMD Sweeping Gas Membrane Distillation

SIAAP Syndicat Interdépartemental pour l'Assainissement de l'Agglomération Parisienne

SIAVED Syndicat Inter Arrondissement pour la Valorisation et l'Elimination des Déchets

SITS Syndicat général des Industries de matériels et procédés pour les Traitements de surface

SPP Superphosphate Simple

STEP Station d'Epuration

STEPPE Station Expérimentale des Procédés Pilotes en Environnement

SWRO Sea Water Reverse Osmosis

TC Thermo Compression

TDS Total Dissolved Solids

TNO The Netherlands Organisation for applied scientific research

TOC Total Organic Carbon

TRL Technology Readiness Level

TS Total Solids
<table><tr><td>TSP</td><td>Superphosphate Triple</td></tr><tr><td>TSS</td><td>Total Suspended Solids</td></tr><tr><td>TU Delft</td><td>Delft University of Technology</td></tr><tr><td>Twic</td><td>Tamilnadu Water Investment Co Ltd</td></tr><tr><td>UF</td><td>Ultrafiltration</td></tr><tr><td>UFR</td><td>Unité de Formation et de Recherche</td></tr><tr><td>UMR</td><td>Unité Mixte de Recherche</td></tr><tr><td>UTC</td><td>Université de Technologie de Compiègne</td></tr><tr><td>UV</td><td>Ultraviolets</td></tr><tr><td>VLE</td><td>Valeur Limite d'Emission</td></tr><tr><td>VMD</td><td>Vacuum Membrane Distillation</td></tr><tr><td>VSEP</td><td>Vibratory shear enhanced processing</td></tr><tr><td>WAC</td><td>Weak Acid Cations</td></tr><tr><td>WAIV</td><td>Wind Aided Intensified eVaporation</td></tr><tr><td>WERF</td><td>Water Environment & Water Foundation</td></tr><tr><td>WssTP</td><td>Water Supply and Sanitation Technology</td></tr><tr><td>ZDD</td><td>Zero Discharge Desalination</td></tr><tr><td>ZELDA</td><td>Zero Liquid Discharge Desalination</td></tr><tr><td>ZLD</td><td>Zero Liquid Discharge</td></tr></table>
# 1. Contexte et objectifs

Le traitement des effluents salins est actuellement une préoccupation croissante. Ils sont générés par les activités industrielles à l'exemple de la chimie mais aussi par les filières de traitement de l'eau. Les technologies de type filtration membranaire, résines échangeuses d'ions et évapo-concentration sont en plein développement. Elles permettent la réutilisation des eaux traitées et parfois un rejet zéro liquide sur site générant un concentré qui est actuellement difficile à valoriser. La problématique est d'autant plus complexe que ce concentré contient un mélange de sels et de matière organique. La salinité peut être élevée (concentrations en sels de 10 à 200 g/L potentiellement variables dans le temps) et la matière organique plus ou moins biodégradable.

Les procédés biologiques sont généralement privilégiés en raison de leurs faibles coûts d'investissement et de fonctionnement. Toutefois, la complexité de ces effluents est souvent incompatible avec la mise en place d'un traitement biologique classique et des procédés coûteux doivent alors être mis en œuvre (évaporation, filtration membranaire ou oxydation chimique). Dans les cas les plus extrêmes, ces effluents sont dirigés vers des filières d'incinération.

L'objectif de l'étude est de réaliser un état de l'art détaillé des procédés de traitement existants et émergeants pour la désalinisation des effluents salins contenant ou non de la matière organique.

Après avoir présenté la problématique des effluents salins et les flux de sels rejetés dans les masses d'eau, les procédés de traitements existants et émergeants sont présentés. Ils sont ensuite comparés d'un point de vue technique, économique et environnemental.

La valorisation des sels est un enjeu important, en effet certains procédés permettent de générer des sels qu'il est aujourd'hui difficile de valoriser ce qui compromet la viabilité économique des filières de traitement. Un volet de l'étude est par conséquent consacré aux procédés permettant de séparer et purifier les sels et aux voies de valorisation existantes.

La présentation de retours d'expérience sur la thématique du traitement des effluents salins et/ou la valorisation des sels permettra au lecteur d'appréhender les potentialités des filières de traitement.

Le dernier volet présente les points durs et perspectives de recherches ciblées et prioritaires dans ce domaine.

Les acteurs compétents dans le domaine du traitement des effluents salés sont inventoriés en annexe. Il s'agit des centres techniques, laboratoires de recherche et fournisseurs de technologie à l'échelle mondiale.

Le sujet de ce rapport porte sur une préoccupation actuelle croissante de par la nécessité de préserver les ressources en eau mais aussi les matières premières. De nombreux procédés existent actuellement pour désaliniser des effluents et réutiliser l'eau mais ces procédés génèrent des sels qui sont majoritairement considérés comme des déchets.

Cette étude présente les procédés existants mais aussi émergeants pour le traitement des effluents salins ainsi que les possibilités de purification et de réutilisation des sels produits.

Les procédés de traitement sont ensuite comparés sur les volets technique, économique et environnemental.
# 2. **Problématique des effluents salins**

## 2.1. **Définition des effluents salins**

La salinité d'un liquide se définit comme la somme des cations et des anions qu'il contient. Les principaux ions minéraux rencontrés dans les effluents industriels sont listés dans le Tableau 1.

<table><caption>Tableau 1 : principaux cations et anions représentant la salinité des effluents industriels</caption><thead><tr><td>Anions</td><td>Cations</td></tr></thead><tbody><tr><td>Chlorure (Cl<sup>-</sup>)</td><td>Ammonium (NH<sub>4</sub><sup>+</sup>)</td></tr><tr><td>Hydrogénocarbonate (HCO<sub>3</sub><sup>-</sup>)</td><td>Calcium (Ca<sup>2+</sup>)</td></tr><tr><td>Carbonate (CO<sub>3</sub><sup>2-</sup>)</td><td>Magnésium (Mg<sup>2+</sup>)</td></tr><tr><td>Nitrate (NO<sub>3</sub><sup>-</sup>)</td><td>Potassium (K<sup>+</sup>)</td></tr><tr><td>Phosphate (PO<sub>4</sub><sup>2-</sup>)</td><td>Sodium (Na<sup>+</sup>)</td></tr><tr><td>Sulfate (SO<sub>4</sub><sup>2-</sup>)</td><td></td></tr></tbody></table>

Elle peut se mesurer ou s'évaluer soit via :

- La somme des cations et des anions,

- La mesure de conductivité,

- La mesure de TDS (Total Dissolved Solids). Cette mesure correspond à l'ensemble des substances inorganiques et organiques présentes sous forme dissoute dans un liquide. Le TDS peut être évalué selon la méthode standard 2540 C ou la méthode EPA 160.1. L'échantillon d'eau est filtré à travers un filtre en fibre de verre (généralement 0,45 µm) dans un creuset pré-pesé. Le filtrat est évaporé puis séché jusqu'à un poids constant à 180°C. Le poids de résidu après séchage correspond au TDS.

La plateforme européenne sur l'eau propose dans son étude « brines management » un classement des effluents salins [1] :

- Les saumures sont des eaux présentant une concentration en sels dissous proche de la saturation (> 50 g/L), généralement mais non exclusivement du chlorure de sodium. Il s'agit d'un flux salé industriel ou eau usée,

- Une eau salée (30-50 g/L),

- Une eau saumâtre (0,5 à 30 g/L).

La difficulté de traitement de cet effluent et la technologie à mettre en œuvre dépend de cette salinité et de la présence ou non de matières organiques.

## 2.2. **Gisement des effluents salins en France et en Europe**

Le Ministère de l'Environnement, de l'Energie et de la Mer recueille chaque année les données relatives aux émissions de polluants dans l'air, l'eau, le sol et les déchets des installations classées. Ces données sont utilisées pour recenser les principaux rejets et transferts de polluants déclarés par :

- les principales installations industrielles,

- les stations d'épuration urbaines de plus de 100 000 équivalents habitants,

- certains élevages.

Elles sont accessibles sur le site du Ministère qui héberge le registre français des émissions polluantes sur internet (iREP) au lien http://www.georisques.gouv.fr/dossiers/irep-registre-des-emissions-polluantes.

iREP est une ressource clé pour répondre aux exigences du Protocole international PRTR (Pollutant Release and Transfer Register) sur les registres des rejets et transferts de polluants. Le registre européen des rejets et des transferts de polluants dit Registre E-PRTR est consultable sur http://prtr.ec.europa.eu.
Les registres français et européen permettent d'accéder aux flux de sels (chlorures, sulfates et fluorures) rejetés dans l'eau (Figure 1).

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 1 : Répartition des émissions de chlorures dans l'eau par pays référencé dans le registre européen E-PRTR en 2014 [2]</figcaption></figure>

En Europe, l'Allemagne est le pays le plus émetteur de chlorures avec 6 807 250 tonnes rejetées dans l'eau en 2014 soit près de 40% des émissions globales européennes. La France est le 5e émetteur avec 1 387 720 tonnes rejetées dans l'eau soit 7,5 % des émissions.

Les chlorures représentent 79% des sels rejetés dans l'eau contre 21% pour les sulfates et moins de 1% pour les fluorures avec 618 tonnes rejetées par an (Figure 2).

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 2 : Tonnages de sels rejetés dans l'eau en France en 2014 [3]</figcaption></figure>

Les sels sont principalement rejetés dans les bassins les plus industrialisés : Rhin Meuse et Rhône Méditerranée (Figure 3).
<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 3 : Répartition des émissions de chlorures dans l'eau par bassin hydrographique métropolitain en 2014 [3]</figcaption></figure>

Les 2 entreprises générant le plus d'émissions de chlorures (domaine de la chimie et parachimie) sont dans le département Meurthe-et-Moselle (Rhin Meuse). Les 3 autres entreprises fortement émettrices (domaine de la chimie et parachimie) se trouvent dans le bassin Rhône Méditerranée: Bouches-du-Rhône (13) et Jura (39).

En Europe, l'Allemagne est le plus fort émetteur de chlorures dans l'eau tandis que la France apparaît comme le 5e pays émetteur.

En France, les chlorures sont les sels les plus rejetés dans l'eau. En regardant la situation géographique, les bassins Rhin-Meuse et Rhône-Méditerranée en sont les plus grands récepteurs.

Ces émissions s'expliquent par la présence d'usines de la chimie et de la parachimie dans ces zones.

## 2.3. Les différentes activités productrices d'effluents salins

### 2.3.1. Les consommations de sels (NaCl) en France [4]

Le comité des Salines de France réalise des statistiques sur les ventes de chlorure de sodium au plan national. Ces chiffres tiennent compte des données des entreprises exploitant des gisements souterrains de sel ou des marais salants, qui sont membres du Comité des Salines de France ainsi que les statistiques des entreprises non membres.

En France, la production de sel comprend la production de [4]:

- Sels par dissolution : le sel des gisements souterrains est dissous par injection d'eau douce afin d'obtenir une saumure remontée en surface pour être évaporée selon la technique du sel ignigène. La saumure est essentiellement utilisée comme matière première de l'industrie chimique pour la production de chlore et de soude en particulier. En 2013, la production de sels par dissolution s'élève à 5 168 900 tonnes,

- Sels cristallisés : en 2013, 2 097 100 tonnes de sels cristallisés ont été vendues sur le marché intérieur français (importations comprises, exportations déduites).

Près de la moitié des ventes de sels cristallisés est destinée à l'industrie dont la chimie avec 21% des ventes de NaCl en 2009 (Figure 4). Les ventes de NaCl pour le déneigement s'élèvent à 29% des ventes totales de sels cette même année. L'agriculture (complément alimentaire, conservation du fourrage) représente 15% des ventes contre 11% pour l'alimentation humaine.
<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 4 : Répartition des ventes de sels cristallisés (NaCl) en France par secteurs d'activités (importations comprises) en % des ventes totales de sel cristallisé en France (2009) d'après les producteurs de sel [4]</figcaption></figure>

Le coût moyen de la tonne de sel en vrac utilisé pour le salage des routes (modulé en fonction de la qualité du sel, du coût de transport et de la quantité livrée) avoisine 80 € TTC/tonne [5].

### 2.3.2. Les rejets d'effluents salins

Le registre IREP permet d'identifier les émissions dans l'eau par secteur d'activité pour les chlorures, sulfates et fluorures (Tableau 2) et (Figure 1).

<table><caption>Tableau 2 : Flux de sels émis dans l'eau en 2014 en France (tonnes/an)</caption><thead><tr><td>Activités</td><td>Chlorures</td><td>Sulfates</td><td>Fluorures</td><td>Global Sels</td></tr></thead><tbody><tr><td>Chimie et parachimie</td><td>1 045 130</td><td>165 040</td><td>85</td><td>1 210 255</td></tr><tr><td>Station d'épuration urbaine de plus de 100 000 habitants</td><td>307 130</td><td>162 630</td><td>324,26</td><td>470 084</td></tr><tr><td>Déchets et traitements</td><td>21 070</td><td>28 560</td><td>53,53</td><td>49 684</td></tr><tr><td>Agro-alimentaire et boissons</td><td>9 990</td><td>1 960</td><td>0</td><td>11 950</td></tr><tr><td>Sidérurgie, métallurgie, coke, industrie minérale</td><td>4 400</td><td>4 740</td><td>87</td><td>9 229</td></tr><tr><td>Industries extractives</td><td></td><td>2 300</td><td>3</td><td>2 300</td></tr><tr><td>Pétrole et gaz</td><td></td><td></td><td>45</td><td>45</td></tr><tr><td>Mécanique, traitements de surfaces</td><td></td><td></td><td>21</td><td>21</td></tr><tr><td><strong>Global</strong></td><td><strong>1 387 720</strong></td><td><strong>365 230</strong></td><td><strong>618</strong></td><td><strong>1 753 568</strong></td></tr></tbody></table>

L'industrie de la chimie et de la parachimie est l'activité la plus émettrice d'effluents salins avec 69% du tonnage de sels rejetés dans l'eau en 2014 correspondant à 1 210 255 tonnes. Les rejets de stations d'épuration urbaine de plus de 100 000 habitants représentent 27% du tonnage de sels rejetés. Il est à noter que ces stations peuvent absorber des flux salins d'industriels raccordés. L'activité déchets et traitement représente 3% du flux émis alors que le secteur agro-alimentaire et boissons représente moins de 1% des émissions.

Les secteurs d'activité Sidérurgie/métallurgie/coke/industrie minérale, Industries extractives, Pétrole et gaz et Mécanique/traitement de surfaces représentent au global moins de 1% des flux émis dans l'eau en 2014. Ils sont représentés sous l'intitulé « autres secteurs » dans la Figure 5.
<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 5 : Répartition des émissions dans l'eau de sels (chlorures, sulfates et fluorures) par secteur d'activité en 2014 [3]</figcaption></figure>

Les flux comptabilisés dans ces registres n'intègrent pas l'ensemble des effluents salins générés. Toutes les entreprises ne renseignent pas ce registre pour les paramètres sels (chlorures, sulfates, fluorures), de plus certains effluents fortement concentrés ne sont pas traités sur le site producteur mais en centre spécialisé. Ces effluents sont alors traités par évapo-incinération, incinération, évaporation ou traitement physico-chimique. Toutefois, les flux de sels rejetés dans l'eau par ces effluents peuvent être déclarés après traitement par les centres spécialisés. C'est en particulier le cas de la filière physico-chimique qui ne permet pas d'éliminer certains sels à l'exemple des chlorures qui seront présents au niveau du rejet et peuvent être intégrés dans les émissions référencées par les registres français et européens. De même, la filière incinération ou évapo-incinération peut générer des rejets d'effluents salins au niveau du lavage des gaz de combustion. Les sels rejetés au milieu par ces filières peuvent être déclarés par les centres eux-mêmes.

Deux voies alternatives sont aussi mises en œuvre :

- L'injection en puits profonds à l'exemple de C4000 en Aquitaine,

- La valorisation via une filière complète de purification de la saumure. C'est l'activité réalisée par le centre Resolest. La capacité autorisée de l'installation est pour le traitement des fumées de l'industrie et les sels industriels de 15 000 tonnes par an [6].

Les sources d'effluents salins sont détaillées ci-après par activité :

## ✓ Chimie et parachimie

Les industries chimiques et particulièrement celles du secteur de la production de chlore et de soude, mais aussi les industries pharmaceutiques, génèrent, en plus des émissions de gaz et de déchets solides, des effluents liquides fréquemment concentrés en sels [7].

En 2014, les 5 plus forts émetteurs de chlorures dans l'eau sont des entreprises de la chimie et en particulier des producteurs de chlore, soude, hydrogène, carbonate de sodium, bicarbonate de sodium et sulfate de sodium.

Il s'agit de :

- Solvay Carbonate France Usine de Dombasle (54110 Dombasle-sur-Meurthe),

- Novacarb - Usine De La Madeleine (54410 Laneuveville-devant-Nancy),

- Solvay Electrolyse France (39500 Tavaux),

- Kem One Fos Sur Mer (ex Arkema Chlore Soude) (13773 Fos-sur-Mer),

- Kem One Lavera (13117 Martigues).

Ces entreprises représentent 67% des émissions de chlorures en France en 2014 correspondant à près de 930 000 tonnes rejetées.

Le principal effluent des fabriques de carbonate de sodium par le procédé Solvay est la lessive finale obtenue lors de la récupération de l'ammoniac par le lait de chaux. Elle contient en moyenne 30 g/L de chlorures (soit 50 g/L de chlorure de sodium). Les sels sont rejetés au milieu naturel dans le respect des arrêtés propres aux entreprises d'après Solvay et Novacarb [8].
✓ Stations d'épuration urbaines de plus de 100 000 habitants

Les sels entrant dans les stations d'épuration urbaine sont essentiellement liés aux rejets domestiques (en particulier liés à la présence de sels dans l'eau potable) et aux rejets des industriels raccordés.

Le groupement GIS BioSTEP a par ailleurs identifié d'autres sources de chlorures dans les stations à l'exemple [9] :

- De l'intrusion d'eau de mer dans les réseaux d'assainissement (littoral),

- Du salage des chaussées en période hivernale. Ces apports peuvent se faire dans le cadre de réseaux unitaires qui dirigent une partie des eaux pluviales vers les stations. En 2013, les ventes de fondants routiers (tous sels confondus) se sont élevées à 1 400 000 tonnes d'après Asselvia [10],

- De l'apport de chlorures liés au process : les ajouts de $FeCl_3$ pur pour la déphosphatation physico-chimique apportent des chlorures. Les quantités mises en jeu sont limitées.

Les flux de sels rejetés par cette activité peuvent être élevés à l'exemple de la station d'épuration urbaine de l'agglomération parisienne qui a rejeté 54,3 tonnes de chlorures en 2014. Il s'agit de la station la plus émettrice en 2014, elle représente, sur l'activité stations d'épuration de plus de 100 000 habitants, 18% des rejets de chlorures et 40% des rejets des sulfates. Ces flux de sels sont essentiellement liés aux débits importants d'eau rejetés pour des concentrations faiblement élevées. La station traite chaque jour 1 500 000 m³ ce qui correspond à une concentration en sels de 100 mg/L et 120 mg/L respectivement pour les chlorures et les sulfates [11].

✓ L'activité déchets et traitement

Les flux de sels inventoriés sous cette activité correspondent aux rejets des centres de traitement et des stations d'épuration collectives (Tableau 3).

<table><caption>Tableau 3 : Etablissements référencés dans le registre français pour les émissions de sels dans l'eau pour l'année 2014 [3]</caption><thead><tr><td>Etablissement</td><td>Localisation</td><td>Chlorures</td><td>Sulfates</td><td>Fluorures</td></tr></thead><tbody><tr><td>Gepeif</td><td>69190 Saint-Fons</td><td>x</td><td>x</td><td></td></tr><tr><td>Sita Rekem Site De Roussillon</td><td>38150 Roussillon</td><td>x</td><td>x</td><td>x</td></tr><tr><td>Station D'épuration De Marquette Lez Lille</td><td>59520 Marquette-lez-Lille</td><td>x</td><td>x</td><td>x</td></tr><tr><td>Trédi</td><td>01152 Lagnieu</td><td>x</td><td></td><td>x</td></tr><tr><td>Trédi</td><td>38150 Salaise-sur-Sanne</td><td>x</td><td></td><td>x</td></tr><tr><td>Site De Neutralisation De L'Ochsenfeld</td><td>68800 Vieux-Thann</td><td></td><td>x</td><td></td></tr><tr><td>Station De Traitement Des Eaux Biodégradables De Lacq</td><td>64170 Lacq</td><td></td><td>x</td><td>x</td></tr><tr><td>Areva Mines - Station De Bellezane</td><td>87250 Bessines-sur-Gartempe</td><td></td><td></td><td>x</td></tr><tr><td>Gie Chimie Salindres</td><td>30340 Salindres</td><td></td><td></td><td>x</td></tr><tr><td>Sedibex</td><td>76430 Sandouville</td><td></td><td></td><td>x</td></tr></tbody></table>

Les effluents traités par ces établissements sont généralement des effluents concentrés en sels. Il peut s'agir des concentrés de pollution générés par le traitement des effluents sur les sites inudstriels. En effet, l'amélioration des performances de traitement des technologies utilisées en traitement de l'eau conduit à une concentration des flux de polluants à traiter en particulier sur le paramètre salinité. Ces saumures sont généralement produites par des procédés de type filtration membranaire, échange d'ions ou évapo-concentration. Le développement des filières dites de zéro rejet liquide sur site amène de plus à augmenter l'utilisation de ces procédés performants. Les concentrats se chargent par conséquent en sels et autres composés dépendant de leur origine (eau potable, industrie).

