Dessalement de l'eau de mer et des eaux saumâtres et autres procédés non conventionnels d'approvisionnement en eau douce (2° Ed.)

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De nombreuses régions de notre planète sont menacées par de graves pénuries d'eau. Face à ce problème majeur de notre siècle, le dessalement de l'eau de mer se présente comme un moyen industriel fiable de production d'eau douce auquel ont recours de nombreux pays tels que les États-Unis, l'Algérie, l'Espagne. Cette deuxième édition fait le point sur l'état actuel de l'art en ce domaine, dans une perspective à la fois technique et économique. Le procédé d'osmose inverse connaît un développement considérable, en particulier à cause de sa faible consommation énergétique due à l'utilisation de nouveaux systèmes de récupération d'énergie performants. Toutefois, le prétraitement de l'eau de mer nécessite une attention particulière si l'on veut éviter le colmatage des membranes. La distillation Flash ou multiples effets reste encore très utilisée, notamment dans les pays du Moyen-Orient où les problèmes énergétiques sont moins préoccupants. D'autres procédés non conventionnels d'approvisionnement en eau douce de zones arides sont également évoqués : recyclage des eaux usées, transport d'eau douce sur longues distances. Synthèse unique en français, Dessalement de l'eau de mer et des eaux saumâtres s'appuie sur une connaissance concrète de la recherche mondiale et s'adresse aux professionnels des métiers de l'eau, ingénieurs, techniciens ou étudiants en environnement.
Cycle de l'eau - Répartition de l'eau sur la planète - Adéquation entre ressources et besoins. Normes de qualité d'une eau en fonction de son usage. Différentes eaux salines - Généralités sur le dessalement. Procédés de distillation. Électrodialyse. Osmose inverse. Problèmes techniques rencontrés en dessalement : entartrage, colmatage, corrosion. Comparaison technique et économique des différents procédés de dessalement. Dessalement nucléaire. Distillation solaire directe. Association des énergies renouvelables avec des procédés de dessalement conventionnels. Autres procédés de dessalement. Recyclage des eaux usées. Autres procédés non conventionnels d'approvisionnement en eau douce de zones arides. Situation et évolution du marché du dessalement. Conclusion. Pour en savoir plus. Index.

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Date de parution 02 juin 2006
Nombre de visites sur la page 76
EAN13 9782743016784
Langue Français

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Dessalement de l’eau de mer et des eaux saumâtres et autres procédés non conventionnels d’approvisionnement en eau douce
e 2 édition
Alain Maurel Ancien ingénieur au Commissariat à l’énergie atomique Consultant
11, rue Lavoisier F 75008 Paris
Chez le même éditeur
Les stations de pompage d’eau e ASTEE, Travaux de la commission Distribution de l’eau, 6 éd., 2005
Chimie et pollution des eaux souterraines O. Atteia, 2005
Gestion patrimoniale des réseaux d’assainissements urbains – Guide méthodologique RÉRAU, 2005 La mesure de la conductivité hydraulique dans les sols – Choix des méthodes J.C. Chossat, 2004 Études sur l’environnement – De l’échelle du territoire à celle du continent Académie des sciences, rapport sur la technologie n° 15, 2003 Eau, environnement et santé publique – Introduction à l’hydrologie R. Vilaginès, 2003 La pluridisciplinarité dans les problèmes de l’environnement : les interactions air sol eau Numéro spécial de laRevue des sciences de l’eau, vol. 15 B. Bobée, P. Florent, D. Ballay, J.P. Villeneuve, coord., 2002
DANGER LE PHOTOCOPILLAGE
TUE LE LIVRE
© LAVOISIER, 2006 ISBN 13 : 9782743008901 e ISBN 10 : 2743008903 (2 édition 2006) re ISBN 10 : 2743004983 (1 édition 2001)
Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l'autorisation de l'éditeur ou du Centre Français d'Exploitation du droit de copie (20, rue desGrandsAugustins  75006 Paris), est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d'une part, les reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective, et, d'autre part, les analyses et courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d'information de l'œuvre dans laquelle er elles sont incorporées (Loi du 1 juillet 1992  art. L 1224 et L 1225 et Code Pénal art. 425).