Compte tenu de la complexité de ces flux chargés en sels et potentiellement en matière organique, leur traitement se fait généralement dans des centres spécialisés et non sur le site de l'industriel producteur.

D'après (Gonzales et al, 2012), les concentrats d'osmose inverse sont faiblement chargés en matière organique (60 à 184 mg/L DCO), en revanche ils présentent une salinité élevée. Celle-ci s'établit entre 1,1 et 50,2 g/L. De part leur composition chimique, les concentrats ne sont pas traités par des procédés biologiques [12].
Les éluats de résines échangeuses d'ions issus de la phase de régénération contiennent des concentrations élevées en sels, 100 à 200 g/L de TDS, avec les cations et anions retenus par les résines [13]. Ces éluats sont pour partie traités par les sites industriels producteurs via des filières de type physico-chimique ou évapo-concentration et pour partie en centre spécialisé.

Les installations de stockage de déchets génèrent aussi des effluents potentiellement salés. Les eaux météoritiques percolent à travers les déchets stockés. Ces eaux appelées lixiviats se chargent de polluants organiques et minéraux au contact des déchets qui libèrent une partie de leur humidité et de leurs polluants. Les caractéristiques de ces lixiviats sont très variables selon le type de déchets stockés, les conditions météoritiques et la durée de stockage des déchets. Les lixiviats jeunes (déchets stockés récemment), en phase acidogène présentent un pH acide et une matière organique potentiellement biodégradable au contraire des lixiviats vieux (déchets stockés depuis longtemps) dont la matière organique a été dégradée. Des toxiques peuvent être présents dans ces effluents limitant l'applicabilité d'un traitement biologique. Les caractéristiques des lixiviats ont été étudiées par Rowe & Al (1997), elles sont présentées dans le Tableau 4.

<table><caption>Tableau 4 : Caractéristiques des lixiviats jeunes et vieux [14]</caption><thead><tr><td>Composition/caractéristique</td><td>Lixiviat jeune</td><td>Lixiviat vieux</td></tr></thead><tbody><tr><td>Eau</td><td>95 %</td><td>99 %</td></tr><tr><td>Composés inorganiques (dissous et en suspension)</td><td>3 %</td><td>1 %</td></tr><tr><td>Composés organiques (dissous et en suspension)</td><td>2 %</td><td>0,5%</td></tr><tr><td>DCO</td><td>23 000 ppm</td><td>3 000 ppm</td></tr><tr><td>DBO<sub>5</sub></td><td>15 000 ppm</td><td>180 ppm</td></tr><tr><td>pH</td><td>5,2 - 6,1</td><td>7,2-8,0</td></tr></tbody></table>

Ces effluents sont traités selon leurs caractéristiques par des traitements de type biologique, physico-chimique et de plus en plus par des traitements de type filtration membranaire ou évapo-concentration.

L'ADEME en 2001 avait étudié les rejets d'effluents salins dans l'environnement. Cette étude réalisée par ANTEA avait montré que les flux de chlorures et de sulfates générés par les lixiviats étaient négligeables par rapport aux autres flux salins identifiés [15].

### ✓ Agro-alimentaire et boissons

L'utilisation du sel est nécessaire à la conservation des aliments. Le sel est un agent bactériostatique et antibactérien qui justifie son utilisation dans la conservation et/ou dans le processus de fabrication de nombreux produits alimentaires. La méthode de salage la plus utilisée est le saumurage. Celui-ci produit des effluents chargés en matières grasses, protéines mais aussi en sel NaCl. Plusieurs secteurs de l'industrie agroalimentaire produisent des effluents chargés en sels et en particulier :

- La salaisonnerie de viande (et de poissons),

- La fromagerie,

- La conserverie : le sel est utilisé comme exhausteur de goût et conservateur, comme agent de déshydratation et comme inhibiteur d'enzymes responsables d'un brunissement des légumes par exemple,

- L'industrie de la mer (poissonnerie) : les procédés courants qui contribuent à la production d'effluents pendant la transformation du poisson sont le séchage, la fermentation, la mise en conserve et le fumage. Les eaux usées de transformation du poisson sont caractérisées par de fortes concentrations en DBO₅ (100 - 3 000 mg/L), DCO (1 000 - 18 000 mg/L) et azote (80 - 1 000 mg/L) (Chowdhury, Viraraghavan, & Srinivasan, 2010).

### ✓ Autres secteurs

Les activités recensées sous l'intitulé « autres secteurs » correspondent à :

- La sidérurgie, métallurgie, coke, industrie minérale,

- La mécanique et traitement de surface,

- Les industries extractives.
Dans l'industrie minière, les effluents présentent généralement des concentrations élevées en sulfates en présence de métaux. La principale difficulté avec ces eaux usées réside dans le fait qu'elles doivent être traitées longtemps après l'arrêt des activités de production de la mine [1].

Deux établissements sont référencés sous cet item dans le registre français pour les émissions de sels dans l'eau.

Il s'agit de :

- Imerys Refractory Minerals Glomel (21110 Glomel) pour le rejet de 2 300 tonnes de sulfates en 2014,

- Arc International France - Site Industriel D'Arques (62510 Arques) pour le rejet de 2 520 kg de fluorures en 2014.

* Le pétrole et gaz

La production de gaz et de pétrole génère des quantités importantes d'eaux polluées par des hydrocarbures. Ces eaux appelées « eaux de production » sont liées aux eaux de gisement (eau présente naturellement dans les réservoirs) et à l'injection d'eau utilisée pour améliorer la récupération des hydrocarbures. La concentration en sels diffère d'un puits à l'autre et peut varier de quelques grammes par litre à 350 g/L (sodium, chlorures, calcium, magnésium, sulfates...). Les eaux de production sont principalement générées à l'étranger et peu de puits sont encore en fonctionnement en France. En 2014, la France a produit 766 474 tonnes de pétrole. « Les deux tiers de la production sont assurés par dix gisements dont la production unitaire est supérieure à 20 000 tonnes. Parmi ceux-ci, quatre concentrent près de 40% de la production nationale : Parentis et Cazaux en Aquitaine, Champotran et Itteville dans le bassin parisien » [16].

L'activité de raffinage génère des effluents en particulier pendant le dessalage du pétrole ou lors des étapes de distillation et vapocraquage par exemple. Les dessaleurs utilisés pour éliminer les sels, les acides naphténiques et plus généralement l'eau du pétrole brut génèrent des eaux usées à traiter. Leurs salinité s'établit entre 2 et 15 g/L [17]. Seuls les rejets de fluorures sont référencés sous l'activité pétrole et gaz dans le registre français. Les émissions s'élèvent à 45,7 tonnes en 2014 correspondant à 7% du flux global de fluorures rejetés.

Les secteurs d'activité les plus consommateurs de chlorure de sodium en France sont l'industrie de la chimie suivie du déneigement, de l'agriculture, puis de l'agroalimentaire.

Les effluents salins en France sont rejetés principalement par la chimie/parachimie qui représente 69% des rejets de chlorures, sulfates et fluorures contre 27% pour les grandes stations d'épuration et 3% pour l'activité déchets et traitement.

Les activités chimiques fortement émettrices sont liées à la production de chlore, soude, hydrogène, carbonate de sodium, bicarbonate de sodium et sulfate de sodium.

Pour les stations d'épuration, les sels rejetés sont principalement liés aux rejets domestiques (présence de sels dans l'eau potable) et aux rejets des industriels raccordés. D'autres sources peuvent être toutefois identifiées avec l'intrusion d'eau de mer dans les réseaux et les apports liés aux eaux de pluies chargées en sels issus du salage des routes pour les réseaux unitaires.

L'activité déchets et traitement rejette aussi des sels qui ne sont pas éliminés par les procédés utilisés pour le traitement d'autres polluants tel que les organiques et les métaux.

Les effluents salins des industries agroalimentaires sont essentiellement liés à l'utilisation de sel pour la fabrication et la conservation des aliments.

D'autres secteurs comme la sidérurgie, la métallurgie, le traitement de surface, etc, sont aussi concernés, dans une moindre mesure, par le rejet d'effluents salins.
### 3. Procédés de traitement adaptés aux effluents salins

La désalinisation sélective poussée de ces effluents peut nécessiter la mise en place d'une filière complète de traitement (Figure 6).

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 6 : Filière de désalinisation des effluents salins</figcaption></figure>

La volonté de valoriser les sels obtenus par les procédés de concentration/cristallisation nécessite dans le cas d'effluents complexes la mise en place de traitements complémentaires. Ces traitements peuvent être placés en amont de la filière pour l'élimination :

- de la matière organique par des procédés d'oxydation/oxydation avancée ou des traitements biologiques. L'épuration biologique ne sera applicable que pour des effluents non toxiques et biodégradables présentant une salinité assez stable pour ne pas provoquer de dysfonctionnement de la biologie (cf. 3.4.1). Cette option peut être intéressante pour réduire la charge organique d'effluents agroalimentaires avant des traitements plus poussés de type filtration membranaire ou évapo-concentration.

- des composés pouvant générer un risque d'entartrage pour les procédés membranaires ou thermiques. Des prétraitements physico-chimique (cf 3.1.1) sont généralement utilisés pour éliminer les composés pouvant réduire les performances du système. Il s'agit d'éliminer les sels entartrant (dureté) à l'exemple du carbonate de calcium, du sulfate de calcium, du fluorure de calcium et de la silice. Ces prétraitements consistent généralement en une précipitation à la chaux ou au carbonate de sodium suivie d'une acidification et d'une filtration multimédia ou membranaire.
- des matières solides et huiles. Ces matières sont sources de colmatage pour les unités de traitement. Un prétraitement est alors réalisé, il peut combiner un ou plusieurs procédés en fonction des composés présents et des objectifs de traitement. Il s'agit généralement de procédés de coagulation/floculation - décantation/flottation et filtration (filtre à sable, filtre poche, microfiltration/ultrafiltration).

Des traitements peuvent aussi être placés en aval pour affiner la qualité de l'eau traitée et purifier les sels.

Cette étude se focalise sur les procédés de traitements existants et émergeants pour désaliniser des effluents en présence ou non d'organiques. Les procédés de traitement de la matière organique pouvant fonctionner en présence de sels à l'exemple des procédés d'oxydation avancée ne sont pas étudiés.

Les procédés intégrés dans l'étude sont présentés dans le tableau ci-après.

<table><caption>Tableau 1 : Procédés de concentration et de cristallisation des effluents salins</caption><tr><td>Traitements physico-chimique</td><td>Précipitation physico-chimique<br>Résines échangeuses d'ions<br>Extraction liquide-liquide</td></tr><tr><td>Procédés membranaires</td><td>Nanofiltration<br>Osmose Inverse et procédés d'osmose avancée<br>Electrodialyse et électrodialyse inverse<br>Electrodialyse par métathèse<br>Osmose Directe<br>Distillation membranaire</td></tr><tr><td>Procédés thermiques</td><td>Evaporation naturelle accélérée<br>Humidification Déshumidification<br>Evapo-concentration<br>Cristallisation<br>DyVar<br>Congélation<br>Précipitation en conditions supercritiques</td></tr><tr><td>Autres</td><td>Désulfatation biologique<br>Déionisation capacitive</td></tr></table>

Chaque procédé présenté fait l'objet d'une évaluation de sa maturité. Le développement technologique des procédés du laboratoire à l'échelle industrielle, peut être estimé par un indice dénommé TRL (ou Technology Readiness Level) dont l'échelle d'évaluation est présentée en Annexe 1.

La désalinisation des effluents nécessite généralement de combiner différents procédés de concentration voire de cristallisation pour aller jusqu'à la production de sels. Selon la complexité de l'effluent à traiter, des prétraitements peuvent être nécessaires pour éliminer en amont la matière organique, les éléments entartrant, les matières solides et les huiles.

De même, en aval, l'eau épurée et les sels pourront nécessiter des traitements complémentaires pour atteindre les spécifications liées à leur réutilisation.
# 3.1. Traitements physico-chimiques

## 3.1.1. Précipitation physico-chimique

### 3.1.1.1. Précipitation des fluorures

Les fluorures sont présents dans des effluents de divers secteurs industriels et en particulier dans le domaine de l'incinération (lavage de gaz), la métallurgie, l'aluminium, l'industrie de l'acide phosphorique, la fabrication du verre, etc [18].

La chaux est généralement utilisée pour les neutraliser. Il est possible d'utiliser en complément du chlorure de calcium si de faibles valeurs résiduelles de fluor sont requises.
La réaction de précipitation s'écrit comme suit :

$$2 \text{F}^{-} + \text{Ca}^{2+} \rightarrow \text{CaF}_{2}$$

A ce stade, les concentrations résiduelles en fluorures sont généralement comprises entre 15 et 30 mg/L pour des effluents salins [19].

La chaux va également réagir avec les ions magnésium et aluminium présents dans l'effluent formant ainsi des hydroxydes de magnésium et d'aluminium ($Mg(OH)_2$ et $Al(OH)_3$). Ces hydroxydes vont adsorber les fluorures encore en solution permettant d'atteindre une concentration résiduelle en fluorure de 2 à 4 mg/L [18].

Le dimensionnement des installations pour la précipitation des fluorures est similaire à celui des installations de décarbonatation avec des temps de réaction plus longs [18].

La précipitation des fluorures par la chaux peut se faire dans des réacteurs à lit fluidisé composés de sable. Grâce à l'ajout de chaux ou de chlorure de calcium, les fluorures en solution cristallisent sous forme de fluorine. Les grains formés sont récupérés par décantation et remplacés par du sable « neuf » [20].

### 3.1.1.2. Désulfatation

(Bowell, 2000) recommande l'utilisation d'un traitement physico-chimique pour le traitement des concentrations en sulfates supérieures à 10 g/L, pour des concentrations plus faibles l'osmose inverse et l'échange d'ions peuvent être étudiées [21].

La précipitation des sulfates est généralement réalisée par addition de calcium (chaux, chlorure de calcium) voire de chlorure de baryum ou par ajout de carbonate de baryum (barytage) en milieu acide.

#### Chlorure de baryum

La précipitation est réalisée avec du $BaCl_2$ qui est toutefois rarement utilisé en raison de son coût. Les réactifs à base de baryum présentent de plus un caractère toxique [22]. Des solubilités résiduelles inférieures à 20 mg/L peuvent être obtenues [18].

#### Addition de calcium avec ou sans sels d'aluminium

Ce procédé concerne les effluents contenant de fortes quantités de $SO_4^{2-}$. La technique la plus fréquente consiste à faire précipiter le gypse en ajoutant de la chaux (eaux acides) ou du $CaCl_2$ (saumures) pour l'apport d'ions calcium qui réagit avec les sulfates selon la réaction suivante :

$$SO_4^{2-} + Ca^{2+} + 2H_2O \rightarrow CaSO_4, 2H_2O$$

Les teneurs résiduelles en $SO_4^{2-}$ dépendent de la salinité des eaux mais aussi de l'excès de calcium. Des concentrations de 2 à 3 g/L peuvent être obtenues en épuration de saumure (recours au $CaCl_2$) et 1,5 à 2,5 g/L pour des eaux acides (neutralisation à la chaux, sans recours au $CaCl_2$) [18].

Des essais réalisés sur des eaux usées d'une usine métallurgique ont permis d'obtenir des concentrations en sulfate après traitement à la chaux de 2,25 g/L pour une concentration initiale de 29,1 g/L soit un abattement de plus de 92% [23].

Des traitements complémentaires à l'exemple de la nanofiltration peuvent être mis en œuvre pour atteindre des seuils plus faibles. Le retentat concentré en sulfates peut alors être traité par précipitation à la chaux. Ce procédé est commercialisé par Veolia sous le nom LoSO4™ (Figure 7).
<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Figure 7 : Schéma de principe du procédé LoSO4™ [24]</figcaption></figure>

Le retentat de NF est traité à la chaux ou au CaCl₂ pour abaisser la concentration en sulfates en dessous de 1800 mg/L. L'effluent est ensuite traité avec du calcium et un sel à base d'aluminium dans un second étage dit Multiflo/Turbomix qui met en œuvre une coagulation/floculation suivie d'une décantation lamellaire. Les sulfates sont alors précipités sous forme de sulfoaluminate de calcium hautement insoluble connu sous le nom d'Ettringite (Ca₆Al₂(SO₄)₃(OH)₁₂, 26H₂O). Cette étape réduit la concentration en sulfate dissous dans l'effluent traité à moins de 100 mg/L [24].

D'autres procédés existent et mettent en œuvre une filière comparable au procédé LoSO4™. Il s'agit des procédés :

- SAVMIN™ développé par un centre de recherche en Afrique du Sud. Water Solutions & Technologies South Africa et l'institut national des technologies minérales, Mintek, ont signé un accord de coopération en février 2012 pour développer la technologie SAVMIN™ de Mintek,

- Cost Effective Sulfate Removal (CESR) développé par la société américaine Hydrometrics mais non mis en œuvre à l'échelle industrielle,

- Outotec® développé par la société Outotec (Finlande) et appliqué pour l'industrie minière et métallurgique.

L'élimination des sulfates est réalisée par ajout de chaux pour la précipitation du gypse et des hydroxydes métalliques à pH élevé (entre 10 et 12) et ajout d'un sel d'aluminium pour la précipitation de l'Ettringite. Le réactif à base d'aluminium diffère selon le procédé utilisé (Hydroxyde d'aluminium pour SAVMIN™, aluminate de sodium pour Outotec®, réactif exclusif à Hydrometrics pour CESR). Une étape de précipitation de CaCO₃ et de neutralisation est ensuite réalisée par injection de CO₂.

Les boues contenant l'Ettringite sont filtrées et épaissies. L'hydroxyde d'aluminium peut être recyclé par ajout d'acide sulfurique qui décompose l'ettringite. Veolia annonce une récupération des sels d'aluminium de 95%.

Les procédés SAVMIN et CESR permettent d'atteindre des performances élevées avec des teneurs de l'ordre de 100 à 200 mg/L de sulfate dans l'eau traitée.

L'efficacité du procédé Outotec® est présentée dans le graphique ci-après :

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Figure 8 : Performances du procédé Outotec® [25]</figcaption></figure>
La précipitation d'ettringite permet d'améliorer les performances d'abattement des sulfates qui passent de 3830 mg/L à 430 mg/L.

Un tableau comparatif des procédés désulfatation a été établi en 2003, présentant l'efficacité de ces traitements et leur coût (Tableau 5).

<table><caption>Tableau 5 : Taux d'abattement et coûts en fonction du type de traitement de désulfatation [26]</caption><thead><tr><th></th><th>SAVMIN™</th><th>Chaux</th><th>CESR</th></tr></thead><tbody><tr><td>Année</td><td>1999 - 2001</td><td>2001</td><td>2001 ?</td></tr><tr><td>[SO<sub>4</sub>] initiale</td><td>649 mg/L</td><td>3 000 mg/L</td><td>29 100 mg/L</td></tr><tr><td>[SO<sub>4</sub>] finale</td><td>69 mg/L</td><td>1 219 mg/L</td><td>190 mg/L</td></tr><tr><td>Elimination sulfates</td><td>580 mg/L</td><td>1 781 mg/L</td><td>28 910 mg/L</td></tr><tr><td>Coût d'investissement</td><td>0,31 M$ pour 10 000 m<sup>3</sup>/jour</td><td>Non connu</td><td>Non connu</td></tr><tr><td>Coût d'exploitation</td><td>0,17 $/m<sup>3</sup><br>0,29 $/kg sulfate éliminé</td><td>0,10 $/m<sup>3</sup><br>0,06 $/kg sulfate éliminé</td><td>0,79 $/m<sup>3</sup><br>0,03 $/kg sulfate éliminé</td></tr></tbody></table>

Seuls les coûts des produits chimiques sont intégrés dans cette évaluation. Le coût du traitement dépend des produits chimiques mis en œuvre et des concentrations de sulfates éliminés.

Plus la concentration en sulfates est élevée, plus le coût de traitement unitaire (en $/kg sulfate éliminé) est bas. C'est ce qui explique le plus faible coût d'exploitation du procédé CESR par rapport au procédé SAVMIN™ dans l'exemple présenté ci-dessus.

Le même constat est fait pour procédé Outotec® dont les coûts sont présentés ci-après.

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Figure 9 : Coût de traitement (produits chimiques) en fonction de la concentration en SO₄ éliminée par le procédé Outotec® (Outotec, 2014)</figcaption></figure>

Le coût du traitement est compris entre 0,86 et 3 €/kg sulfate pour une élimination de 1400 et 100 mg sulfate/L respectivement. Ces coûts sont supérieurs à ceux présentés dans le Tableau 5 mais correspondent à des coûts récents relatifs à des unités industrielles.

### 3.1.1.3. Précipitation des phosphates

Les phosphates sont présents dans différents types d'effluents :

- Effluents d'usine d'engrais phosphatés (acide phosphorique)

- Eaux usées domestiques

- Purges de chaudières

- Circuits de refroidissement (polyphosphates et hexamétaphosphates)

Il est possible de les précipiter par de la chaux (effluents acides) ou des sels d'aluminium ou de fer (effluents non acides).
Pour la précipitation par la chaux, deux réactions sont possibles selon le pH initial:

- Précipitation à un pH de 6 à 7 selon la réaction :

$$2\text{H}_3\text{PO}_4 + \text{Ca(OH)}_2 \rightarrow \text{Ca(H}_2\text{PO}_4)_2 + 2\text{H}_2\text{O}$$

Le dihydrogéno-phosphate de calcium formé précipite rapidement mais sa solubilité résiduelle associée reste élevée avec 130 à 300 mg/L en P₂O₅ selon la température (soit 57 à 131 mg/L de phosphore total).

- Précipitation à un pH de 9 à 12 selon la réaction :

$$\text{Ca(H}_2\text{PO}_4)_2 + 2\text{Ca(OH)}_2 \rightarrow \text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2 + 4\text{H}_2\text{O}$$

Cette seconde réaction forme du phosphate tricalcique qui a une faible solubilité résiduelle en P₂O₅ (quelques mg/L). Néanmoins, le P₂O₅ est sous forme colloïdale et décante lentement.

La présence de magnésium influence la solubilité du phosphate de calcium. En effet, elle augmente avec la concentration de magnésium pour un pH inférieur à 9 alors qu'à un pH supérieur à 10, le phosphate de calcium co-précipite avec le magnésium permettant d'atteindre des concentrations résiduelles inférieures à 1 mg/L.

Le phosphate peut aussi être précipité par ajout de sels d'aluminium ou de fer générant des sels d'AlPO₄ et de FePO₄ qui sont peu solubles et précipitent à l'état colloïdal. Le précipité est donc éliminé par flocculation avec de l'hydroxyde métallique en excès. Avec des quantités de sels appliquées élevées, la concentration en P résiduelle est inférieure au mg/L [18].

Les phosphates peuvent également être éliminés en formant de la struvite (MgNH₄PO₄) selon la réaction suivante :

$$\text{NH}_4^+ + \text{PO}_4^{3-} + \text{Mg}^{2+} \rightarrow \text{MgNH}_4\text{PO}_4, 6\text{H}_2\text{O}$$

Dans le domaine du traitement de l'eau, l'élément limitant la formation de struvite est le magnésium. Le phosphore et l'azote sont habituellement présents dans l'eau des stations d'épuration. C'est la raison pour laquelle, il est généralement nécessaire d'ajouter le magnésium pour obtenir la formation de la struvite [27].

Veolia et Naskeo environnement ont développé leurs procédés de précipitation de la struvite (voir STRUVIA et Naskeo en §5.2.6.3).

### 3.1.1.4. Elimination de la dureté [28, 18]

#### Elimination de la dureté temporaire

La décarbonatation à la chaux est utilisée pour éliminer la dureté temporaire (ou bicarbonatée) d'une eau et diminuer son alcalinité.

De la chaux hydratée est utilisée pour précipiter le calcium et le magnésium selon les réactions suivantes :

Premièrement : 2CO₂ + Ca(OH)₂ → Ca(HCO₃)₂ en présence de CO₂ libre dans l'eau

L'hydrogénocarbonate de calcium formé réagit ensuite avec la chaux selon la réaction principale de décarbonatation :

$$\text{Ca(OH)}_2 + \text{Ca(HCO}_3)_2 \rightarrow 2\text{CaCO}_3 + 2\text{H}_2\text{O}$$

La dureté liée au magnésium est aussi éliminée selon les réactions suivantes :

$$\text{Ca(OH)}_2 + \text{Mg(HCO}_3)_2 \rightarrow \text{MgCO}_3 + \text{CaCO}_3 + 2\text{H}_2\text{O}$$

$$\text{puis } \text{Ca(OH)}_2 + \text{MgCO}_3 \rightarrow \text{CaCO}_3 + \text{Mg(OH)}_2 \text{ en excès de chaux}$$

Le carbonate de calcium étant cristallin, il y aura un entartrage progressif en l'absence de germes de cristallisation. Mais si ces germes sont présents et en absence d'impuretés (polymères organiques, colloïdes, hydroxydes métalliques), le carbonate de calcium précipitera très rapidement.
La mise en œuvre de ce procédé nécessite donc de séparer la zone de traitement (mélange chaux et cristaux recirculé) de la zone de décantation où s'effectue la séparation des cristaux. Un coagulant et/ou un floculant est généralement utilisé en complément pour augmenter la vitesse de décantation.

## Elimination de la dureté permanente

Ce procédé permet d'éliminer la dureté non carbonatée ou permanente, c'est-à-dire le calcium et le magnésium liés à des anions forts (sulfates, chlorures, nitrates...).

Le carbonate de sodium est généralement utilisé et intervient comme suit dans les réactions :

$$CaSO_4 + Na_2CO_3 \rightarrow Na_2SO_4 + CaCO_3$$

$$CaCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow 2 NaCl + CaCO_3$$

La précipitation de la dureté permanente peut être réalisée en association ou non avec la précipitation de la dureté temporaire. Dans ce cas, il faut utiliser de la soude caustique.

## Précipitation par la soude caustique

L'élimination des ions calcium et magnésium peut être réalisée par précipitation à la soude. Les effets sont similaires au traitement conjoint de la chaux et du carbonate de sodium.

La réaction de précipitation s'écrit comme suit :

$$Ca(HCO_3)_2 + 2 NaOH \rightarrow CaCO_3 + Na_2CO_3 + H_2O$$

Il se forme alors du carbonate de calcium qui précipite (diminution de la dureté temporaire) et du carbonate de sodium qui va agir sur la dureté permanente comme décrit précédemment. L'utilisation de soude est donc recommandée pour diminuer l'alcalinité d'une eau dans le cas où la dureté permanente est suffisante pour réagir avec le carbonate de sodium formé.

Les procédés d'élimination de la dureté sont principalement utilisés en tant que prétraitement d'osmose inverse ou d'évapo-concentration pour limiter les phénomènes d'entartrage.

### 3.1.1.5. Synthèse

<table><thead><tr><th colspan="3">Précipitation physico-chimique</th></tr></thead><tbody><tr><td>Points clés</td><td colspan="2">La précipitation est souvent utilisée en prétraitement d'autres procédés, notamment membranaires, afin de réduire les risques d'entartrage.</td></tr><tr><td>Maturité</td><td>R & D / Brevet &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Pilote Industriel &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Unité Industrielle &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Mature</td><td>TRL 9</td></tr><tr><td>Prétraitement</td><td colspan="2">Peu exigeant, neutralisation de l'acidité pour la précipitation des phosphates et fluorures</td></tr><tr><td>Produits chimiques</td><td colspan="2">Ca(OH)<sub>2</sub>, CaCl<sub>2</sub>, NaOH et Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> principalement</td></tr><tr><td>Impact environnemental</td><td colspan="2">Faible consommation d'énergie<br>Consommation de produits chimiques</td></tr><tr><td>Avantages</td><td colspan="2">Bonnes performances d'élimination<br>Simplicité de mise en œuvre<br>Démarrage et arrêt du traitement en fonction des besoins</td></tr><tr><td>Inconvénients et facteurs limitants</td><td colspan="2">Production de boues difficilement valorisables</td></tr><tr><td>Fournisseurs</td><td colspan="2">Veolia, Outotec, Ovive, GE Water, Suez</td></tr></tbody></table>
### 3.1.2. Résines échangeuses d'ions

#### 3.1.2.1. <u>Principe</u>

Un échange d'ions est un procédé par lequel les ions contenus dans une solution sont éliminés pour être remplacés par une quantité équivalente d'autres ions de même charge électrique. Le procédé d'échange d'ions peut donc être défini comme un échange réversible d'ions, entre un solide (résine sous forme de billes ou poudre) et un liquide.

La réaction d'échange peut s'écrire comme suit :

$$R-X + Y_{\text{sol}} \rightleftharpoons R-Y + X_{\text{sol}}$$

R : Squelette de la résine

X : ion préalablement fixé sur la résine.

Ysol : ion indésirable présent dans la solution à traiter

Y : ion fixé par la résine

Xsol : ion rejeté dans la solution

Les résines échangeuses d'ions sont, dans certaines conditions, capables de fixer sélectivement un ou plusieurs ions selon leur affinité [29] :

Echangeurs de cations fortement acides (forme H⁺)

$$Cr^{3+} > Al^{3+} > Pb^{2+} > Fe^{2+} > Ca^{2+} > Ni^{2+} > Cd^{2+} > Cu^{2+} > Zn^{2+} > Mg^{2+} > Ag^{2+} > K^{+} > NH_{4}^{+} > Na^{+} > H^{+}$$

Echangeurs de cations faiblement acides (forme Na⁺)

$$H^{+} > Cu^{2+} > Pb^{2+} > Fe^{2+} > Zn^{2+} > Ni^{2+} > Cd^{2+} > Ca^{2+} > Mg^{2+} > NH_{4}^{+} > K^{+} > Na^{+}$$

Echangeurs d'anions fortement basiques (forme OH⁻)

$$\begin{array}{l} \text{Cyanures complexes métalliques} > \text{détergents anioniques} > \text{complexes EDTA} > \text{NO}_3^{-} \\ > \text{HCrO}_4^{-} > \text{Cl}^{-} > \text{HCO}_3^{-} > \text{CN}^{-} > \text{OH}^{-} \end{array}$$

Echangeurs d'anions moyennement basiques (forme base libre)

$$\begin{array}{l} \text{OH}^{-} > \text{Fe(CN)}_{6}^{4-} > \text{Cu(CN)}_{4}^{3-} > \text{Ni(CN)}_{4}^{-} > \text{détergents anioniques} > \text{CrO}_{4}^{2-} > \text{SO}_{4}^{2-} > \\ \text{NO}_{3}^{-} > \text{SCN}^{-} > \text{Cl}^{-} > \text{F}^{-} \end{array}$$

Résines complexantes (forme H⁺)

$$\begin{array}{l} \text{Cu}^{2+} > \text{UO}_{2}^{2+} > \text{VO}^{2+} > \text{Hg}^{2+} > \text{Pb}^{2+} > \text{Ni}^{2+} > \text{Zn}^{2+} > \text{Co}^{2+} > \text{Cd}^{2+} > \text{Fe}^{2+} > \text{Be}^{2+} > \text{Mn}^{2+} > \text{Ca}^{2+} > \text{Mg}^{2+} > \text{Sr}^{2+} \\ > \text{Ba}^{2+} > \text{alcalins} (\text{K}^{+}, \text{Na}^{+}). \end{array}$$

Selon les objectifs de traitement, des résines cationiques et anioniques doivent être associées :

- en positionnant plusieurs réacteurs avec les résines cationiques et anioniques en série,

- dans un même réacteur dit lit mélangé.

Le phénomène est réversible, la résine est régénérée périodiquement afin de lui réattribuer sa capacité d'échange. La régénération consiste à faire traverser la résine par une solution très concentrée en réactifs de manière à inverser la réaction. Cette opération doit être suivie d'un rinçage destiné à éliminer la solution régénérante imprégnant le lit de résine.

La régénération peut se faire selon un mode à co-courant ou à contre-courant selon le sens de passage de la solution régénérante par rapport à la circulation de l'eau à traiter (Figure 10).
<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Figure 10 : Principe de régénération des résines échangeuses ions à co-courant (a) et contre-courant (b)</figcaption></figure>

La régénération à contre-courant plus économe est aujourd'hui privilégiée. Elle permet en particulier de réduire la consommation en réactifs pour la régénération réduisant la production d'éluats. Ces résidus sont détoxiqués in situ (station physico-chimique) ou dans un centre de traitement spécialisé. Le volume moyen d'éluats générés est de l'ordre de 10 à 15 L/L résine en régénération à co-courant contre 6 L/L résine en contre-courant.

### Cas particulier des échangeurs d'ions mobile

Lorsque les flux de polluants à traiter sont faibles, la solution des échangeurs d'ions mobiles peut être intéressante. Elle permet de s'affranchir de la gestion des éluats sur le site en confiant cette régénération à des structures spécialisées. Les échangeurs d'ions mobiles présentent généralement des volumes de résines de 50 à 100L.

### 3.1.2.2. Domaines d'application et mise en œuvre

Les résines échangeuses d'ions sont principalement utilisées pour la production d'eau de process (eau déminéralisée, adoucie ou décarbonatée) et la rétention des métaux dans les effluents générés par les activités de la chimie ou du traitement de surface. Elles peuvent aussi être utilisées en adoucissement d'effluent dans le cadre d'un prétraitement d'osmose inverse ou d'évapo-concentration.

Cette technologie est réservée au traitement d'effluents peu chargés pour limiter la quantité d'éluats générés. Les effluents traités présentent généralement une concentration en sels dans la gamme de 10 à 1000 mg/L [30]. (Colombano et al, 2010) réduisent cette gamme de salinité à des concentrations de l'ordre de 200 à 500 mg/L en précisant que des concentrations supérieures à 4 000 mg/L sont peu recommandées [31]. Dow Process & Water solutions propose une gamme de salinité comprise entre 10 et 600 mg/L pour l'applicabilité des résines [32].
Des prétraitements sont nécessaires pour prévenir la dégradation des résines et permettre un fonctionnement optimisé du traitement:

- La concentration en MES doit être inférieure à 50 mg/L [30] voire 10 mg/L pour prévenir le colmatage [31]. Une filtration par filtre à sable peut être adaptée.

- La précipitation de sulfate de calcium doit être contrôlée. Ceci peut se rencontrer en cas de fortes concentrations en calcium dans la solution à traiter (dans le cas d'une régénération à l'acide sulfurique),

- Les précipités de Fe et de Mn sont incompatibles avec le procédé [31].

- Les huiles et graisses doivent être éliminées pouvant bloquer totalement l'échangeur d'ions principalement les résines cationiques [29],

- La concentration en organiques doit être limitée à 30 mg/L de DCO pour ne pas diminuer l'efficacité des résines (enrobage des billes). Une filtration par charbon actif peut être adaptée,

- La présence de matière organique dans l'eau à traiter peut conduire à une contamination bactérienne des résines réduisant leur efficacité. Plusieurs solutions préventives ou curatives peuvent alors être étudiées en particulier la désinfection par UV.

Le suivi des résines nécessite de contrôler certains paramètres de fonctionnement et en particulier la conductivité qui permet de contrôler le niveau de saturation des résines.

#### 3.1.2.3. Performances

Les rendements épuratoires des résines sont très élevés. La concentration en sels des effluents traités s'établit entre 0,1 et 10 mg/L (Brinkmann, Giner Santonja, Yukseler, Roudier, & Delgado Sancho, 2016).

Le bon fonctionnement des résines et leur durée de vie dépend de leur conditions d'utilisations.

La durée de vie des résines dépend d'un certain nombre de facteurs, la qualité de l'eau traitée et les objectifs de traitement, le type d'échange d'ions utilisé, la fréquence de régénération, la charge hydraulique sur la résine et le type de résine. La présence de certaines substances organiques, des oxydants et des métaux (tels que Fe et Mn) peut également diminuer considérablement la durée de vie de certaines résines, ainsi que la température élevée et les conditions hydrauliques extrêmes. Dans le traitement de l'eau, la durée de vie des résines échangeuses est de l'ordre de [33] :

- 4 à 8 ans pour les résines anioniques,

- 10 à 15 ans pour les résines cationiques.

Les résines échangeuses d'anions sont plus sensibles à la dégradation thermique que les résines échangeuses de cations.

Les résines perdent généralement plus de capacité la première année que les années suivantes. La fragmentation des billes de résines est augmentée sous l'action de turbulences excessives en opération ou pour des températures de fonctionnement inadaptées.

#### 3.1.2.4. Données économiques

Les coûts de traitement par résines varient entre 0,10 et 0,70 € /m³ [31].

Les coûts d'investissement des échangeurs d'ions ont été identifiés par la société IRH dans le cadre d'une étude réalisée pour l'Agence de l'Eau Rhône Méditerranée Corse. Ces coûts sont estimatifs. Ils correspondent à une approche d'avant-projet sommaire et s'entendent hors taxes et hors honoraires. Ils ne prennent pas en compte les fournitures et travaux nécessaires pour l'amenée des utilités, prestations du personnel du maître d'ouvrage, et mission de maîtrise d'œuvre [34].
<table><caption>Tableau 6 : Coûts d'investissement des échangeurs d'ions [34]</caption><thead><tr><td>Débit à traiter</td><td>Investissement (k€) Hors bâtiment</td></tr></thead><tbody><tr><td>&lt; 1 m³/h</td><td>15 -30 (sous traitance)<br/>+ régénération (4 €/Lrésine et par régénération)</td></tr><tr><td>1 à 10 m³/h</td><td>50 - 150</td></tr><tr><td>10 à 20 m³/h</td><td>150 - 250</td></tr><tr><td>20 à 40 m³/h</td><td>250 - 400</td></tr><tr><td>40 à 60 m³/h</td><td>400 - 600</td></tr></tbody></table>

### 3.1.2.5. Synthèse

<table><thead><tr><th colspan="4">Résines échangeuses d'ions</th></tr><tr><th>Points clés</th><td colspan="3">Salinité comprise entre 10 et 600 mg/L</td></tr><tr><th>Maturité</th><td>R & D / Brevet</td><td>Pilote Industriel</td><td>Unité Industrielle</td><td>Mature</td><td>TRL 9</td></tr></thead><tbody><tr><th>Prétraitement</th><td colspan="4">Filtre à sable, Adsorption sur charbon actif</td></tr><tr><th>Produits chimiques</th><td colspan="4">Réactifs pour la régénération : H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>, HCl, NaOH ou NaCl selon le type de résine</td></tr><tr><th>Impact environnemental</th><td colspan="4">Production d'un éluat de régénération à traiter soit sur site soit hors site<br/>Permet la réutilisation d'eau</td></tr><tr><th>Avantages</th><td colspan="4">Fiabilité<br/>Performances élevées</td></tr><tr><th>Inconvénients et facteurs limitants</th><td colspan="4">Nécessite un prétraitement adapté pour ne pas détériorer les résines (certaines pollutions sont irréversibles)<br/>Production d'éluats de régénération<br/>Limité aux faibles concentrations en sels</td></tr><tr><th>Fournisseurs</th><td colspan="4">Afig'EO Engineering, Aquatec, Hytec Industrie, Ondeo Nalco, Permo, Proserpol, Prosoft, Dow</td></tr></tbody></table>

### 3.1.3. Extraction liquide-liquide : Adionics [35] [36]

#### 3.1.3.1. Principe

L'extraction liquide-liquide est un procédé physico-chimique qui utilise les propriétés spécifiques d'un solvant pour extraire certains composés. L'extraction liquide – liquide appliquée aux sels est développée par la société Adionics (Advanced ionic solutions), startup française de 10 salariés créée en 2012.

Le procédé d'extraction, breveté sous le nom AquaOmnes®, est destiné au dessalement des effluents et de l'eau de mer. Le solvant mis en œuvre est une molécule organique fluoré dite Flionex® formulée à partir de plusieurs liquides ioniques. Ses principales propriétés sont :

- une faible solubilité dans l'eau,

- une densité élevée permettant sa séparation de l'eau par décantation,

- une inflammabilité réduite,

- une faible viscosité.

Il permet selon sa composition d'extraire l'ensemble des sels ou certains sels de manière spécifique (potassium ou Lithium par exemple).

L'extraction liquide-liquide est réalisée à température ambiante dans une première colonne (colonne d'extraction) suivie d'un décanteur permettant la récupération du Flionex® chargé en sels. La régénération est réalisée dans une deuxième colonne fonctionnant à 90-95°C pour permettre le relargage des sels par le solvant en présence d'eau. Cette eau correspond à une partie du flux dessalé (15-30%).
Des échangeurs thermiques eau/eau et Flionex®/Flionex® permettent d'optimiser les consommations énergétiques et d'élever ou d'abaisser la température des fluides en fonction de l'étape du procédé. Des énergies renouvelables peuvent être utilisées pour apporter l'énergie nécessaire à la compensation des pertes dans le process.

### 3.1.3.2. Domaines d'application et mise en œuvre

AquaOmnes® se positionne sur les effluents concentrés en sels (> 30 g/L) ou lorsqu'une séparation sélective des sels (type lithium) est recherchée. En deçà l'osmose inverse est plus compétitive.

Adionics a développé un pilote de 24 m³/j (Photo 1) pour le compte de Suez. Ce pilote avait pour objectif de démontrer la faisabilité de l'extraction liquide-liquide sur des eaux salées jusqu'à 70 g/L. Il a été opéré à partir de mars 2006 sur le site de Masdar (Emirats Arabes Unis) en prévision de la création de la ville.

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Photo 1 : Démonstrateur de Masdar (Adionics)</figcaption></figure>

Un deuxième prototype, d'une capacité de 50 à 100 m³/j, devrait être construit et démarré fin 2017 sur le site de Martigues (France). Le procédé n'a pas à ce jour de retour d'expérience à l'échelle industrielle.

### 3.1.3.3. Performances Données économiques

Les données économiques liés au procédé AquaOmnes® ne sont pas connues à ce jour. Adionics affirme que les consommations énergétiques du procédé seront en deçà des consommations des procédés classiques de dessalement (membrane, évaporation) pour la gamme de salinité visée.

### 3.1.3.4. Synthèse

<table><thead><tr><th colspan="4">Extraction liquide - liquide</th></tr></thead><tbody><tr><th scope="row">Points clés</th><td colspan="3">Adapté au traitement d'effluents concentrés en sels (&gt; 30 g/L) ou lorsqu'une séparation sélective des sels (type lithium) est recherchée. En deçà l'osmose inverse est plus compétitive.</td></tr><tr><th scope="row">Maturité</th><td>R & D / Brevet</td><td>Pilote Industriel</td><td>Unité Industrielle</td><td>Mature</td><td>TRL 4-5</td></tr><tr><th scope="row">Prétraitement</th><td colspan="4">Filtre à sable</td></tr><tr><th scope="row">Produits chimiques</th><td colspan="4">Solvant d'extraction</td></tr><tr><th scope="row">Impact environnemental</th><td colspan="4">Présence de solvant d'extraction dans l'eau traitée par solubilisation pouvant limiter les usages</td></tr><tr><th scope="row">Avantages</th><td colspan="4">Possibilité de séparer sélectivement certains sels<br>Dessalement de solution concentrée en sels<br>Procédé peu énergivore comparativement aux procédés thermiques mis en œuvre pour des concentrations élevées en sels</td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><th colspan="2">Extraction liquide - liquide</th></tr></thead><tbody><tr><td></td><td>Non limité par la présence d'organiques dans les effluents au regard des essais laboratoire réalisés à ce jour</td></tr><tr><td>Inconvénients et facteurs limitants</td><td>Technologie en développement<br>Possible présence de solvant dans l'eau traitée</td></tr><tr><td>Fournisseurs</td><td>Adionics (France)</td></tr></tbody></table>

## 3.2. Procédés membranaires

La filtration membranaire permet de séparer un flux à traiter en un perméat (eau épurée) et un rétentat (concentré). La performance de la séparation dépend du type de membrane mis en œuvre qui peut être de la microfiltration (MF), de l'utrafiltration (UF), de la nanofiltration (NF) et de l'osmose inverse (OI). Seules les membranes de NF et d'OI permettent la rétention des sels (Figure 11).