Avantpropos
Dessaler l’eau de mer n’est pas une idée récente. Depuis des temps très anciens, on avait pu constater que si l’on portait à ébullition de l’eau saline on obtenait, par condensation de la vapeur, de l’eau déminéralisée. Les premiers appareils industriels e de distillation sont apparus probablement dans la première moitié duXIXsiècle à e bord des navires à vapeur. Mais c’est durant la seconde moitié duXXsiècle et plus particulièrement entre 1975 et 2000 que le dessalement de l’eau de mer et des eaux salines est devenu un moyen industriel fiable de production d’eau douce. Ce développement résulte principalement de l’effort de recherche très important initié par les ÉtatsUnis à partir des années 1950 et suivi par de nombreux pays, prin cipalement la France, l’exURSS, la GrandeBretagne, le Japon et Israël. Aux ÉtatsUnis, un organisme spécifique a été créé en 1952 sous tutelle du Dépar tement de l’Intérieur : l’Office of Saline Water. Le dessalement de l’eau de mer est même devenu un enjeu politique de premier plan sur le thème de «Water for Peace: L’eau pour la paix ». De 1952 à 1983, le programme dessalement américain a béné ficié de crédits importants qui ont permis de financer des études fondamentales dans les universités et des opérations de démonstration dans des centres d’essais construits à cet effet (Freeport au Texas, Roswell au Nouveau Mexique, Wrightsville Beach en Caroline du Nord, Webster au Sud Dakota, et San Diego en Californie). En France, le 13 juin 1966, un arrêté ministériel a créé, sous la présidence du ministère d’État chargé de la Recherche scientifique et des Questions atomiques et spatiales, un comité chargé des problèmes de dessalement, qui réunissait des repré sentants de la DGRST (Délégation générale à la recherche scientifique et technique), du CEA (Commissariat à l’énergie atomique), d’Électricité de France, du ministère de l’Industrie, du ministère des Armées (direction des Recherches et Moyens d’es sais), ainsi que le secrétaire permanent pour l’étude des problèmes de l’eau et le directeur du CNEXO (Exploitation des océans). Le CEA, en collaboration avec la DGRST, était chargé de l’exécution des décisions prises par ce comité pour promou voir et coordonner l’effort de recherche et de développement des secteurs privés et publics dans le domaine du dessalement. © Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit
IV
Dessalement de l’eau de mer et des eaux saumâtres
À partir des années 1975, suite aux différents chocs pétroliers de 1973 puis de 1979, les industriels ont pu prendre le relais et valoriser ainsi l’effort de près de 25 ans de recherche. En effet, les pays du MoyenOrient (Arabie Saoudite, Émirats Arabes Unis, Qatar, Libye…) ont disposé de moyens financiers colossaux et compte tenu de leurs besoins en eau douce, ont investi massivement dans des installations de dessalement et permis ainsi aux technologies de progresser à la fois du point de vue technique et économique. Actuellement, quatre technologies seulement sont présentes sur le marché du des salement de l’eau de mer : – la distillation Flash ; – la distillation à multiples effets ; – la distillation à compression de vapeur ; – l’osmose inverse ; l’électrodialyse n’étant utilisée que pour le dessalement des eaux saumâtres. er Ces technologies ont fait leur preuve puisqu’au 1 janvier 2004, 17 348 usines de dessalement fonctionnaient dans plus de 120 pays et totalisaient une capacité 3 installée au niveau mondial d’environ 37,75 millions de m /jour. Des ensembles de 3 plusieurs centaines de milliers de m /jour ont été implantés sur un site donné : nous citerons comme exemple le complexe de Shuaiba II en Arabie Saoudite mis en ser 3 3 vice en 1998 et qui produit 454 000 m /jour avec 10 unités Flash de 45 400 m /jour. Certains pays même, tels que le Koweit ou le Qatar, dépendent presque entièrement du dessalement de l’eau de mer pour leur alimentation en eau douce. Toutefois, le marché de dessalement concerne actuellement presque exclusive ment : – du point de vue géographique, les pays riches : MoyenOrient, ÉtatsUnis, Espa gne, Japon, Libye… – du point de vue usage, les applications domestiques et industrielles. Ceci est dû au coût de l’eau dessalée qui limite le développement du dessalement pour : – les pays ne disposant pas de moyens financiers suffisants (Égypte, Tunisie, Maroc…) ; – les usages agricoles sauf cas très particuliers (Koweït, Émirats Arabes Unis…). En effet, le coût de l’eau de mer dessalée, pour de très grandes installations 3 (> 100 000 m /jour) et avec des hypothèses techniques et économiques favorables, se 3 situe aux environs de 0,600,80 $ par m . Dans le cas des eaux saumâtres, le coût de 3 l’eau dessalée est égal à environ 0,20,40 $ par m , soit 40 % du coût de dessalement de l’eau de mer. Ces coûts se rapprochent des coûts de traitement d’eau par des tech niques conventionnelles (chloration, coagulation, floculation, filtration), mais ils sont et resteront toujours supérieurs, compte tenu des investissements nécessaires et des frais de fonctionnement (consommation d’énergie en particulier). Du point de vue RechercheDéveloppement, les grands programmes financés par des organismes publics ont peu à peu disparu. Il faut toutefois mentionner l’effort du
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Table des matières
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1 Middle East Desalination Research Center (MEDRC) , organisme international à but non lucratif basé à Muscat (Sultanat d’Oman) depuis 1996 et qui finance des pro grammes de RechercheDéveloppement au MoyenOrient et en Afrique du Nord. Des progrès importants ont été obtenus ces dernières années. Ils proviennent prin cipalement des industriels concernés qui continuent à améliorer les performances des technologies existantes et permettent ainsi une diminution des coûts, coûts qui sont acceptables pour les besoins humains et pour l’industrie mais qui restent trop élevés pour l’agriculture. Ce document est destiné à faire le point sur l’état de l’art du dessalement de l’eau de mer et des eaux saumâtres et d’autres procédés non conventionnels d’approvision nement en eau douce de zones arides. Il retrace en particulier les études, travaux de recherches et expertises effectuées par l’auteur et d’une manière plus générale par le Commissariat à l’énergie atomique de 1965 aux environs de 2000 qui vont du déve loppement de technologies de dessalement (électrodialyse, osmose inverse, distilla tion) à l’utilisation des énergies renouvelables (solaire, éolien), aux études concernant l’utilisation de l’énergie nucléaire pour la production d’eau douce ou au recyclage des eaux usées en vue de la production d’eau potable.