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Figure 11 : Situation des techniques de séparation par membranes en fonction de la taille des particules retenues [37]</figcaption></figure>

Quatre grands types de modules sont utilisés : tubulaires, à fibres creuses, à plaques, spiraux, mais de fait en traitement des eaux 95 % des installations de NF ou d'OI sont réalisées en modules spiraux [18].

Les performances des membranes sont caractérisées par leur taux de conversion (Tc) qui correspond au rapport du débit de perméat (Qp) sur le débit d'entrée (Qe).

$$T_c = \frac{Q_p}{Q_e}$$

La sélectivité d'une membrane correspond au taux de rejet (Tr) du composé considéré :

$$Tr = \frac{C_o - C_p}{C_o}$$

Avec Co la concentration du composé dans l'effluent à traiter et Cp la concentration de ce même composé dans le perméat.
### 3.2.1. Nanofiltration

#### 3.2.1.1. Principe

Les membranes de nanofiltration sont efficaces pour la rétention de la matière organique et des ions multivalents tels que le calcium, le magnésium et le sulfate.

#### 3.2.1.2. Domaines d'application et mise en œuvre

Le principal intérêt de ces membranes est donc en tolérant un passage élevé de sels monovalents (qui contribuent le plus à la pression osmotique) de limiter l'énergie à mettre en œuvre pour obtenir :

- Un dessalement partiel associé à un bon adoucissement.

- Une purification des eaux vis-à-vis de leurs polluants organiques par exemple une très bonne décoloration des eaux naturelle [38].

Dans le domaine des effluents salins, la nanofiltration est utilisée en prétraitement d'osmose inverse ou d'évapo-concentration pour adoucir l'effluent à traiter limitant les problèmes d'entartrage ou de précipitation. La gamme d'application nominale pour les applications de la NF est comprise entre 1 et 35 g/L de TDS [39].

#### 3.2.1.3. Performances

Le taux de conversion s'établit entre 75 et 90%, mais peut nécessiter l'application d'inhibiteurs de tartre ou des prétraitements en fonction de la qualité de l'eau à traiter [39].

La nanofiltration est caractérisée par [18] :

- un passage des sels monovalents relativement élevé : 10 à 80 %,

- un passage des sels bivalents beaucoup plus faible: 1 à 10 %,

- un passage des solutés organiques qui reste équivalent à celui des membranes d'osmose.

Les taux de rejet des membranes de NF sont présentés dans le Tableau 7.

<table><caption>Tableau 7 : Taux de rejet des membranes de NF [40]<fnref n="1" /></caption><thead><tr><td>Constituants</td><td>Taux de rejet des membranes de NF en %</td></tr></thead><tbody><tr><td>TDS</td><td>40-60</td></tr><tr><td>COT</td><td>90-98</td></tr><tr><td>Couleur</td><td>90-96</td></tr><tr><td>Dureté</td><td>80-85</td></tr><tr><td>Chlorure de sodium</td><td>10-50</td></tr><tr><td>Sulfate de sodium</td><td>80-95</td></tr><tr><td>Chlorure de calcium</td><td>10-50</td></tr><tr><td>Sulfate de magnésium</td><td>80-95</td></tr><tr><td>Nitrate</td><td>10-30</td></tr><tr><td>Fluorure</td><td>10-50</td></tr><tr><td>Arsenic (+5)</td><td>&lt;40</td></tr><tr><td>Atrazine</td><td>85-90</td></tr></tbody></table>

#### 3.2.1.4. Données économiques

Les pressions à appliquer sont réduites par rapport à l'osmose inverse du fait que les ions monovalents traversent la membrane. Ce procédé est donc moins énergétique que l'osmose mais moins sélectif. La pression appliquée est généralement de 3 à 30 bars [37].

Les coûts d'investissement des membranes de NF et d'OI ont été identifiés par la société IRH dans le cadre d'une étude réalisée pour l'Agence de l'Eau Rhône Méditerranée Corse.

<footnote n="1">¹ d'après [252] et www.gewater.com</footnote>
Ces coûts sont estimatifs. Ils correspondent à une approche d'avant-projet sommaire et s'entendent hors taxes et hors honoraires. Ils ne prennent pas en compte les fournitures et travaux nécessaires pour l'amenée des utilités, prestations du personnel du maître d'ouvrage, et mission de maîtrise d'œuvre [34].

<table><caption>Tableau 8 : Coûts d'investissement des membranes de NF et OI [34]</caption><thead><tr><td>Débit à traiter (m³/j)</td><td>Investissement (k€)</td></tr></thead><tbody><tr><td>&lt; 10</td><td>60 - 90</td></tr><tr><td>10 - 30</td><td>90 - 130</td></tr><tr><td>30 - 50</td><td>130 - 180</td></tr><tr><td>50 - 100</td><td>180 - 250</td></tr><tr><td>100 - 200</td><td>250 - 350</td></tr><tr><td>200 - 300</td><td>350 - 450</td></tr></tbody></table>

Les coûts d'investissement sont liés à la capacité de traitement passant de 7 000 €/m³/j pour les faibles capacités (< 10 m³/j) à environ 1 500 €/m³/j pour les débits de 200 à 300 m³/j.

A ces budgets, il faut intégrer environ 25 à 30% pour des frais de montage, de mise en route, etc [34].

### 3.2.1.5. Synthèse

<table><thead><tr><th colspan="4">Nanofiltration</th></tr></thead><tbody><tr><td>Points clés</td><td colspan="3">TDS de 0,5 à 25 g/L<br>Taux de conversion s'établit entre 75 et 90%</td></tr><tr><td>Maturité</td><td>R & D /<br>Brevet</td><td>Pilote<br>Industriel</td><td>Unité<br>Industrielle</td><td>Mature</td><td>TRL 9</td></tr><tr><td>Prétraitement</td><td colspan="4">Filtration pour l'élimination des MES</td></tr><tr><td>Produits chimiques</td><td colspan="4">Inhibiteur de tartre et soude pour prévenir l'entartrage et l'encrassement<br>Produits pour le lavage des membranes : acides, chélatants, dispersants tensioactifs et agents désinfectants [18]</td></tr><tr><td>Impact<br>environnemental</td><td colspan="4">Production d'un concentrat</td></tr><tr><td>Avantages</td><td colspan="4">Elimination de la matière organique et des sels divalents</td></tr><tr><td>Inconvénients et<br>facteurs limitants</td><td colspan="4">Nécessite un prétraitement poussé pour prévenir le colmatage de la membrane</td></tr><tr><td>Fournisseurs</td><td colspan="4">Dow, GE Water, Inge GmbH, Koch, Pall, Siemens, Toray, GEA Process Engineering, Nitto Hydranautics, Aquatech, Ondeo, Veolia</td></tr></tbody></table>

## 3.2.2. Osmose Inverse et procédés d'osmose avancée

### 3.2.2.1. Osmose Inverse

#### Principe

L'osmose inverse consiste à faire passer de l'eau à travers une membrane semi-perméable sous l'effet d'une pression supérieure à la pression osmotique. Elle peut retenir à la fois les ions monovalents et les ions divalents.

La pression appliquée est généralement dans la gamme de 6 à 85 bars [18] :

- 55 à 85 bars pour des salinités de type eau de mer,

- 15 à 40 bars pour des salinités types eau saumâtre,

- 6 à 15 bars pour de l'osmose basse pression.

Le taux de conversion diminue lorsque la salinité augmente, de sorte que l'OI est moins efficace que l'évaporation sur des saumures concentrées.
## Domaines d'application et mise en œuvre

L'osmose inverse est largement utilisée pour la production d'eau de process ou le traitement d'effluents industriels avec comme objectif le recyclage d'eaux.

Les membranes d'OI sont sujettes à l'encrassement si des prétraitements appropriés ne sont pas en mis en œuvre. Lorsque l'eau est faiblement concentrée en calcium (< 100 mg/L) et en sulfate (< 700 mg/L), l'osmose inverse conventionnelle peut être utilisée, alors qu'à des concentrations plus élevées, des problèmes d'entartrage peuvent apparaître [41].

La précipitation de sels peut être contrôlée en utilisant un antitartre approprié et en contrôlant le pH de l'eau à traiter. Toutefois, pour des taux de récupération élevés, les antitartres ne sont pas efficaces et le contrôle du pH n'empêche pas la précipitation de certains minéraux problématiques tels que le sulfate de baryum et le sulfate de calcium, qui ne peuvent pas être éliminés par nettoyage chimique. De plus, les dépôts de silice sont problématiques à faible pH [1].

La présence de substances organiques compromettra gravement les performances des membranes qui exigent un flux d'alimentation exempt de solides en suspension. Certaines membranes sont de plus sensibles au pH et à la température.

## Performances

Différents paramètres peuvent limiter les performances de traitement: la dureté calcique, le fer, le baryum et le strontium, la silice, la croissance microbiologique, les matières organiques et les matières en suspension.

La plupart des membranes d'osmose inverse haute salinité dite Sea Water Reverse Osmosis (SWRO) et salinité eau saumâtre (BWRO) rejettent un minimum de 99,0 à 99,7% de sels. La salinité du perméat est toutefois supérieure à celle obtenue par évaporation [42].

Les taux de rejet des membranes d'OI sont présentés dans le Tableau 9.

<table><caption>Tableau 9 : Taux de rejet des membranes d'OI [40]<fnref n="2" /></caption><thead><tr><td>Constituants</td><td>Taux de rejet des membranes de NF en %</td></tr></thead><tbody><tr><td>TDS</td><td>90-98</td></tr><tr><td>COT</td><td>90-98</td></tr><tr><td>Couleur</td><td>90-96</td></tr><tr><td>Dureté</td><td>90-98</td></tr><tr><td>Chlorure de sodium</td><td>90-99</td></tr><tr><td>Sulfate de sodium</td><td>90-99</td></tr><tr><td>Chlorure de calcium</td><td>90-99</td></tr><tr><td>Sulfate de magnésium</td><td>95-99</td></tr><tr><td>Nitrate</td><td>84-96</td></tr><tr><td>Fluorure</td><td>90-98</td></tr><tr><td>Arsenic (+5)</td><td>85-95</td></tr><tr><td>Atrazine</td><td>90-96</td></tr></tbody></table>

Les taux de conversion sont dépendants de la salinité des eaux à traiter :

- environ 40 à 65% pour des eaux concentrées en sels (> 40 g/L) ce qui génère d'importants débits de saumure à éliminer,

- ils peuvent être élevés, de 75% à 90% pour des concentrations en TDS inférieures à environ 25 g/L [43].

## Données économiques

Les consommations d'énergie sont de 1/10 à 1/15 du coût de l'évapo-concentration [44]. Elle est comprise entre 1,5 et 8 kWh/m³ de perméat avec 1,5 à 2,5 kWh/m³ de perméat pour le traitement d'eaux saumâtres (BWRO) [45] et 3 à 8 kWh/m³ de perméat pour les eaux de salinité plus élevées (SWRO).

<footnote n="2">² d'après [252] et www.gewater.com</footnote>
<table><thead><tr><th colspan="2">Osmose Inverse</th></tr></thead><tbody><tr><td></td><td>Nécessite des pressions de travail élevées et donc des conditions de sécurité et de suivi adaptées<br>Dégradation des membranes sous certaines conditions (temperature élevée, pH faibles et élevés, exposition aux oxydants tels que le chlore)</td></tr><tr><td>Fournisseurs</td><td>Dow, GE Water, Inge GmbH, Koch, Pall, Siemens, Toray, GEA Process Engineering, Nitto Hydranautics, Aquatech, Ondeo, Veolia</td></tr></tbody></table>

### 3.2.2.2. Procédés d'osmose inverse à pH élevé

Le couplage de l'Osmose Inverse avec des technologies éprouvées est proposé par différents fournisseurs pour traiter les effluents salés. L'OI est précédée de différents prétraitements pour prévenir la précipitation des sels inorganiques. Elle fonctionne ensuite à pH élevé pour réduire la précipitation de la silice et l'encrassement biologique.

Ce couplage est commercialisé sous les noms :

- High Efficiency Reverse Osmosis (HERO™) par Aquatech et GE

- Optimized Pretreatment and Unique (OPUS®) par Veolia

#### Principe

<figure><img src="image_15.png" /></figure>

#### HERO™

HERO™ est un procédé breveté par Debashish Mukhopadhyay à la fin des années 1990 HERO™ est commercialisé Aquatech et GE.

Le procédé utilise l'échange d'ions ou l'adoucissement à la chaux, le dégazage et le traitement par OI à pH élevé pour maximiser le taux de récupération de distillat et éviter l'entartrage lié à la silice (Figure 12).

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>Figure 12 : Schéma de principe du fonctionnement du procédé HERO™ [49] adapté de [50]</figcaption></figure>

En fonction de la qualité de l'eau à traiter, l'étape d'échange d'ions peut être remplacée par un adoucissement à la chaux pour éliminer la dureté liée au calcium et au magnésium. Une étape de dégazage utilise le stripping à l'air pour éliminer le dioxyde de carbone de la saumure ce qui augmente son pH. Enfin, la filtration par OI est conduite à un pH élevé d'environ 11 pour réduire le colmatage bactérien et les problèmes de précipitation liés à la silice. En effet, la silice présente une solubilité élevée à des valeurs de pH élevées, de sorte que le fonctionnement du procédé à pH élevé diminue le potentiel d'entartrage de la silice et augmente les taux de récupération d'eau [51].

Les inconvénients du procédé HERO™ sont liés à l'utilisation élevée de produits chimiques, un coût d'investissement plus élevé que l'OI traditionnelle ainsi que la production de boues à éliminer [52].
<figure><img src="image_17.png" /></figure>

La technologie OPUS® utilise un procédé breveté d'adoucissement à haut rendement dit Multiflo™ avec filtration, échange d'ions et osmose inverse. L'élimination de la dureté totale et des métaux dans l'effluent élimine le risque d'entartrage des membranes en présence de carbonate de calcium, sulfate de calcium, fluorure de calcium, sulfate de baryum, précipités de fer et de manganèse. L'eau prétraitée est ensuite mise sous pression à travers une OI, opérant à un pH élevé en mode simple ou double passe, pour éliminer les sels, la silice, le bore et les organiques présents dans l'effluent.
L'OI fonctionne à un pH élevé, ce qui contrôle efficacement l'encrassement biologique, organique et particulaire, élimine l'incrustation liée à la silice et augmente le rejet de silice et de bore.

Pour les effluents contenant des concentrations élevées en gaz ou une alcalinité excessive, une étape de dégazage peut être mise en œuvre avec addition d'acide pour transformer les carbonates en dioxyde de carbone strippable. Cette étape réduit la quantité de boues générées pendant l'adoucissement chimique et réduit la demande en soude pour augmenter le pH (Figure 13).

<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>Figure 13 : Schéma de principe du procédé OPUS® [53]</figcaption></figure>

### Domaines d'application et mise en œuvre

La technologie OPUS® est particulièrement adaptée aux effluents contenant des concentrations élevées de silice, dureté, organiques, métaux lourds, bore et matières en suspension.

La concentration en sels sera inférieure à 25 g/L de sels (TDS), au-delà l'évapo-concentration sera privilégiée.

Elle est appliquée dans :

* l'industrie pétrolière (eaux de production, raffinage),

* la réutilisation d'eau dans les projets de zéro liquide sur site,

* le traitement des purges de tours aéroréfrigérantes.

Six systèmes OPUS® à grande échelle ont été installés dont la plus importante à Chevron San Ardo (Etats unis).

### Illustration de retours d'expérience [55]

Le système OPUS® de San Ardo fonctionne sur des eaux de production pour réduire le volume d'eau nécessitant une réinjection. Le taux de récupération d'eau s'élève à 75% soit 7 950 m³/j. Le démarrage des unités a été réalisé en 2008. Les performances du système basées sur 1 an d'exploitation sont présentées dans le tableau ci-après.
<table><caption>Tableau 10 : Performances du système OPUS® de San Ardo [56]</caption><thead><tr><td>Paramètres en mg/L</td><td>Effluent</td><td>OI Double passe</td><td>Eau traitée</td><td>Objectifs de traitement</td></tr></thead><tbody><tr><td>Salinité (TDS)</td><td>6500</td><td>76</td><td>120</td><td>510</td></tr><tr><td>Sodium</td><td>2300</td><td>43</td><td>43</td><td>85</td></tr><tr><td>Chlorures</td><td>3400</td><td>Non détecté</td><td>11</td><td>127,5</td></tr><tr><td>Sulfates</td><td>133</td><td>Non détecté</td><td>120</td><td>127,5</td></tr><tr><td>Nitrates</td><td>10</td><td>Non détecté</td><td>Non détecté</td><td>4,25</td></tr><tr><td>Bore</td><td>26</td><td>0,24</td><td>0,24</td><td>0,64</td></tr><tr><td>pH</td><td>7,5</td><td>10,7</td><td>10,7</td><td>6,5-8,4</td></tr></tbody></table>

## Performances

Des taux de récupération de 90 à 99% peuvent être atteints. Elimination de silice et de bore à pH élevé.

## Données économiques

Les coûts d'investissement et de fonctionnement sont très dépendant de la qualité d'eau à traiter. La consommation d'énergie peut s'élever à 4,5 kWh/m³ perméat pour HERO™ avec 94 % de taux de conversion [57].

## Synthèse

<table><thead><tr><th colspan="4">Procédé d'osmose à pH élevé</th></tr></thead><tbody><tr><td>Points clés</td><td colspan="3">Adapté pour des concentrations en sels jusqu'à 25 g/L</td></tr><tr><td>Maturité</td><td>R & D / Brevet</td><td>Pilote Industriel</td><td>Unité Industrielle</td><td>Mature</td><td>TRL 8</td></tr><tr><td>Prétraitement</td><td colspan="4">Inclus dans le procédé<br/>Nécessite une pré-filtration pour éliminer les MES avant l'adoucissement à la chaux.</td></tr><tr><td>Produits chimiques</td><td colspan="4">soude, oxydant, coagulant, polymère, acide, anti-calcaire, tensioactif</td></tr><tr><td>Impact environnemental</td><td colspan="4">Production de boues difficilement valorisables</td></tr><tr><td>Avantages</td><td colspan="4">Applicable à une concentration élevée en silice<br/>Combinaison de technologies bien établies<br/>Récupération d'eau plus élevée que l'OI seule</td></tr><tr><td>Inconvénients et facteurs limitants</td><td colspan="4">Technologies brevetées<br/>Déchets générés par l'adoucissement à la chaux et l'échange d'ions<br/>Complexité du process nécessitant un personnel qualifié<br/>Coût d'investissement plus élevé que l'OI classique [1] en raison des prétraitements. Toutefois, pour les systèmes de plus de 11 m³/h, les coûts d'investissement sont d'environ 15% inférieurs en raison d'un debit supérieur sur les membranes permettant de réduire la surface membranaire [58]<br/>Consommation d'énergie et de produit chimique élevée [59]<br/>Procédé nouveau nécessitant des essais pilotes [59]</td></tr><tr><td>Fournisseurs</td><td colspan="4">Veolia, GE, Aquatech</td></tr></tbody></table>
### 3.2.2.3. Modules d'osmose inverse à membranes planes

#### 3.2.2.3.1. Membranes haute pression

Des fournisseurs ont développé des membranes planes capables de fonctionner à des pressions élevées (jusqu'à 150 bars) là où les modules en spirale ou tubulaires sont limités à 65 bar et 35 bar maximum [60]. Ces pressions élevées permettent d'augmenter le taux de concentration des effluents salins.

#### Principe

La configuration en modules plans (Figure 14) permet un plus large spectre d'application que les modules traditionnels à membrane spiralée ou tubulaire. Elle est en particulier plus résistante aux problèmes de colmatage et d'entartrage.

<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>Figure 14 : Principe de fonctionnement du module d'osmose inverse Disc-Tube® de PALL [60]</figcaption></figure>

Pall Corporation commercialise le module d'osmose inverse Disc-Tube®. Ce procédé breveté est conçu pour assurer une séparation de l'ensemble du spectre des polluants : de la matière en suspension aux plus petits ions, en passant par les colloïdes, les bactéries, les virus et la matière organique [60].

#### Domaines d'application et mise en œuvre

Les applications les plus courantes sont le traitement des lixiviats, le dessalement d'eau de mer, l'épuration des jus de fosse d'incinérateur et, de façon plus générale, les effluents industriels à indice de colmatage élevé. La grande diffusion de cette technique a permis de développer des standards dans une gamme allant de 2 à 1 000 m³/jour [60]. Plus de 200 unités fonctionnent avec cette technologie dans le monde, la plus importante traite 130 m³/h.

La concentration en TDS dans le rétentat peut atteindre des valeurs de 15 à 16% pour des concentrations en entrée de 2% à 13%. Le procédé résiste aux organiques jusqu'à des concentrations de 30 g/L en DCO selon Pall Corporation.

Aquatech commercialise le système AquaR2RO™ [61]. Ces membranes d'OI permettent de traiter des eaux complexes non traitables par un système conventionnel d'osmose. Il peut fonctionner avec des pressions jusqu'à 140 bars permettant d'atteindre un rétentat concentré à plus de 12% de TDS. Les membranes présentent une résistance élevée à l'entartrage et à l'encrassement lié à la présence de matière organique (DCO jusqu'à 2 g/L dans l'alimentation). Des turbidités supérieures à 10 NTU peuvent être acceptées en entrée. Aquatech présente cette technologie comme une alternative aux procédés d'évapo-concentration en amont des cristalliseurs [61]. Elle pourrait ainsi permettre de réduire les coûts de fonctionnement et d'investissement.
### Illustration de retours d'expérience [62]

Située dans la région Nord-Pas-de-Calais, la société Baudelet exploite l'installation de stockage de déchets de Blaringhem et ce, depuis l'autorisation préfectorale de 1976. La société dessert en priorité les secteurs de la Flandre et du Lys-Audomarois et reçoit une partie des déchets ménagers de la communauté Urbaine de Dunkerque ainsi que ceux de la communauté d'Agglomération de Saint Omer. Les lixiviats générés sur le site sont traités par le Disc-Tube®. Initialement de 120 m³/jour, la capacité totale de la station de traitement a été portée à 200 m³/jour avec la mise en place d'une seconde unité identique lors de l'extension de l'installation de stockage des déchets (Figure 15).

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>Figure 15 : Schéma de principe de l'unité de traitement des eaux de l'installation de stockage des déchets de la société Baudelet [62]</figcaption></figure>

Deux étages disposés en série-produit produisent un perméat dont la qualité permet d'aller au-delà des exigences de l'arrêté préfectoral (Tableau 11).

<table><caption>Tableau 11 : Performances de l'unité de traitement des lixiviats</caption><thead><tr><td>Paramètres</td><td>Entrée station</td><td>Sortie station</td><td>Rendement (%)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Conductivité (µS/cm)</td><td>10 000<br>(5,7 g/L éq. NaCl)</td><td>&lt; 50</td><td>&gt; 99,5</td></tr><tr><td>DCO (mg/L)</td><td>4 500</td><td>&lt; 30</td><td>&gt; 99,3</td></tr><tr><td>DBO<sub>5</sub> (mg/L)</td><td>350</td><td>&lt; 5</td><td>&gt; 99,5</td></tr><tr><td>Azote global (mg/L)</td><td>700</td><td>&lt; 5</td><td>&gt; 99,3</td></tr><tr><td>MES (mg/L)</td><td>125</td><td>0</td><td>100</td></tr></tbody></table>

Les concentrats issus de la filtration sont réinjectés dans les massifs de déchets via un réseau réalisé spécifiquement.

### Performances

Le taux de conversion est principalement dépendant de la qualité de l'effluent à traiter et en particulier de sa salinité.

Le Disc-Tube® utilisé en dessalement d'eau de mer permet de produire 5 m³/jour de perméat, par module, sous 60 bars de pression avec une conversion comprise entre 30 et 50 %. En traitement de lixiviat la moyenne est de 3 m³/jour et varie selon les conductivités. La conversion est de 75 % en moyenne pression (65 bar) et de 90 à 95 % en haute pression (120-150 bar) [60].
## Données économiques

La consommation d'énergie du Disc-Tube® dépend de la pression appliquée, elle peut être estimée entre 4 et 6 kWh/m³ distillat (65 bars) et 15 à 20 kWh/m³ distillat (120 bars) [63]. La consommation s'élève en moyenne à 6,5 kWh/m³ traité en lixiviat et 9,5 kWh/m³ traité en eau de mer [60].

La durée de vie moyenne des membranes est comprise entre 2 et 5 ans selon les conditions d'utilisation [60].

## Synthèse

<table><thead><tr><th colspan="4">Membranes haute pression</th></tr></thead><tbody><tr><th>Points clés</th><td colspan="3">Limite de 120 (AquaR2RO™) à 160 g/L (DT-RO) de sels dans le rétentat</td></tr><tr><th>Maturité</th><td>R & D /<br>Brevet</td><td>Pilote<br>Industriel</td><td>Unité<br>Industrielle</td><td>Mature</td><th>TRL 9</th></tr><tr><th>Prétraitement</th><td colspan="4">Adoucissement et filtration si besoin</td></tr><tr><th>Produits chimiques</th><td colspan="4">Anti-tartre, produits de lavage des membranes dont acide</td></tr><tr><th>Impact<br>environnemental</th><td colspan="4">Consommation d'énergie<br>Production d'un rétentat à éliminer</td></tr><tr><th>Avantages</th><td colspan="4">Possibilité de traiter des eaux plus chargées en sels et organiques qu'une osmose classique<br>Peut concurrencer le procédé d'évapo-concentration sur des effluents concentrés</td></tr><tr><th>Inconvénients et<br>facteurs limitants</th><td colspan="4">Consommations électriques supérieures à l'osmose inverse fonctionnant à plus basse pression mais inférieures à l'évapo-concentration</td></tr><tr><th>Fournisseurs</th><td colspan="4">Pall Corporation, Aquatech</td></tr></tbody></table>

Le procédé de filtration à membrane plane est aussi utilisé en combinée avec des oscillations pour limiter l'encrassement.

### 3.2.2.3.2. Filtration par membrane vibrante (VSEP) [64]

#### Principe

Le procédé VSEP évite l'encrassement des membranes grâce à la création d'intenses ondes vibratoires au niveau de la surface membranaire. Ce système est breveté par New Logic Research sous le nom de VSEP (Vibratory Shear Enhanced Processing). Le cisaillement ainsi généré limite le colmatage de la membrane et permet des taux de filtration élevés.

Ce système breveté est composé d'un moteur de puissance de 7 à 15 kW selon les versions entraînant une masse excentrée et une masse sismique transmettant les oscillations au module de filtration via le ressort de torsion (Figure 16).
<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>Figure 16 : Système de création des oscillations (gauche) et module de filtration membranaire complet (droite) [64]</figcaption></figure>

Le pack de membranes du VSEP se compose de disques avec des membranes de part et d'autre séparées par des joints étanches. Le fluide passant au travers les membranes est pratiquement stationnaire et se déplace avec de faibles vitesses successivement d'un disque à l'autre, décrivant une série de méandres à l'intérieur du module. Les membranes peuvent être de tous types, de l'osmose inverse à la microfiltration.

## Domaines d'application et mise en œuvre

Le procédé VSEP est mis en œuvre pour le traitement d'effluents difficiles tels que les lixiviats d'installation de stockage de déchets et les concentrats d'osmose. La plus importante unité en fonctionnement traite 3 785 m³/j. La concentration en éléments dissous dans le concentrat doit être limitée à 100 g/L.

## Application du procédé VSEP au Mexique [65]

L'installation de stockage des déchets d'El Bordo Poniente (Mexique) a été récemment fermée. Cette unité stockait les déchets de 9 millions d'habitants. Malgré cette fermeture, les lixiviats continuent d'être collectés et traités (Figure 17).

<figure><img src="image_22.png" /><figcaption>Figure 17 : Procédé VSEP sur l'installation de stockage d'El Bordo Poniente au Mexique [65]</figcaption></figure>

Le procédé de New Logic Research traite les lixiviats pompés depuis le bassin de rétention, à hauteur de 20 m³/jour. Le volume traité élevé s'explique par la capacité du système à ne pas s'encrasser grâce aux vibrations de la membrane même avec des eaux très chargées et sans prétraitement.
Le taux de conversion s'élève à plus de 80% avec des rendements de près de 98% pour la DCO et 84% sur les chlorures.

Les performances de la filière complète de traitement sont présentées ci-après :

<table><caption>Tableau 12 : Performances de traitement des lixiviats de l'installation de stockage de déchets d'El Bordo Poniente [65]</caption><thead><tr><td>Paramètres</td><td>Entrée</td><td>Sortie</td><td>Performances</td></tr></thead><tbody><tr><td>DCO</td><td>10 000 mg/L</td><td>17 mg/L</td><td>99,8%</td></tr><tr><td>TDS</td><td>26 000 mg/L</td><td>55 mg/L</td><td>99,8%</td></tr></tbody></table>

L'eau filtrée est collectée dans un réservoir puis subit un traitement d'affinage avec une membrane classique de type RO spiralée. Le fait d'utiliser deux types de membranes à osmose inverse augmente la qualité de l'eau en sortie avec des teneurs en contaminants en deçà des valeurs réglementaires.

Le concentrat est collecté et stocké dans un autre réservoir. Les différentes solutions de valorisation ou d'élimination sont encore à l'étude.

## Performances

En général, le système existe selon 2 configurations [66] :

<figure><img src="image_23.png" /></figure>

Le module standard, qui fonctionne avec une pression maximale de 38 bars environ et présente une limite de ~55 g/L TDS dans le concentrat,

<figure><img src="image_24.png" /></figure>

Le système haute pression, qui fonctionne avec une pression maximale de 69 bars environ correspondant à ~100 g/L TDS dans le concentrat.

Les 2 modules peuvent être utilisés en série.

## Données économiques

La consommation d'énergie de chaque module est liée principalement aux pompes d'alimentation et aux moteurs d'entraînement des vibrations.

La consommation d'énergie dépend du débit et de la salinité de l'effluent à traiter (Tableau 13).

<table><caption>Tableau 13 : Consommations d'énergie du système VSEP et taux de conversion obtenus [66]</caption><thead><tr><td>Débit m³/j</td><td>Effluent TDS g/L</td><td>VSEP system</td><td>Puissance installée kW</td><td>Taux de conversion</td><td>Consommation d'énergie kWh/m³ distillat</td></tr></thead><tbody><tr><td>100</td><td>10</td><td>2 modules standards suivis par un module haute pression</td><td>21</td><td>91%</td><td>5,5</td></tr><tr><td>100</td><td>50</td><td>2 modules haute pression</td><td>18</td><td>50%</td><td>8,6</td></tr><tr><td>1000</td><td>10</td><td>11 modules standards suivis par 4 modules haute pression</td><td>138</td><td>91%</td><td>3,6</td></tr><tr><td>1000</td><td>50</td><td>16 modules haute pression</td><td>166</td><td>50%</td><td>8,0</td></tr></tbody></table>

## Synthèse

<table><thead><tr><th colspan="2">VSEP</th></tr></thead><tbody><tr><td>Points clés</td><td>Salinité limite dans le concentrat:<br/>- 55 g/L (module standard)<br/>- 100 g/L (module haute pression)</td></tr><tr><td>Maturité</td><td>R & D / Brevet &nbsp;&nbsp;&nbsp; Pilote Industriel &nbsp;&nbsp;&nbsp; Unité Industrielle &nbsp;&nbsp;&nbsp; Mature &nbsp;&nbsp;&nbsp; TRL 9</td></tr><tr><td>Prétraitement</td><td>Prétraitement minimum par décantation, tamisage ou filtre à cartouche pour éliminer les MES et la matière organique [39]</td></tr><tr><td>Produits chimiques</td><td>Acide sulfurique et antitartre</td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><th colspan="2">VSEP</th></tr></thead><tbody><tr><td>Impact environnemental</td><td>Consommation d'énergie<br>Production d'un rétentat à éliminer</td></tr><tr><td>Avantages</td><td>Compacité<br>Réduction du colmatage<br>Faible consommation de produits chimiques<br>Débits de filtration élevés<br>Efficace pour le traitement d'effluents difficiles</td></tr><tr><td>Inconvénients et facteurs limitants</td><td>Technologie brevetée<br>En raison des forces de cisaillement, la durée de vie des membranes est plus courte que les membranes conventionnelles [39]<br>Coûts d'investissement élevés</td></tr><tr><td>Fournisseurs</td><td>New Logic Research, Inc. (Etats Unis)</td></tr></tbody></table>

### 3.2.3. Electrodialyse et Electrodialyse inverse

#### 3.2.3.1. <u>Principe</u>

L'électrodialyse (ED) est une technique de séparation des ions par des membranes ioniques sous l'effet d'un champ électrique. Une différence de potentiel continue est appliquée entre deux électrodes. Les cations se déplacent vers l'électrode négative (cathode) tandis que les anions se déplacent vers l'électrode positive (ou anode). Les membranes ioniques (également connues sous le nom de membranes échangeuses d'ions) disposées alternativement limitent la migration ionique. Les membranes cationiques sont perméables aux cations seulement alors que les membranes anioniques sont perméables aux anions.

Ces membranes définissent ainsi des compartiments dans lesquels l'eau à traiter est appauvrie ou enrichie en sels (Figure 18).

<figure><img src="image_25.png" /><figcaption>Figure 18 : Schéma de principe de l'électrodialyse</figcaption></figure>

Les particules non ionisées (en particulier les composés organiques), les colloïdes, micro-organismes, le bore, la silice quelle que soit sa forme reste dans l'eau traitée (perméat). Par conséquent, l'ED est particulièrement adapté pour séparer les espèces ionisées (sels) des espèces non ionisées (matière organique). Elle peut être plus efficace que les membranes à pression pour les eaux chargées en organiques ou silice.

L'électrodialyse à polarité inversée (EDR) est une amélioration du procédé d'électrodialyse. Pour éviter le risque d'entartrage, la polarité des électrodes est régulièrement inversée, par exemple 5 minutes toutes les 30 à 60 min, [38]. L'eau « produite » pendant la période d'inversion doit être rejetée.
L'EDR est prévue sur tous les postes d'électrodialyse moderne car elle simplifie le prétraitement au prix d'une complication significative de l'installation [38]:

* vannes automatiques d'évacuation pendant les phases d'inversion,

* électrodes devant toutes résister à la corrosion anodique.

### 3.2.3.2. Domaines d'application et mise en œuvre

L'ED n'est pas adaptée lorsque la concentration en sels est élevée en raison de l'augmentation des consommations d'énergie qui sont proportionnelles à la quantité de sels éliminée.

La concentration en sels appropriée pour l'application de l'électrolyse est de 1 à 5 g/L avec un maximum de 12 g/L [40]. Les coûts d'investissement et de fonctionnement de l'ED sont élevés aussi au-dessus de 10 g/L, l'électrodialyse est considérée comme non compétitive par rapport à l'osmose inverse. (Subramani et Jacangelo, 2014) considèrent une limite inférieure; l'ED/EDR serait intéressante pour des concentrations < 3 g/L (TDS) [49].

La concentration en DCO dans l'effluent à traiter doit être inférieure à 50 $mgO_2/L$ pour une mise en œuvre industrielle [67]. Certains travaux de recherches ont toutefois appliqué l'ED à des concentrations élevées de DCO à l'exemple de (Singlande, 2006) qui a dessalé un effluent contenant 8 g/L de DCO [7].

### 3.2.3.3. Performances

Le flux de retentat généré correspond à 10-20% de l'entrée. L'élimination des sels est généralement dans la gamme de 50-94% [40]. Une configuration avec recyclage ou en plusieurs passes peut être requise pour obtenir des performances élevées [18].

Généralement, il n'est pas recommandé de produire un perméat contenant moins de 200 mg/L de sels [18].

### 3.2.3.4. Données économiques

Le procédé d'ED/EDR utilise l'énergie électrique pour transférer les ions à travers les membranes et pour pomper l'eau à travers le système. Deux, ou parfois trois étages, de pompage sont généralement nécessaires [40]. En règle générale, il faut de 1 à 1,2 $kWh/m^3$ pour éliminer un kilogramme de sel [40], voire moins, 0,6 à 0,8 $kWh/kg$ sel [18]. Par conséquent, avec une eau contenant 12 g/L, la consommation d'énergie sera de 7 à 14,4 $kWh/m^3$.

(WssTP, 2012) indique une consommation comprise entre 5 et 20 $kWh/m^3$. Cette consommation peut être plus faible en fonction de la salinité de l'effluent [1] :

- 1,5 -2,6 $kWh/m^3$ d'eau épurée pour une concentration dans l'effluent de 1 à 2,5 g/L TDS [40]

- 3-4 $kWh/m^3$ pour le traitement d'eau saumâtre [68]. (Subramani et Jacangelo, 2014) indiquent par exemple une consommation de 3,9 $kWh/m^3$ pour traiter une eau contenant 7 g/L TDS [49].

- 7-8 $kWh/m^3$ pour le traitement d'un concentré d'OI issu du traitement d'eau saumâtre [49].

Des recherches sont encore nécessaires pour améliorer la perméabilité et la sélectivité des membranes et trouver de nouvelles façons d'éviter l'entartrage, comme des réactifs chimiques [69]

Une étude économique a été menée pour évaluer les coûts d'élimination du fluor par électrodialyse sur la base de données industrielles et économiques. Les coûts d'investissement et d'exploitation ont été estimés pour une installation industrielle d'une capacité de 2200 $m^3/j$. Le coût d'investissement a été estimé à 833 207 € soit 380 €/$m^3/j$ et le coût d'exploitation calculé s'élève à 0,15 €/$m^3$ [70].

### 3.2.3.5. Synthèse

<table><thead><tr><th colspan="2">Electrodialyse et Electrodialyse Inverse</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="4">Points clés</td><td>Adapté au Traitement d'effluents présentant une salinité de 1 à 5 g/L et au maximum 12 g/L</td></tr><tr><td>L'eau à traiter doit présenter une DCO &lt; 50 $mgO_2/L$ et une turbidité &lt; 0,5 NTU [67].</td></tr><tr><td>Consommation électrique de 1-10 $kWh/m^3$ dépendant de la salinité</td></tr><tr><td>N'élimine pas les espèces non ionisées (organiques, silice, bactéries)</td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><th colspan="4">Electrodialyse et Electrodialyse Inverse</th></tr><tr><th>Maturité</th><td>R & D / Brevet</td><td>Pilote Industriel</td><td>Unité Industrielle</td><td>Mature</td><td>TRL 9</td></tr></thead><tbody><tr><th>Prétraitement</th><td colspan="4">Le procédé ED doit être protégé contre l'encrassement des particules par un filtre à cartouche de 10 µm [40].<br>Le prétraitement nécessite l'élimination des substances générant de l'entartrage et de l'encrassement par filtration, ajustement du pH et addition d'antitartre [39].</td></tr><tr><th>Produits chimiques</th><td colspan="4">Antitartre et acide. Lavage périodique des membranes (acide, soude, EDTA, désinfectant ou détartrant [39].</td></tr><tr><th>Impact environnemental</th><td colspan="4">Le procédé est plus silencieux que d'autres procédés de traitement de sels ne fonctionnant pas avec des pompes à haute pression</td></tr><tr><th>Avantages</th><td colspan="4">Faible emprise au sol, mais nécessite une plus grande surface au sol que l'OI pour produire une quantité et une qualité similaires d'eau si plusieurs étages sont utilisés [40]<br>Nécessite une maintenance plus faible que l'OI en raison de la possibilité d'inverser la polarité des électrodes [40]<br>Peut tolérer des concentrations en organiques supérieures à celles de l'OI et peut de plus fonctionner avec des concentrations élevées en silice</td></tr><tr><th>Inconvénients et facteurs limitants</th><td colspan="4">L'un des inconvénients majeurs de l'utilisation de ED est le potentiel entartrant de sels faiblement solubles qui limitent les performances de l'ED [49]<br>Les performances de l'ED sont plus faibles que d'autres procédés membranaires (taux de concentration plus fiable, concentration en sels dans l'eau traitée plus élevée)<br>Nécessite un suivi élevé pour maintenir les performances de traitement</td></tr><tr><th>Fournisseurs</th><td colspan="4">GE Power and Water (Etats Unis), MEGA (Czech Republic), Eurodia (France), Tecnoimpanti (Italy), Orelis Environnement (France), Saltworks (Canada)</td></tr></tbody></table>

### 3.2.4. Electrodialyse par Métathèse

#### 3.2.4.1. Principe

Comme en EDR, l'EDM utilise un champ électrique comme force motrice pour séparer les ions de l'eau grâce à des membranes perméables aux ions. Chaque unité se répétant comprend quatre membranes et quatre compartiments, deux s'appauvrissant en ions alors que les deux autres se concentrent. Le schéma de principe du procédé est présenté en Figure 19.

<figure><img src="image_26.png" /><figcaption>Figure 19 : Principe de fonctionnement de l'électrodialyse par métathèse [71]</figcaption></figure>
Le procédé comprend les éléments suivants :

- une membrane échangeuse d'anions classique (A),

- une membrane échangeuse de cations classique (C),

- une membrane monovalente échangeuse d'anions (SA)

- une membrane monovalente échangeuse de cations (SC).

Le procédé nécessite l'introduction de NaCl dans un compartiment pour modifier des sels faiblement solubles (CaSO₄) en sels fortement solubles (CaCl₂ et Na₂SO₄). A 25°C, le Na₂SO₄ est 100 fois plus soluble que le CaSO₄. Ce fonctionnement permet d'empêcher la précipitation des sels divalents tout en produisant de l'eau purifiée.

Cette configuration permet de générer deux flux de sels concentrés et solubles, l'un contenant du sodium et des anions (Na₂SO₄, NaCl) et l'autre des chlorures et des cations (CaCl₂, MgCl₂, NaCl).

En conséquence, le procédé peut atteindre des niveaux de récupération d'eau nettement supérieurs à ceux d'un procédé classique d'osmose inverse ou d'électrodialyse [72].

Lorsque les flux fortement concentrés sont mélangés dans un réacteur agité, le CaSO₄ précipite et un surnageant riche en NaCl est produit. Le surnageant peut être ensuite retraité pour produire du NaCl purifié réutilisable dans le procédé EDM [73]. L'EDM est applicable au traitement de concentrats d'OI avec un potentiel d'entartrage élevé lié au CaSO₄ et au CaCO₃ [51].