1. www.Lmaephdortocc.ooprige non autorisée est un délit © Lavoisier –
Table des matières
Chapitre 1 Cycle de l’eau – Répartition de l’eau sur la planète – Adéquation entre ressources et besoins 1. Cycle de l’eau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2. Répartition de l’eau sur la planète. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3. Adéquation entre ressources et besoins en eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3.1. Usages domestiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3.2. Usages agricoles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3.3. Usages industriels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 4. Indicateurs de ressources : seuil de tension, seuil de pénurie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 5. Cas particulier de la France métropolitaine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Chapitre 2 Normes de qualité d’une eau en fonction de son usage 1. Critères de potabilité d’une eau destinée à la consommation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2. Normes pour les usages industriels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3. Critères de qualité d’une eau d’irrigation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.1. Salinité totale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.2. Teneur en sodium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.3. Cas particulier de plantes résistantes en milieu salin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Chapitre 3 Différentes eaux salines – Généralités sur le dessalement 1. Différentes eaux salines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.1. Composition et salinité de l’eau de mer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2. Salinité des eaux saumâtres. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2. Dessalement – Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1. Schéma général d’une installation de dessalement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2. Prise d’eau de mer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3. Problème des rejets de saumure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.4. Différents procédés de dessalement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.4.1. Procédés de distillation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 © Lavoisier – L2a.p4h.o2t.ocoPpireoncoéndauétsoriàséemeestmubnrdaélnites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26. . . . . . . . . . . . .
VIII
Dessalement de l’eau de mer et des eaux saumâtres
Chapitre 4 Procédés de distillation 1. Distillation à simple effet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.1. Consommation d’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.2. Application numérique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2. Distillation à multiples effets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.1. Consommation d’énergie d’une unité de distillation à multiples effets. . . . . . . . . . 31 2.2. Application numérique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3. Détermination du nombre d’effets. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.4. Différents types d’évaporateurs à multiples effets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3. Procédé par détentes successives ou procédé Flash. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.1. Principe d’une installation de distillation Flash à cycle direct. . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1.1. Description du procédé. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 3.1.2. Production d’eau douce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1.3. Rendement thermique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1.4. Surface des condenseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2 Procédé Flash à recirculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.3. Disposition des tubes des condenseurs dans les chambres de détente . . . . . . . . . . . 42 3.4. Température de tête de l’installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.5. Évolution de la taille des installations de distillation Flash . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.6. Comparaison des procédés de distillation Flash, et multiples effets à tubes horizontaux arrosés (HTME) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4. Distillation par compression de vapeur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.1. Principe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.2. Thermocompression et compression mécanique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.3. Consommation d’énergie de la compression de vapeur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5. Compression de vapeur et multiples effets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.1. Thermocompression et multiples effets. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.2. Compression mécanique et multiples effets. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 6. Problèmes spécifiques aux procédés de dessalement par distillation . . . . . . . . . . . . . . . . 52 6.1. Le problème des gaz incondensables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 6.2. Problèmes des mousses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 6.3. Problèmes d’encrassement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 7. Perspectives de la distillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Chapitre 5 Électrodialyse 1. Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2. Membranes d’électrodialyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.1. Caractéristiques générales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.2. Sélectivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.3. Résistance électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3. Technologie d’un électrodialyseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.1. Description générale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.2. Électrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.3. Compartiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
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