### 3.2.4.2. Domaines d'application et mise en œuvre

Cette technologie est encore en cours de développement par Veolia sous le nom de ZDD™ (Zero Discharge Desalination). Il s'agit d'un procédé breveté par l'Université de la Californie du Sud [74]. La technologie ZDD a été testée aux Etats-Unis (dessalement d'eau souterraine à Alamogordo, au Nouveau-Mexique, deux sites dans le Colorado et deux sites en Californie). Des taux de conversion jusqu'à 98% ont été obtenus [73].

Aujourd'hui, aucune unité industrielle n'a été installée. Des essais pilote sont aujourd'hui réalisés dans le cadre du projet européen ZELDA (Zero Liquid Discharge Desalination).

#### Projet européen ZELDA [75]

Démarré en juillet 2013, le projet se termine en juillet 2017. Un pilote de 1 m³/h est développé et opéré sur deux sites espagnols pour tester le dessalement d'eau de mer et d'eaux saumâtres [71]. Une préfiltration à 5 µm est prévue en amont du pilote.

Le pilote est composé de quatre procédés correspondant aux quatre étapes de traitement (Figure 20).

<figure><img src="image_27.png" /><figcaption>Figure 20 : Diagramme de l'installation du projet ZELDA [75]</figcaption></figure>

Tout d'abord, le concentrat obtenu par osmose inverse passe par le procédé EDM où il est concentré sans précipitation de sels. Les concentrats sont mélangés formant ainsi une saumure concentrée qui est dirigée dans l'étage de purification. Dans ce procédé, des réactifs (chaux, dolomite, soude caustique, etc) sont ajoutés à la saumure pour une flocculation sous agitation. La boue est séparée de la saumure et purifiée dans un clarificateur.
La troisième étape consiste à concentrer la saumure dans un évaporateur d'une capacité de 50 L/h. Le taux de concentration obtenu dépend de la composition de la saumure.

La dernière étape consiste à sécher le sel dans deux bassins d'évaporation naturelle et intensive en parallèle. Ces bassins ont été conçus de manière à contrôler la température, l'humidité, la profondeur de saumure, l'isolation thermique du bassin, la condensation et le flux d'air. Tous ces paramètres sont gérés par informatique pour optimiser le séchage en fonction des conditions extérieures.

Les caractéristiques de ces différentes étapes de traitement sont présentées dans le Tableau 14.

<table><caption>Tableau 14 : Caractéristiques de l'installation du projet ZELDA [75]</caption><thead><tr><td>EDM</td><td>Purification</td><td>Concentration par évaporation</td><td>Séchage</td></tr></thead><tbody><tr><td><ul><li>Flux 1 m³/h</li><li>Membranes FUJIFILM</li><li>Energie consommée : 7 - 8 kWh/m³ d'eau épurée</li><li>Eau recyclée > 90%</li><li>Teneur en sel dans le concentrat > 100 g/L (TDS)</li><li>Pas d'entartrage</li></ul></td><td><ul><li>Cuve de réaction</li><li>Cuve de floculation</li><li>2 clarificateurs</li><li>Réservoir de stockage de la boue</li><li>Réservoir de stockage de la saumure purifiée</li></ul></td><td><ul><li>Flux 1 m³/h</li><li>Evaporateur à flot tombant ou circulation forcée fonctionnant sous vide</li></ul></td><td><ul><li>Capacité 7,3 m³</li><li>Performance d'évaporation intensive : 2 m³/m².an</li><li>Performance d'évaporation naturelle : 1,2 m³/m².an</li><li>Surface du bassin : 25 m²</li><li>Surface totale d'évaporation : 50 m²</li><li>Capacité totale d'évaporation : 80 m³.an</li></ul></td></tr></tbody></table>

La finalité de ce projet est de définir une filière permettant d'obtenir des sels commercialisables et une eau réutilisable ou pouvant être rejetée dans le milieu naturel.

Certains résultats sont aujourd'hui disponibles [76]. De septembre 2015 à décembre 2016, les performances de la filière ont été évaluées pour traiter le concentrat généré par le dessalement d'eau saumâtre. Au cours de cette période, les conditions optimales pour l'EDM (densité de courant et tension appliquée) ont été définies pour atteindre un facteur de concentration supérieur à 4 pour les ions multivalents dans les deux flux de concentré et une conductivité de 5 mS/cm pour les flux dilués permettant leur rejet. Une fois optimisé, l'EDM a permis de récupérer 80% de l'eau avec un facteur de concentration global de 4,6. La filière complète a permis de récupérer 90% de l'eau. Par m³ de saumure traitée, plusieurs sels ont été produits: environ 1,7 kg de Na₂SO₄ (pureté 95%), 2,7 kg de sels mélangés (Na₂SO₄ et NaCl), 6,3 kg de Mg(OH)₂ (95% de pureté) et 17 kg de NaCl (93% de pureté).

Une analyse du cycle de vie et des coûts est également lancée pour évaluer les aspects économiques et environnementaux du procédé. Les résultats devraient être disponibles sur le site du projet à l'adresse http://life-zelda.eu/en.

### 3.2.4.3. Performances

Pour les systèmes EDM, le taux de conversion n'est limité que par le sulfate de sodium. Puisque la silice n'est pas chargée dans des conditions de pH neutre, la silice ne pose pas de restrictions sur le taux de récupération d'eau. Elle passe à travers le système sans être concentrée [77].

Le taux de conversion diminue avec la concentration en sels à traiter [78] :

- 95 à 99% lorsque l'effluent présente une concentration en sels inférieure à 1,5 g/L,

- 76% lorsque pour une concentration en sels de 27,7 g/L.

### 3.2.4.4. Données économiques

La consommation d'énergie augmente avec la concentration en sels à traiter. Une concentration en TDS de 1 g/L dans l'effluent nécessite 1,9 kWh/m³ perméat alors qu'avec une salinité de 17,5 g/L la consommation sera de 21 kWh/m³ perméat [79]. Ces chiffres sont confirmés par (Subramani et Jacangelo, 2014) qui indiquent une consommation de 11,9 kWh/m³ (TDS 10 g/L) [49]. L'EDM concurrence les procédés thermiques en terme de consommation d'énergie pour les salinités <6 g/L, entre 6 et 15 g/L de procédés thermiques et l'EDM sont comparables alors que les procédés thermiques sont plus économiques (coût de traitement) au-delà [79].
L'achat de NaCl représente 40% du coût d'exploitation de l'EDM. Une réduction des coûts de 25-30% est possible si le NaCl est récupéré et purifié dans les concentrats [80].

La technologie nécessite une évaluation indépendante pour établir ou prouver ce qui suit [81]:

- Coûts du traitement, y compris l'élimination des matières solides,

- Robustesse du procédé sous différentes conditions d'alimentation et de fonctionnement,

- Paramètres de conception et d'exploitation pour optimiser la performance du process.

### 3.2.4.5. Synthèse

<table><thead><tr><th colspan="4">Electrodialyse par Métathèse</th></tr></thead><tbody><tr><td>Points clés</td><td colspan="3">Technologie en cours de développement<br>TDS &lt; 6 g/L (plus économique qu'un traitement thermique) et au maximum 15 g/L [79]</td></tr><tr><td>Maturité</td><td>R & D /<br>Brevet</td><td>Pilote<br>Industriel</td><td>Unité<br>Industrielle</td><td>Mature</td><td>TRL : 4-5</td></tr><tr><td>Prétraitement</td><td colspan="4">Dépendant de l'effluent à traiter, en présence de silice à des concentrations significatives, un traitement peut être mis en œuvre [72]</td></tr><tr><td>Produits chimiques</td><td colspan="4">NaCl</td></tr><tr><td>Impact<br>environnemental</td><td colspan="4">Possibilité de valoriser des sels et de l'eau</td></tr><tr><td>Avantages</td><td colspan="4">Efficace avec un concentrat avec une saturation élevée en sulfate de calcium<br>Moins cher que les procédés thermiques lorsque la salinité en entrée est &lt; 5 g/L (TDS)<br>Le potentiel d'encrassement de la membrane dû à la silice n'augmente pas au cours du processus</td></tr><tr><td>Inconvénients et<br>facteurs limitants</td><td colspan="4">Plus onéreux que les procédés thermiques pour une concentration en TDS en entrée &gt; 15 g/L [79]<br>Procédé en développement</td></tr><tr><td>Fournisseurs</td><td colspan="4">Technologie non commercialisée</td></tr></tbody></table>

### 3.2.5. Osmose Directe

#### 3.2.5.1. Principe

Cette technologie utilise similairement à l'OI une membrane sélectivement perméable avec un gradient de pression osmotique comme force de transfert à travers la membrane. Contrairement à l'OI, l'eau se déplace selon sa tendance naturelle, de la plus faible à la plus élevée pression osmotique par diffusion, sans apport d'énergie (Figure 21).

<figure><img src="image_28.png" /><figcaption>Figure 21 : Schéma de principe de l'OI et de l'OD [82]</figcaption></figure>
La membrane retient les ions et la plupart des matières organiques mais permet le passage de l'eau.
Une solution concentrée avec une pression osmotique significativement plus élevée que celle de l'eau
à traiter est placée du côté perméat de la membrane. Cette solution est généralement appelée agent
osmotique. L'eau est naturellement transportée à travers la membrane par osmose, ce qui entraîne une
dilution de l'agent osmotique.

Une large gamme d'agents osmotiques peut être utilisée. Ils doivent avoir des caractéristiques très spécifiques :

- une pression osmotique élevée,

- une toxicité faible voire nulle car des traces d'agent peuvent rester dans l'eau traitée,

- une compatibilité chimique avec la membrane pour ne pas la dégrader.

De plus les agents osmotiques doivent être facilement séparables de l'eau traitée et recyclables économiquement [83]. Le chlorure de sodium (NaCl) est souvent utilisé dans les études en raison de sa grande solubilité et de sa relative facilité à être séparé de l'eau douce permettant sa reconcentration et réutilisation [84]. Toutefois, le bénéfice de cette configuration par rapport à une OI classique peut être discuté.

Le procédé développé par Porifera utilise du NaCl ou MgCl₂ comme agent. Ils effectuent également des études avec du glycérol [85] qui est reconcentré en utilisant une boucle d'OI. La société Oasys utilise deux types d'agents : le NaCl et le carbonate d'ammonium régénéré thermiquement. Trevi System [86] utilise un polymère thermosensible. L'eau est séparée du polymère par chauffage à une température spécifique. Il passe ensuite à travers un échangeur de chaleur pour récupérer ses calories avant réutilisation. L'eau séparée du polymère passe aussi à travers un échangeur de chaleur puis une nanofiltration. Le perméat correspond à l'eau traitée.

L'absence d'un agent osmotique qui présente une pression osmotique élevée et peut être facilement régénéré est une barrière technique pour l'OD [87].

### 3.2.5.2. Domaines d'application et mise en œuvre

Contrairement au procédé d'OI, l'OD peut être utilisée pour traiter des effluents présentant une salinité élevée allant jusqu'à 100 g/L [49]. La concentration d'un effluent jusqu'à 200 g/L TDS (rejet) sans dégradation irréversible de la membrane a été démontrée [88]. Ce procédé présente d'autres avantages : faible potentiel à l'encrassement, faible consommation d'énergie (dépendant du procédé de régénération de l'agent), taux de rejet plus élevé que l'OI pour une large gamme de contaminants, COV inclus. Porifera affirme que son procédé d'OD peut être appliqué à des effluents dont la teneur en DCO est supérieure à 1 000 ppm, ce qui est trop élevé pour la technologie OI. La plage de pH est grande avec un champ d'application possible entre 2 et 11 et une stabilité chimique élevée [89].

Porifera a des références à l'échelle pilote pour différents clients aux États-Unis, en Europe et en Asie. A ce jour, aucune unité industrielle n'a été mise en service par Porifera.

Trevi System a installé plusieurs pilotes d'OD à travers le monde. La plus importante unité pilote traite 50 m³/j à Masdar aux Emirats Arabes Unis. D'autres unités pilotes sont présentes au Koweït (10 m³/j au Kuwait Institute Science and Research), Arabie Saoudite (10 m³/j), US Navy (10 m³/j) et Etats-Unis (100 m³/j à l'Orange County Water District) [86].

Modern Water a construit une première unité de 100 m³/j à Al Khaluf (Oman) en 2009 pour la production d'eau potable. Cela a été suivi par la construction d'une deuxième unité de dessalement de plus grande capacité, 200 m³/j (Photo 2), à Al Najdah (Oman). La société britannique s'est vu attribuée le contrat d'une valeur de 650 000 $ pour la construction et l'exploitation de cette usine en juin 2011 [90]. L'unité traite une eau de source présentant une salinité élevée de 55 g/L.
<figure><img src="image_29.png" /><figcaption>Photo 2 : Unité de distillation membranaire à Al Najdah [91]</figcaption></figure>

Modern Water a réalisé un comparatif des consommations énergétiques de l'OD et OI pour la production d'eau potable à partir d'eau de mer. Le procédé mettant en œuvre une OD (ou FO en anglais) permettrait d'économiser jusqu'à 30% d'énergie par rapport à l'OI. Pour le site d'Al Khaluf, le bénéfice de l'osmose directe serait de plus de 40% (Figure 22).

<figure><img src="image_30.png" /><figcaption>Figure 22 : Comparaison des consommations énergétiques de l'OD et de l'OI [92]</figcaption></figure>

Oasys est la société la plus avancée en OD avec le ClearFlo Membrane Brine Concentrator (MBCx)™. Aujourd'hui, 5 unités industrielles ont été construites (Tableau 15), la plus importante en terme de capacité traite 2 880 m³/j d'eau saline usée [93].

<table><caption>Tableau 15 : Références en OD de la société Oasys [94]</caption><thead><tr><td>Activité</td><td>Site (Pays)</td><td>Effluents</td><td>Flux à traiter m³/j</td><td>Données économiques</td><td>Bénéfice</td><td>Année</td></tr></thead><tbody><tr><td>Centrale à Charbon</td><td>Wangqu power station, (Chine)</td><td>Effluents issus de la désulfuration des gaz de combustion et des purges de la tour de refroidissement</td><td>288</td><td></td><td></td><td>2017</td></tr><tr><td>Usine pétrochimique de transformation du charbon en oléfines</td><td>Zhongtian Coal-To-Olefins (CTO) plant en Mongolie intérieure (Chine).</td><td>Effluents issus de la production</td><td>2 880</td><td></td><td></td><td>2017</td></tr><tr><td>Usine pétrochimique de transformation du charbon en oléfines</td><td>Yangmei Taihua CTX (Chine)</td><td>Effluents issus de la production</td><td>336</td><td></td><td></td><td>2017</td></tr><tr><td>Centrale à Charbon</td><td>Changxing Power Plant (Chine)</td><td>Effluents issus de la désulfuration des gaz de combustion et des purges de la tour de refroidissement</td><td>600</td><td>Energie : vapeur (régénération agent osmotique)</td><td>Réduction des prélèvements et rejets d'eau</td><td>2015</td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><td>Activité</td><td>Site (Pays)</td><td>Effluents</td><td>Flux à traiter m³/j</td><td>Données économiques</td><td>Bénéfice</td><td>Année</td></tr></thead><tbody><tr><td></td><td></td><td></td><td></td><td>90 kWh/m³ entrant</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pétrole / gaz</td><td>National Oilwell Varco Texas (Etats Unis)</td><td>Eau de production du bassin permien TDS dans la gamme de 72 à 125 g/L</td><td>630</td><td></td><td>Production d'une eau à 0,7 g/L TDS Taux de conversion de 60% Saumure réutilisable dans les champs à huile (TDS de 240 g/L)</td><td>2014</td></tr></tbody></table>

La filière de traitement mise en œuvre par la centrale thermique à charbon de Changxing est présentée dans la partie « retours d'expériences et études de cas » en 6.1.

### 3.2.5.3. Performances

Les forces motrices en OD peuvent être notablement plus élevées que les forces motrices hydrauliques en OI conduisant potentiellement à des flux d'eau plus élevés [83]. Des taux de conversion élevées peuvent alors être obtenus.

Les performances seraient similaires à la NF (>90%TDS) [39]. Les taux de conversion sont dépendants de l'effluent à traiter. L'unité d'Oasys au Texas présente un taux de conversion de 60% et celle de Modern Water à Al Khaluf présente un taux de conversion de 35% sur eau de mer. Les taux de conversion affichés par Oasys [95] pour l'unité de Changxing s'élèvent entre 80 et 87% pour un TDS de 40 g/L contre 87,5% pour un TDS de 25 g/L.

### 3.2.5.4. Données économiques

Ce procédé ne nécessite pas d'apport d'énergie important, comme il utilise un gradient de pression osmotique. Modern Water affirme que la consommation en énergie est typiquement jusqu'à 30% inférieure à celle de l'OI classique [82].

Porifera affirme que les coûts de l'OD sont aujourd'hui inférieurs à ceux des technologies thermiques et prochainement le couplage FO/RO sera moins onéreux que le couplage UF/RO. [89]. Selon Porifera, les estimations actuelles des clients indiquent qu'un système de concentration par OD serait environ 70% moins cher (en investissement, fonctionnement et énergie) qu'une solution basée sur l'évaporation pour une même salinité à traiter (TDS) [89].

Pour Trevi Systems [86], la consommation énergétique s'élève à 0,9 kWh/m³ perméat et 50 kWhth/m³ perméat. Ces consommations sont celles de l'unité de 50 m³/j à Ghantoot aux Emirats Arabes Unis. L'unité fonctionne sur de l'eau de mer présentant une salinité de 42 g/L. Le taux de conversion est alors de 35%. L'eau traitée présente une salinité inférieure à 50 ppm avec un concentrat qui peut présenter une concentration de 70 g/L.

Pour Oasys, la consommation d'énergie classique est dans la gamme de 60 – 100 kWhth/m³ d'eau à traiter dépendant de nombreux facteurs dont la concentration en sel en entrée [95].
### 3.2.5.5. Synthèse

<table><thead><tr><th colspan="4">Osmose Directe</th></tr></thead><tbody><tr><td>Points clés</td><td colspan="3">0,5 à 130 voire 150 g/L (TDS) en entrée et limité à 280 g/L dans le concentrat<br/>Peu de retours d'expérience à l'échelle industrielle</td></tr><tr><td>Maturité</td><td>R & D /<br/>Brevet</td><td>Pilote<br/>Industriel</td><td>Unité<br/>Industrielle</td><td>Mature</td><td>TRL 7<br/>(4 unités)</td></tr><tr><td>Prétraitement</td><td colspan="4">Filtre multimédia, filtre à cartouche, ultrafiltration [86]<br/>Dans certains cas, adoucissement, filtration (100 µm) et acidification.<br/>La dureté et la silice doivent être maintenues en dessous de leur limite de saturation dans<br/>le concentrat de FO. Par conséquent, un prétraitement de ces constituants est souvent<br/>requis [93].</td></tr><tr><td>Produits chimiques</td><td colspan="4">Agent osmotique<br/>Si un système d'OI est utilisé comme étape de préconcentration en entrée de la FO, un<br/>antitartre peut être nécessaire. Ce n'est généralement pas le cas [93].</td></tr><tr><td>Impact<br/>environnemental</td><td colspan="4">Consommations énergétiques</td></tr><tr><td>Avantages</td><td colspan="4">Plus robuste que l'OI, Jusqu'à 1 g/L de DCO acceptable en entrée [93]<br/>Limites élevées en sels et en organique</td></tr><tr><td>Inconvénients et<br/>facteurs limitants</td><td colspan="4">Encore en développement, peut nécessiter un post-traitement du distillat par OI</td></tr><tr><td>Fournisseurs</td><td colspan="4">Modern Water (Royaume-Uni), Oasys (Etats-Unis), Porifera (Etats-Unis)<br/>Trevi System (Etats-Unis), Ederna</td></tr></tbody></table>

### 3.2.6. Distillation membranaire

#### 3.2.6.1. Principe

La distillation membranaire est un procédé hybride couplant la distillation et la filtration membranaire (Figure 23).

Une source de chaleur est nécessaire pour augmenter la température de l'eau à traiter. Un flux, plus froid que l'alimentation, est maintenu en contact direct avec le côté perméat de la membrane. Dans ce cas, la différence de température transmembranaire induit une différence de pression de vapeur, qui est la force motrice du procédé. Cette différence de pression provoque une évaporation de l'eau à traiter. La vapeur d'eau générée est transportée à travers la membrane hydrophobe poreuse via le gradient de température à travers la membrane. Cette membrane empêche le passage des solides et des liquides, mais permet le passage des gaz. Ensuite, les composés volatils et l'eau évaporée sont recondensés côté perméat à l'interface liquide/vapeur.

<figure><img src="image_31.png" /><figcaption>Figure 23 : Principe de fonctionnement de la distillation membranaire [96]</figcaption></figure>
La température de l'eau à traiter est inférieure à son point d'ébullition, elle est généralement dans la gamme de 35 à 85°C [97]. Le procédé nécessite à la fois de l'énergie thermique (source principale) et électrique (source secondaire) avec une utilisation possible de chaleur à faible température (solaire ou industrielle).

La distillation membranaire peut être mise en œuvre selon différentes configurations [98]:

- **Distillation par membrane à contact direct (Direct Contact Membrane Distillation - DCMD)** : la membrane est en contact direct avec les phases liquides. C'est la configuration la plus simple capable de traiter un flux de liquide relativement élevé. Ce système convient mieux pour des applications telles que le dessalement et la concentration de solutions aqueuses,

- **Distillation membranaire à intervalle gazeux (Air Gap Membrane Distillation - AGMD)** : une lame d'air est interposée entre la membrane et la surface de condensation. Cette configuration présente le rendement énergétique le plus élevé, mais le flux obtenu est généralement faible,

- **Distillation membranaire sous vide (Vacuum Membrane Distillation - VMD)** : une pression réduite est appliquée du côté perméat. La condensation des vapeurs se fait à l'extérieur de la membrane via un condenseur. Cette configuration est utile en présence de substances volatiles dans l'effluent à traiter. Elle présente de plus l'avantage de produire des flux de perméat plus importants que les autres configurations [99],

- **Distillation membranaire à entrainement gazeux (Sweeping Gas Membrane Distillation - SGMD)** : un gaz froid inerte entraine la vapeur produite côté perméat jusqu'au module de condensation placé à l'extérieur de la membrane. Ce système est utilisé lorsque des substances volatiles sont éliminées de l'effluent à traiter.

### 3.2.6.2. Domaines d'application et mise en œuvre

La distillation membranaire peut être appliquée pour des salinités élevées jusqu'à 220 g/L sels ou 80% de la saturation [100]. Elle présente une bonne résistance à la présence d'organiques et peut accepter jusqu'à 100 ppm d'hydrocarbures et de tensioactifs [100].

Le procédé modulaire peut être appliqué pour de larges gammes de débits.

La distillation membranaire a été appliquée pour le traitement de concentrats d'OI avec des taux de conversion proches de 90%, car les performances du procédé ne sont que faiblement impactées par les phénomènes de polarisation de concentration, de sorte que des concentrations élevées (jusqu'à saturation) peuvent être traitées [77].

La société TNO avec son procédé Memstill® a testé la distillation membranaire sur de l'eau de mer avec des essais sur deux pilotes de 1 m³/h [101].

La société la plus avancée dans le développement de la distillation membranaire est Memsys. La technologie est basée sur la distillation membranaire sous vide à multiples effets dans un concept modulaire "memDist" [102]. Memsys se concentre actuellement sur le ZLD industriel (comme la concentration d'acides usés et les rétentats d'osmose inverse) et les petites unités de dessalement utilisant de la chaleur perdue. Actuellement, 4 projets industriels sont en cours pour du ZLD en Chine et 2 autres unités en lien avec du dessalement d'eau de mer sont en service ou en cours de mise en service (Tableau 16).

<table><caption>Tableau 16 : Références de Memsys dans le monde [103], [104]</caption><thead><tr><td>Site (Pays)</td><td>Effluents</td><td>Flux à traiter</td><td>Données économiques</td><td>Bénéfice</td><td>Devenir du concentrat</td><td>Année</td></tr></thead><tbody><tr><td>Senoko power plant Singapour</td><td>Eau de mer</td><td>50 t/j</td><td></td><td>Utilisation de chaleur fatale</td><td>Mélangé avec l'eau de refroidissement</td><td>2012</td></tr><tr><td>Beijing China Science Resources and Environment Technology Company Ltd. (CSRE)</td><td rowspan="2">Effluents acides (FeCl<sub>3</sub> and HCl, pH &lt; 1),</td><td rowspan="2">50 t/j</td><td rowspan="2">2 effets, 200 m<sup>2</sup> surface membranaire</td><td>2 phases: 1/ Concentrat à 40 % de FeCl<sub>3</sub></td><td rowspan="2">Produit final</td><td rowspan="2">Février 2016</td></tr><tr><td>Shangdong province (Chine)</td><td>2/ Concentrat à plus de 55% de FeCl<sub>3</sub> et solidification naturelle</td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><td>Site (Pays)</td><td>Effluents</td><td>Flux à traiter</td><td>Données économiques</td><td>Bénéfice</td><td>Devenir du concentrat</td><td>Année</td></tr></thead><tbody><tr><td>Beijing China Science Resources and Environment Technology Company Ltd. (CSRE)<br>Shanghai (Chine)</td><td>Effluents acides (H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub> + HNO<sub>3</sub> + H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>, pH &lt; 1),</td><td>86 t/j</td><td>4 effets, ~ 500 m<sup>2</sup> surface membranaire</td><td>85 t/j de distillat recyclé et ~1 t/j concentrat &gt;40% acide</td><td>Réutilisé ou vendu en tant que produit</td><td>Février. 2017</td></tr><tr><td>Beijing China Science Resources and Environment Technology Company Ltd. (CSRE)<br>Chengdu, Sichuan province (Chine)</td><td>Eaux usées de l'agroalimentaire contenant du NH<sub>4</sub>Cl</td><td>Le NH<sub>4</sub>Cl sera concentré de 8% à 25%</td><td>6 effets, ~ 200 m<sup>2</sup> surface membranaire</td><td>20 t/j eau recyclée</td><td>Vendu en tant que produit</td><td>Février 2017</td></tr><tr><td>Beijing China Science Resources and Environment Technology Company Ltd. (CSRE) (Collaborating with DaTang Group)<br>Beijing (Chine)</td><td>Effluents issus de la désulfuration des gaz de combustion (FGD<sup>3</sup>)</td><td>5~10 t/j</td><td>2 effets, 50 m<sup>2</sup> surface membranaire</td><td>Evalue la concentration limite en vue d'un ZLD</td><td>Cristallisation pour atteindre un ZLD</td><td>Janvier 2017</td></tr><tr><td>ABENGOA<br>Abu Dhabi (Emiras Arabes Unis)</td><td>Concentrats d'Osmose Inverse issus du dessalement d'eau de mer</td><td>120 t/j</td><td></td><td></td><td>Rejet en mer</td><td>2017</td></tr></tbody></table>

En Chine (province de Shangdong), une industrie de production de pièces d'acier revêtues de zinc génère des quantités considérables d'eaux usées acides avec une forte concentration d'ions métalliques. Les modules de distillation membranaire de Memsys sont utilisés pour la récupération de produits de valeur et la réduction de volume depuis début 2016. L'unité concentre les solutions hautement corrosives (FeCl<sub>3</sub>). Le système appliqué comprend quatre modules fonctionnement en parallèle avec une surface de membrane totale d'environ 200 m<sup>2</sup> (Photo 3).

<figure><img src="image_32.png" /><figcaption>Photo 3 : Unité de distillation membranaire Memsys [105]</figcaption></figure>

### 3.2.6.3. Performances

La distillation membranaire est commercialement disponible et permet de produire un distillat de très bonne qualité, les rendements sur les sels peuvent atteindre 99 à 100% dans la plupart des cas [69]. Une salinité de 2 à 10 mg/L peut être attendue pour le perméat [39].

Le taux de conversion dépend de la salinité en entrée, il peut être supérieur à 70% pour une concentration de 80 g/L alors qu'il ne sera que de 50% pour une concentration de 125 g/L [100].

Il existe un autre défi majeur pour la DM appliquée au traitement des eaux usées. Les flux à traiter peuvent contenir de nombreux produits chimiques qui pourraient potentiellement conduire à un encrassement de la surface de la membrane et à un mouillage des pores de la membrane. Ceci est dû au fait que le dépôt de ces contaminants sur la surface de la membrane pourrait rendre la membrane moins hydrophobe et conduire à un mouillage des pores et donc à une réduction du flux traité [106].

<footnote n="3">³ Flue gas desulfurization
Etude RECORD n°16-0248/1A</footnote>
### 3.2.6.4. Données économiques

Memsys pour son procédé de distillation membranaire sous vide à multiples effets affiche les consommations d'énergie suivantes [107] :

- Thermique de 175-350 kWh/m³ distillat,

- Electrique de 0,75-1,75 kWh/m³ distillat.

Cette consommation est dépendante de la taille et du design du système. La consommation d'énergie thermique sera plus élevée pour les applications ZLD, mais plus faible pour les procédés de dessalement d'eau de mer pour lesquels le nombre d'effets peut être augmenté pour économiser de l'énergie.

### 3.2.6.5. Synthèse

<table><thead><tr><th colspan="4">Distillation membranaire</th></tr></thead><tbody><tr><td>Points clés</td><td colspan="3">Salinité en entrée jusqu'à 220 g/L<br/>Peu de retours d'expérience à l'échelle industrielle</td></tr><tr><td>Maturité</td><td>R & D /<br/>Brevet</td><td>Pilote<br/>Industriel</td><td>Unité<br/>Industrielle</td><td>Mature</td><td>TRL 7</td></tr><tr><td>Prétraitement</td><td colspan="3">Prétraitements peu exigeants<br/>Filtration à 20 µm [100]</td></tr><tr><td>Produits chimiques</td><td colspan="3">Elimination de tous les constituants qui peuvent mouiller les pores hydrophobes, microporeuses de la membrane pour une performance efficace [39]</td></tr><tr><td>Impact<br/>environnemental</td><td colspan="3">Consommation d'énergie</td></tr><tr><td>Avantages</td><td colspan="3">Limites élevées en sels pour l'eau à traiter,<br/>Performances peu liées à la qualité de l'eau à traiter<br/>Procédé qui fonctionne à la pression atmosphérique<br/>Possibilité d'utiliser de la chaleur à basse température</td></tr><tr><td>Inconvénients et<br/>facteurs limitants</td><td colspan="3">Consommation d'énergie élevée,<br/>Technologie encore en développement avec peu de retours d'expérience<br/>Des composés volatils peuvent passer à travers la membrane à l'exemple de l'ammoniaque</td></tr><tr><td>Fournisseurs</td><td colspan="3">Memsys Water Technologies GmbH, TNO (Memstill®), Xzero, Scarab Development<br/>AB, Fraunhofer, Solarspring</td></tr></tbody></table>

## 3.3. Procédés thermiques

Les procédés thermiques de type évaporation et cristallisation sont largement utilisés dans le traitement des effluents industriels en particulier en présence de sels. D'autres procédés moins connus de type humidification-déshumidification ou Dyvar se développent. Ces procédés actuels ou émergents sont présentés ci-après.

### 3.3.1. Evaporation naturelle accélérée

#### 3.3.1.1. Principe

L'évaporation naturelle accélérée permet d'augmenter le taux d'évaporation naturelle d'un effluent soumis à des conditions météorologiques locales.
### 3.3.1.2. Domaines d'application et mise en œuvre

#### Procédé Nucléos

La technologie brevetée Nucléos est commercialisée par deux sociétés : Aeroe pour les effluents industriels et Irrigaronne pour les effluents vinicoles. L'effluent est projeté au moyen d'asperseurs sur une maille en polyéthylène haute densité pour augmenter la surface d'échange air-eau. L'effluent s'évapore en partie et retourne dans le bassin de stockage pour être à nouveau projeté sur la maille jusqu'à atteindre le taux d'évaporation désiré. Le volume du bassin de stockage correspond généralement à 30 à 50% du volume d'effluent à traiter annuellement.

Le procédé peut être mis en œuvre dans des modules à ciels ouverts ou des modules fermés (Photo 4). Les modules fermés sont équipés d'un ventilateur et peuvent recevoir des échangeurs de chaleur permettant de valoriser une source de chaleur fatale pour augmenter la vitesse d'évaporation des modules.

Ce système est principalement appliqué dans le domaine des effluents vinicoles et des lixiviats.

<figure><img src="image_33.png" /><figcaption>20 panneaux HBS08 vue avant</figcaption></figure>

<figure><img src="image_34.png" /><figcaption>Traitement de lixiviat : 2 modules DHC08 connectés à une chaudière biogaz</figcaption></figure>

**Photo 4 :** Modules d'évaporation Nucléos à ciel ouvert (gauche) et modules fermés (droite) [108]

La capacité de traitement est dépendante des conditions climatiques (température ambiante et humidité de l'air) et de la salinité de l'effluent. Ainsi un panneau HBS08 permettra d'évaperer 400 m³/an dans le sud de la France (Avignon) contre 180 m³/an dans le nord de la France (Reims). En présence de sels, les débits évaporés seront diminués.

#### Procédé WAIV™

Lesico CleanTech commercialise le procédé WAIV™ (Wind Aided Intensified eVaporation). La puissance motrice du vent est utilisée pour intensifier le processus d'évaporation d'un facteur de 15 à 20 par rapport à un bassin d'évaporation naturelle [109]. L'effluent ruisselle sur des surfaces verticales soumises au passage du vent.

Ce procédé peut aller pour certaines applications jusqu'à la cristallisation pour la valorisation de sels à valeur ajoutée.
<figure><img src="image_35.png" /></figure>

<figure><img src="image_36.png" /><figcaption>Photo 5 : WAIV™ unité pilote avec cristallisation de sels – Israël [109]</figcaption></figure>

### 3.3.1.3. Performances

L'eau évaporée n'est pas recondensée ce qui peut être un avantage pour les sites qui ne disposent pas d'un exutoire pour le rejet des eaux traitées.

### 3.3.1.4. Données économiques (procédé Nucléos) [110]

Le traitement d'un effluent salin à 150 g/L et au débit de 18 000 m³/an nécessite dans la région d'Avignon 28 panneaux HBS08. Ces panneaux permettront d'évaporer 7 600 m³/an environ.
Le concentrat à éliminer hors site ou à sécher en bassin d'évaporation représentera environ 10 400 m³/an.

Les postes nécessaires à ce projet consistent en :

1. Fourniture et mise en place de 28 panneaux HBS08 comprenant chacun
   8 m² de pains de maille PEHD renforcés
   4 asperseurs
   Un cadre polyester
   Une tuyauterie d'aspersion avec supports

2. Fourniture et mise en place d'une station de pompage de l'effluent permettant le transfert depuis la lagune tampon directement sur les panneaux, la tuyauterie d'aspiration avec crépine et la tuyauterie de refoulement. Cette tuyauterie de refoulement en PEHD.

3. Fourniture et mise en place d'un compresseur d'air,

4. Fourniture et mise en place d'une armoire électrique d'automatisme et de sécurité,

5. Fourniture d'une pompe de secours : les pompes équipant l'installation sont toutes identiques.

Le coût des unités est de 410 000 € HT. Ce prix comprend le matériel livré, monté et mis en service sur la base de février 2017. Il n'intègre pas le génie civil, la lagune tampon, l'alimentation électrique de l'installation, la réception par un organisme officiel et l'alimentation en eau propre du site.

Les coûts de fonctionnement sont présentés ci-après :

<table><caption>Tableau 17 : Coûts de fonctionnement du procédé Nucléos (28 panneaux HBS08) [110]</caption><thead><tr><td>Postes</td><td>Description</td><td>Coût € H.T./an</td></tr></thead><tbody><tr><td>Pompes de transfert</td><td>3 pompes identiques (plus une de secours) d'une puissance de 2,5 kW (puissance absorbée) chacune</td><td>3 000</td></tr><tr><td>Réactifs</td><td>Un nettoyage de la surface d'échange est nécessaire. Cette fonction est gérée automatiquement par l'armoire électrique et par l'injection d'un biocide dans chaque lot d'effluent à traiter à raison de 0,2%.</td><td>15 000</td></tr><tr><td>Main d'œuvre</td><td>L'installation ne nécessite pas de main d'œuvre qualifiée. Une fois par semaine une visite de l'ensemble de l'installation pour contrôle du bon fonctionnement des pompes, vannes et présence de bactéricide dans les bidons. Un nettoyage complet de l'installation tous les six mois.</td><td>3 000</td></tr><tr><td>Elimination concentrat</td><td>A définir, dépendant de la filière de traitement</td><td>?</td></tr></tbody></table>
Le coût au m³ traité s'élève dans ce cas à 1,2 €/m³ hors coût d'élimination du concentrat.

### 3.3.1.5. Synthèse

<table><thead><tr><th colspan="4">Evaporation naturelle accélérée</th></tr></thead><tbody><tr><td>Points clés</td><td colspan="3">Limité à 10 000 à 12 000 m³/an [110].</td></tr><tr><td>Maturité</td><td>R & D /<br>Brevet</td><td>Pilote<br>Industriel</td><td>Unité<br>Industrielle</td><td>Mature</td><td>TRL 9<br>Nucléos</td></tr><tr><td colspan="6">Le procédé WAIV™ présente une maturité plus faible que le procédé Nucléos. Son TRL est évalué à 7.</td></tr><tr><td>Prétraitement</td><td colspan="4">Filtration si nécessaire.<br>Aération du stockage amont pour diminuer la teneur en matières organiques par dégradation biologique. Les eaux usées sont ensuite pompées vers la surface du stockage de façon à ne pas recueillir de boues [110].</td></tr><tr><td>Produits chimiques</td><td colspan="4">Produit désinfectant (à base d'acide péracetique et de peroxyde d'hydrogène) pour le nettoyage des surfaces d'échange.</td></tr><tr><td>Impact<br>environnemental</td><td colspan="4">L'effluent ne doit pas contenir de produits volatils qui peuvent être transféré à l'atmosphère<br>Ne permet pas de valoriser l'eau.</td></tr><tr><td>Avantages</td><td colspan="4">Faibles coûts d'investissement et d'exploitation (faible consommation d'énergie).<br>Aucune opération complexe : ne nécessite pas de personnel qualifié<br>Technologie modulaire et évolutives.<br>L'absence de génération d'eau peut être un avantage pour les sites qui ne disposent pas d'exutoire.</td></tr><tr><td>Inconvénients et<br>facteurs limitants</td><td colspan="4">Les taux d'évaporation sont très dépendant des conditions climatiques.<br>Les taux d'évaporation peuvent être augmentés si une source d'énergie fatale est valorisable (biogaz pour le traitement des lixiviats avec le système de ventilation mécanique Nucléos).<br>Les produits organiques limitent l'applicabilité de la technologie (DCO &lt;20 g/L et DBO/DCO &lt;0,3) [110].<br>Problèmes potentiels de maintenance avec l'augmentation de la concentration en sels.</td></tr><tr><td>Fournisseurs</td><td colspan="4">Aeroe (Nucléos), Lesico CleanTech (WAIV™)</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_37.png" /></figure>

### 3.3.2. Humidification-déshumidification

L'humidification-déshumidification est un procédé d'évaporation à pression atmosphérique qui met en œuvre des unités entièrement plastique divisées en deux compartiments, l'un pour l'évaporation et l'autre pour la condensation.

Ce procédé est commercialisé aux Etats-Unis par Altela Inc et au Canada par SaltWorks avec le procédé SaltMaker™. Ce dernier permettrait d'aller jusqu'à la cristallisation des sels. En France, TMW a développé la technologie brevetée MHD (multi humidification-déshumidification) sous le nom Ecostill™. Ce procédé est présenté ci-après.

#### 3.3.2.1. Principe

Le procédé MHD s'inspire du cycle naturel de l'eau. La Figure 24 permet de présenter le principe de fonctionnement du procédé. L'effluent à traiter est préchauffé à 75°C au contact de l'air chaud dans le condenseur sans apport d'énergie extérieure. Une chaudière en tête de colonne augmente ensuite la température de l'effluent de 10°C avant son entrée dans l'évaporateur. L'effluent est alors réparti sur le garnissage qui optimise la surface de contact entre l'air et l'eau. L'air injecté via un ventilateur en bas de la colonne circule à contre-courant de l'effluent. Celui-ci va alors se réchauffer et se charger à 100% en humidité. L'eau contenue dans l'air humide saturé se condense alors sur les parois des échangeurs en apportant la chaleur nécessaire au préchauffage de l'effluent avant son entrée dans la chaudière (partie condenseur).

L'effluent non évaporé est recirculé dans l'unité jusqu'à atteindre le taux de concentration désiré. L'extraction du concentrat permet de régler ce taux de concentration conformément au seuil défini par TMW au niveau des essais laboratoire.
<figure><img src="image_38.png" /><figcaption>Figure 24 : Principe de fonctionnement de l'évaporation par humidification-déshumidification [111]</figcaption></figure>

### 3.3.2.2. Domaines d'application et mise en œuvre

TMW se positionne sur des gammes de débits allants de 1 à 100 m³/j avec des modules de capacité unitaire de 2 à 18 m³/j. A ce jour, la plus importante unité en service traite 18 m³/j.

La technologie peut être appliquée sur tous types d'effluents ne présentant pas ou peu de composés volatils. TMW a aujourd'hui installé une vingtaine d'unités. Le secteur du traitement de surface (bains de traitement, huiles solubles, bains de rinçage) est bien représenté dans ces retours d'expérience. Les lixiviats, concentrats membranaires, effluents de la chimie ou du monde pétrolier sont le cœur de cible de la technologie.

La limite de concentration de l'effluent correspond au seuil de cristallisation des composés présents. Le domaine d'application à considérer pour la salinité s'établit entre 0 et 180 g/L. Le procédé n'est cependant pas concurrentiel pour des effluents peu chargés (en sels ou organiques) qui peuvent être traités par filtration membranaire.

La technologie est peu exigeante en terme de prétraitement, une filtration (filtre poche, filtre à déroulement de média) est nécessaire pour prévenir le colmatage des modules. Des prétraitements spécifiques peuvent être mis en œuvre en fonction de la qualité de l'effluent à traiter et en particulier en présence d'huile.

Compte tenu des matériaux mis en œuvre, entièrement en plastique, le procédé est particulièrement résistant à la corrosion et ne nécessite généralement pas de neutralisation en entrée.

### Illustration d'un retour d'expérience : usine de production de résine epoxy

TMW a étudié la faisabilité de traiter les effluents d'une usine de production de résine epoxy générant 200 m³/j d'un flux salé à 210 g/L.

Des essais laboratoire ont été réalisés par TMW pour évaluer la faisabilité de traiter ces effluents. Les résultats sont présentés ci-après.
<table><caption>Tableau 18 : Résultats des essais laboratoire de traitement d'effluent de résine epoxy par MHD</caption><thead><tr><th></th><th>Effluent brut</th><th>Distillat</th></tr></thead><tbody><tr><td>pH</td><td>10</td><td>6,4</td></tr><tr><td>Conductivité (µS/cm)</td><td>180 000</td><td>&lt; 15</td></tr><tr><td>Chlorures (mg/L)</td><td>110 000</td><td rowspan="5">Non mesuré</td></tr><tr><td>Sodium (mg/L)</td><td>68 000</td></tr><tr><td>Sulfates (mg/L)</td><td>180</td></tr><tr><td>Calcium (mg/L)</td><td>&lt; 10</td></tr><tr><td>DCO (mg/L)</td><td>23 200</td></tr></tbody></table>

Le facteur de concentration volumique mesuré est de 1,7 avec un rendement de 94% sur la DCO et 99,9% sur la salinité.

TMW recommande la réalisation d'essais pilote pour confirmer ces résultats sur site avec les conditions climatiques réelles.

Le traitement de ces effluents nécessiterait 6 unités Ecostill™ 18000. Les unités Ecostill sont « plug and play » ce qui leur permet d'être facilement adaptables dans l'usine. Les modules nécessiteront un raccordement au réseau électrique, à la tuyauterie d'arrivée de l'effluent, de sortie du distillat et du concentrat, une dalle en béton et les cuves de stockage.

Les unités Ecostill 18000 sont livrées dans des containers et occupent une surface de 50 m²/unité. Chaque unité est équipée de 9 modules d'évaporation élémentaire, un filtre à déroulement de papier, des doseurs de réactifs (coagulant, rinçage, chloration, antimoussant, etc), un conductimètre en sortie du distillat, etc. Un automate gère le pilotage des unités qui peuvent être suivies à distance.

Le facteur de concentration attendu est estimé entre 1,5 et 2 en fonction de la salinité de l'effluent. Le distillat obtenu est traité en station d'épuration et la saumure concentrée à 350 g/L (limite de solubilité) est envoyée dans un bassin d'évaporation solaire. Le chlorure de sodium est produit à hauteur de 30 m³/j.

Avant l'installation, des essais doivent être réalisés *in situ* à l'aide de pilotes pour valider les performances en conditions réelles et établir le dimensionnement définitif. Les risques d'encrassement des unités seront également évalués.

Les coûts d'investissement et de maintenance sont présentés ci-après [112]:

<table><caption>Tableau 19 : Coûts d'investissement et de fonctionnement du procédé MHD appliqué au traitement d'effluent de résine epoxy</caption><thead><tr><th></th><th>Prix</th><th>Remarques</th></tr></thead><tbody><tr><td>Investissement</td><td>2 890 K€</td><td>6 unités Ecostill 18000</td></tr><tr><td>Maintenance</td><td>144 K€/an</td><td>Hors coût de main d'œuvre</td></tr></tbody></table>

Les prix indiqués sont calculés au départ de l'usine française. Les taxes d'importation ne sont pas incluses. Les équipements proposés sont aux normes européennes

### 3.3.2.3. Performances [112]

Le procédé d'évaporation ne permet pas de condenser l'intégralité de l'eau, des pertes de l'ordre de 5 à 15% sont constatées. Ces pertes peuvent être supprimées en ajoutant une PAC qui permet de récupérer les calories de l'air chaud réduisant ainsi les consommations d'énergie.

L'eau traitée est de très bonne qualité, comme tous les procédés d'évaporation, ce qui permet sa réutilisation.
### 3.3.2.4. Données économiques [112]

La consommation énergétique de ce procédé est de l'ordre de 140 kWh/m³ d'effluent entrant pouvant être abaissée à 50 kWh/m³ d'effluent avec une PAC. Celle-ci se justifie économiquement pour des débits supérieurs à 6 ou 8 m³/j. Ce procédé est énergétiquement très intéressant en présence de chaleur fatale, sur des sites produisant du biogaz par exemple, qui peut être utilisée pour alimenter la chaudière. Un module Ecostill 18000 d'une capacité de 16 à 18 m³ d'effluent/j, selon le facteur de concentration atteignable et les conditions météorologiques, présente un coût d'investissement de 480 K€ environ. Le budget annuel de maintenance préventive s'élève à environ 5,5% du montant de l'investissement global. Ces données sont indicatives, les coûts sont évalués au cas par cas en fonction de la qualité de l'effluent à traiter.

### 3.3.2.5. Synthèse

<table><thead><tr><th colspan="4">Humidification - Déshumidification</th></tr></thead><tbody><tr><td>Points clés</td><td colspan="3">Technologie développée à l'échelle industrielle. TMW affiche une vingtaine de références. Possibilité de traiter des effluents concentrés. Applicable pour des gammes de débits allant de 1 à 100 m³/j.</td></tr><tr><td>Maturité</td><td>R & D / Brevet</td><td>Pilote Industriel</td><td>Unité Industrielle</td><td>Mature</td><td>TRL 8-9</td></tr><tr><td>Prétraitement</td><td colspan="4">Filtration et prétraitement spécifique si nécessaire.</td></tr><tr><td>Produits chimiques</td><td colspan="4">Antitartre, antibactérien ou autre en fonction des besoins. Quatre pompes doseuses sont prévues à cet effet pour chaque unité.</td></tr><tr><td>Impact environnemental</td><td colspan="4">Potentielle émission de composés volatils, selon la qualité de l'effluent à traiter et en l'absence de la PAC.</td></tr><tr><td>Avantages</td><td colspan="4">Procédé modulable.<br>Très bonne qualité d'eau traitée comme tous les procédés d'évaporation.<br>Fonctionne à pression atmosphérique.<br>Procédé robuste nécessitant peu de maintenance (absence de compresseur de vapeur par exemple).<br>Possibilité d'utiliser de la chaleur fatale.<br>Les matériaux plastiques réduisent les coûts d'investissement et éliminent les risques de corrosion.<br>Faibles nuisances sonores.</td></tr><tr><td>Inconvénients et facteurs limitants</td><td colspan="4">Consommation énergétique élevée par rapport à des procédés membranaires.<br>Perte d'eau et potentiellement de polluants volatils au cours du process en absence de PAC.<br>Limité aux débits à traiter &lt; 100 m³/j pour le procédé Ecostill™ de TMW.</td></tr><tr><td>Fournisseurs</td><td colspan="4">TMW (France), Altela, Inc (Etats Unis), Saltworks (Canada)</td></tr></tbody></table>

### 3.3.3. Evapoconcentration (CMV, TC, PAC, multiples effets)

L'évapo-concentration est employée depuis une soixantaine d'années dans les procédés de fabrication des industries chimiques et agroalimentaires. Pendant longtemps, elle n'a pas été appliquée à la dépollution, en raison principalement de son coût de fonctionnement jugé excessif par rapport aux autres techniques de dépollution. Aujourd'hui, les améliorations du process d'évaporation par les constructeurs et le durcissement des contraintes réglementaires font que cette technique s'applique au traitement des effluents.

Elle est généralement réservée à des débits limités ou à des effluents concentrés contenant par exemple 40 à 120 g/L de sels.
L'effluent est porté à ébullition pour évaper l'eau et concentrer les produits qui ont une température d'ébullition supérieure à celle de l'eau. Il s'effectue une séparation entre le concentrat (produit concentré) et le condensat (produit dilué). Selon le type de problématique, il peut être recherché la valorisation du concentrat ou du distillat, rarement les deux. Un schéma de principe est présenté ci-après.

<figure><img src="image_39.png" /><figcaption>Figure 25 : Schéma de principe d'un évaporateur</figcaption></figure>

La consommation d'énergie nécessaire à l'évaporation de l'effluent est significative puisqu'il se produit un changement de phase liquide-vapeur. Une évaporation à pression atmosphérique consomme environ 700 kWh/m³ de distillat. Les évaporateurs dits simple effet nécessitent une chaudière externe (ou vapeur/eau chaude disponible) et un système de refroidissement. Cette technologie de fonctionnement simple est mise en œuvre lorsque des sources d'énergie à bas coûts sont disponibles.

Dans le cas contraire, d'autres systèmes ont été développés et permettent de réduire leurs coûts de fonctionnement :

* l'évaporation couplée à une Compression Mécanique de Vapeur (CMV),

* l'évaporation couplée à une Pompe A Chaleur (PAC),

* l'évaporation multiples effets.

La température d'ébullition peut être modifiée par ajustement de la pression, en fonction des effluents à traiter. Elle varie en général de 20°C jusqu'à 100-110°C.

### 3.3.3.1. Technologies

#### 3.3.3.1.1. Evaporation Simple effet

Il existe une douzaine de types d'appareils utilisés en évaporation. Néanmoins, seuls trois types principaux sont particulièrement adaptés à la concentration des eaux usées : l'évaporateur à grimpage, l'évaporateur à flot tombant et l'évaporateur à circulation forcée [113]. Il s'agit d'évaporateurs verticaux. La surface d'échange est constituée de tubes verticaux à l'intérieur desquels circule la solution à traiter, la vapeur de chauffage se condensant à l'extérieur des tubes.

Dans les évaporateurs à grimpage naturel ou circulation naturelle (Figure 26), le produit est introduit au bas de l'appareil et remplit la totalité des tubes.

L'évaporateur à grimpage est bien adapté lorsque la concentration de sortie de produits est suffisamment éloignée de la saturation d'un ou plusieurs constituants. Dans les cas où la saturation est proche, une tuyauterie de recyclage extérieure, pourvue d'une vanne de réglage est installée et l'appareil fonctionne en thermosiphon [113].
<figure><img src="image_40.png" /><figcaption>Figure 26 : Evaporateur à grimpage (gauche) et thermosiphon (droite)– Doc GEA / Kestner tiré de [113]</figcaption></figure>

Par effet « thermosiphon », le liquide se déplace à l'intérieur des tubes. Ce type d'évaporateur nécessite au moins une dizaine de degrés d'écart entre la température de la vapeur de chauffage et celle du produit à concentrer [114].

**Les évaporateurs à descendage ou flot tombant** (Figure 27) permettent d'obtenir, suivant les produits traités, d'excellents coefficients d'échange. La solution introduite au sommet de l'évaporateur ruisselle sous forme de film à l'intérieur des tubes. L'écart de température produit-vapeur de chauffage peut être très faible (2 à 3 °C). Une pompe de recirculation permet de maintenir un mouillage constant des tubes.
<figure><img src="image_41.png" /><figcaption>Figure 27 : Evaporateur à flot tombant – Doc GEA / Kestner tiré de [113]</figcaption></figure>

Cette technologie d'évaporateur est très favorable à l'utilisation d'une CMV [114]. Son choix est désormais beaucoup plus fréquent que celui de l'évaporateur à grimpage, en raison de meilleures performances au niveau de l'échange thermique, de la séparation liquide-vapeur et d'une moindre sensibilité à l'encrassement [113].

**Les évaporateurs à circulation forcée** (Figure 28) sont utilisés dans le cas de produits visqueux, entartrants ou moussants.

Ils se composent [114] :

- d'un échangeur tubulaire à grimpage dans lequel la solution est chauffée mais n'entre pas en ébullition du fait de la pression hydrostatique. Le coefficient d'échange est bon grâce à une vitesse du liquide relativement élevée,

- d'un séparateur placé au-dessus de l'échangeur et dans lequel s'effectue l'ébullition du liquide et la séparation des buées,

- d'une pompe de mise en circulation de la solution. La puissance absorbée par cette dernière est souvent importante sur le bilan énergétique global de l'installation.
<figure><img src="image_42.png" /><figcaption>Figure 28 : Evaporateur à circulation forcée – Doc GEA / Kestner tiré de [113]</figcaption></figure>

Pour les produits difficiles à traiter, cet appareil est particulièrement intéressant couplé à une CMV.

Le Tableau 20 présente un comparatif de ces trois configurations d'évaporateurs.

<table><caption>Tableau 20 : Comparatif des évaporateurs à grimpage, flot tombant et circulation forcée [115], [116], [114] [117]</caption><thead><tr><td>Technologie</td><td>Avantages</td><td>Inconvénients</td></tr></thead><tbody><tr><td>Grimpage</td><td>Nombreuses références<br>Faible consommation énergétique<br>Donne de bons résultats en présence d'un effluent moussant</td><td>Partie supérieure des tubes peu mouillée<br>donc possible phénomène de cuisson<br>Vitesse faible à l'intérieur des tubes donc<br>encrassement rapide<br>Travail par batch donc surcoût énergétique<br>Non adapté au traitement de produits<br>thermosensibles, visqueux ou incrustants</td></tr><tr><td>Flot tombant</td><td>Nombreuses références puisque c'est la première technique employée<br>Faible consommation énergétique<br>Faible vitesse sur la surface d'échange (gravité)<br>Très adapté au couplage avec une CMV<br>Adapté au traitement d'effluents<br>thermosensibles</td><td>Vitesse de circulation faible à l'intérieur des tubes donc risque d'encrassement rapide<br>Tubes mouillés que par un film donc possible phénomène de cuisson<br>Travail par Batch donc surplus énergétique<br>Facteur de concentration limité<br>Exige des coûts de main d'œuvre et d'entretien élevé</td></tr><tr><td>Circulation<br>forcée</td><td>La vitesse du liquide dans les tubes de l'échangeur est contrôlée par la puissance</td><td>Coût d'investissement</td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><td>Technologie</td><td>Avantages</td><td>Inconvénients</td></tr></thead><tbody><tr><td></td><td>de la pompe de recirculation → effet de nettoyage des tubes<br>Vitesse élevée dans les tubes immergés => limitation de l'encrassement => adapté au traitement des effluents difficiles : solutions visqueuses, présence de sels et de MES<br>L'encrassement est limité par rapport à la technique du grimpage (ou thermo-siphon)<br>Adapté aux effluents difficiles : solutions visqueuses, présence de MES et de sels<br>Adapté au traitement de produits thermosensibles</td><td>Consommation d'énergie de la pompe de gavage</td></tr></tbody></table>

### 3.3.3.1.2. Evaporation avec Compression Mécanique de Vapeurs (CMV)

Les évaporateurs peuvent fonctionner avec une CMV en vue de réduire les consommations énergétiques du système. Dans ce type d'évaporateur, l'effluent au démarrage de l'installation est chauffé par un réchauffeur électrique. Le compresseur de vapeur, cœur du système, collecte les vapeurs formées et élève leur niveau énergétique (température) par compression.

Les buées comprimées sont alors utilisées en vapeurs de chauffage au sein de l'évaporateur : leur condensation apporte l'énergie nécessaire à l'évaporation de l'effluent entrant (Figure 29).

<figure><img src="image_43.png" /><figcaption>Figure 29 : Schéma de principe d'un évaporateur CMV</figcaption></figure>

Ces évaporateurs fonctionnent sous vide (600 mbars) permettant d'évaperer les effluents à une température de 86°C environ. La température d'évaporation est élevée (85-90C°) car travailler à de plus basses températures exige des équipements très chers (plus gros compresseurs et plus grandes surfaces d'échange [116]).
D'un point de vue énergétique, lorsque le processus est amorcé (création des premières vapeurs), il s'entretient uniquement par apport d'énergie électrique au niveau du moteur. La consommation d'énergie électrique est très faible face à l'énergie récupérée lors de la condensation. La consommation électrique moyenne varie de 20 à 110 kWh/t d'eau évaporée selon la capacité de traitement, le type de technologie et le type de compresseur mis en œuvre. Elle est généralement de 15 à 50 kWh/m³ pour les plus importantes capacités.

KMU LOFT affiche, selon les capacités de traitement, des consommations en énergie de :

- 50 à 70 kWh/m³ d'effluent pour sa technologie à circulation naturelle,

- 30 à 90 kWh/m³ d'eau fraîche traitée pour sa technologie à flot tombant.

Philippe Caurier (Exonia) annonce de son côté une consommation de 30 à 40 kWh/t en CMV avec validation par une étude EDF [118]. L'évapo-concentration par CMV est généralement utilisée pour traiter des débits variant de 0,4 m³/j à 1200 m³/j.

Les atouts et limites de la CMV sont présentés ci-après.

<table><caption>Tableau 21 : Atouts et limites de l'évapo-concentration avec CMV</caption><thead><tr><td>Atouts</td><td>Limites</td></tr></thead><tbody><tr><td><ul><li>L'évaporateur CMV est un des systèmes les plus économique avec une faible consommation énergétique</li><li>Faible encombrement</li><li>Large gamme de capacité de traitement</li><li>Stérilisation du distillat</li><li>Intéressant pour les sels dont la solubilité augmente avec la température</li></ul></td><td><ul><li>Température d'évaporation supérieure à 60°C → risques d'encrassement</li><li>Dans le cas de produits corrosifs, risque d'entraînement de gouttelettes de produit vers la machine de compression</li></ul></td></tr></tbody></table>

### 3.3.3.1.3. Evaporation avec thermo-compression (TC)

Les évaporateurs équipés de thermo-compresseur permettent de recycler partiellement le distillat en vapeur de chauffage. Ce fonctionnement est moins économique que la CMV car il nécessite l'apport complémentaire de vapeur vive (Figure 30).

<figure><img src="image_44.png" /><figcaption>Figure 30 : Schéma de principe d'un évaporateur avec thermo-compression</figcaption></figure>
Le principe de fonctionnement des thermo-compresseurs repose sur l'utilisation de l'effet venturi d'une tuyère convergente-divergente pour convertir l'énergie de pression d'un fluide moteur (vapeur haute pression) en énergie cinétique. La vitesse générée permet d'entraîner un fluide aspiré (vapeur basse pression ici le distillat sous forme vapeur) qui se mélange à la vapeur haute pression.

Cette énergie cinétique est convertie sous forme de pression par ralentissement dans le diffuseur final (Figure 31).

<figure><img src="image_45.png" /><figcaption>Figure 31 : Principe de fonctionnement d'un thermo-compresseur [119]</figcaption></figure>

La TC est particulièrement intéressante sur des unités de petites capacités, où elle permet de réduire les coûts de fonctionnement sans demander d'investissement important. Le rendement du TC est directement lié à la pression vapeur utilisée. L'obtention de rendements satisfaisants nécessite l'emploi de vapeur à haute pression : 4 à 20 bars [120].

Cette technologie peut facilement être combinée à un effet multiple, ce qui augmente l'efficacité énergétique globale de l'unité. En théorie, la TC est équivalente à un effet supplémentaire en terme d'efficacité énergétique: une unité à effet unique avec TC a approximativement l'efficacité énergétique d'un double effet avec un coût d'investissement beaucoup plus faible, le coût du TC comparé à celui d'un évaporateur supplémentaire [121].

La TC présente l'inconvénient de contaminer la vapeur de chaudière utilisée comme source de vapeur haute pression, de sorte que le condensat n'est généralement pas renvoyé directement à la chaudière [121].

Les évaporateurs avec TC ont des capacités de traitement allant de 1 à 10 m³/j [117].

Les atouts et limites de la thermo-compression sont présentés ci-après.

<table><caption>Tableau 22 : Atouts et limites de l'évapo-concentration avec thermo-compresseur adapté de [120], [117], [119]</caption><thead><tr><td>Atouts</td><td>Limites</td></tr></thead><tbody><tr><td><ul><li>Investissement faible : le coût d'un thermocompresseur est environ le dixième de celui d'un compresseur de vapeur [117]</li><li>Faible encombrement</li><li>Simplicité de fonctionnement</li><li>Coûts de maintenance réduits par rapport à d'autres technologies : absence de pièces tournantes, résistant aux vapeurs corrosives</li></ul></td><td><ul><li>Coûts de fonctionnement supérieurs à la CMV</li><li>Réduction des consommations d'un facteur 2 à 4 par rapport à un simple effet</li><li>Moins répandu que d'autres procédés type CMV</li><li>Bruit élevé en raison des vitesses de vapeur dans le thermo-compresseur</li><li>Plage de variation de débit réduite</li></ul></td></tr></tbody></table>

D'une manière générale, la TC ne devrait être prévue que pour des débits stables, car la souplesse de fonctionnement est limitée et les rendements baissent rapidement lorsque la pression motrice diminue, ou lorsque le débit de chauffe est réduit [113].
Pour cette raison, un évaporateur à éjectocompression ne convient pas à l'évaporation de solutions incrustantes pour lesquelles l'écart de température varie dans le temps selon le degré d'entartrage [122].

#### 3.3.3.1.4. Evaporation avec Pompe à Chaleur (PAC)

Les évaporateurs sous vide avec pompe à chaleur ont été développés pour pouvoir travailler à basse température de l'ordre de 35 à 40°C sous 50 mbars environ grâce à une pompe à chaleur. Le circuit frigorifique de la pompe à chaleur apporte les calories nécessaires à l'évaporation de l'effluent et les frigories nécessaires à la condensation du distillat (Figure 32).

<figure><img src="image_46.png" /><figcaption>Figure 32 : Schéma de principe d'un évaporateur PAC adapté de [123]</figcaption></figure>

L'énergie nécessaire à l'évaporation de l'effluent est apportée par un fluide frigorigène qui permet ensuite la condensation de la vapeur en récupérant ses calories.

* **Côté bouilleur ou évaporateur :**

Le liquide à concentrer est introduit dans la cuve et se vaporise par échange d'énergie avec un fluide frigorigène (source chaude). La pression maintenue dans la chambre d'évaporation est d'environ 50 mbar, ce qui permet d'évaporer à basse température de l'ordre de 35°C. Les buées issues de l'évaporation s'élèvent vers le condenseur en partie haute.

* **Côté condenseur :**

Le fréon absorbe l'énergie contenue dans les buées. Cet échange a pour effet de vaporiser le fréon et de condenser les buées. Les buées condensées appelées distillats sont extraites de l'évapoconcentrateur par la pompe à vide.

La capacité épuratoire d'un concentrateur équipé de PAC est comprise entre 0,15 m³/j et 170 m³/j. Cependant, en général, ces systèmes sont réservés aux utilisations dont les performances ne dépassent pas 100 m³/j.

Les atouts et limites de la PAC sont présentés ci-après.