Etude de traitement des eaux résiduaires de la raffinerie de pétrole

Proceedings of International Symposium on Environmental Pollution Control and Waste Management
7-10 January 2002, Tunis (EPCOWM’2002), p.847-856.
Etude de traitement des eaux résiduaires de la raffinerie de pétrole d’Alger
A. CHERFAOUI
Sonatrach, Institut Algérien du Pétrole, IAP, Avenue du 1er Novembre Boumerdes 35000 Algérie
ABSTRACT
With the aim of reducing the emission of the pollutants present in waste water of oil industries, a preliminary
study was undertaken at the refinery of Algiers RA1G. This study had as the first mission to consider global
pollution in waste water. Its first objective is to identify the sources and the origins of pollution within the firm
itself, and then to establish the methodology of sampling. The second mission, carried out by our study, was
based on the results of the analyses of the samples. Its aim was to recommend a specific data processing
sequence of oil waste water. The goal was to reduce the contents of the polluting elements in water below the
values fixed by the international standards.
KEYWORDS
Wastewater treatment ; Water pollution ; Environment.
RESUME
Dans le souci de réduire l’émission des polluants présents dans les eaux résiduaires des industries pétrolières,
une étude préliminaire a été entreprise au niveau de la raffinerie d’Alger RA1G. Cette étude avait comme
première mission d’estimer la pollution globale dans les eaux résiduaires. Il s ‘agit d’abord, d’identifier les
sources et les origines de pollution au sein de l’entreprise même, et ensuite d’établir la méthodologie
d’échantillonnage. La deuxième mission, poursuivie par notre étude, se basait sur les résultats des analyses des
échantillons. Elle avait pour objectif de préconiser une chaîne de traitement spécifique des eaux résiduaires
pétrolières. Le but était de ramener les teneurs des éléments polluants dans l’eau en dessous des valeurs fixées
par les normes internationales.
INTRODUCTION
Le volume et la composition des eaux résiduaires produites dans les raffineries de pétrole sont fonction de la
qualité du pétrole brut, de son mode de traitement, et de l’emploi envisagé pour ses produits (Sékoulov, 1999).
Le volume peut varier entre 3 et 70 fois la quantité de pétrole brut traitée. Le volume des eaux de refroidissement
pures est d’ordinaire de 80 à 90 % (Meinck et al., 1977). Le reste est constitué par des eaux de nettoyage et des
eaux résiduaires diverses de fabrication, et notamment de condensats, des lessives résiduaires et des eaux de
lavage.
Les eaux résiduaires des raffineries et des usines pétrochimiques appartiennent au rang des effluents industriels
de caractéristique mixte. Ces eaux contiennent un ou plusieurs constituants biodégradables mais renferme aussi
des milieux carencés ou inhibés par d’autres constituants (Gujer et al. 1991).
L’étude des eaux résiduaires rejetées par la raffinerie d’Alger remonte à l’époque ou les eaux usées de cette
dernière étaient évacuées dans le milieu récepteur sans un traitement particulier. En effet, ces eaux étaient
collectées dans deux bassins API, elles subissaient un écrémage et traversaient des cages à pailles. Cette
opération consistait uniquement à éliminer partiellement les hydrocarbures à émulsion mécanique.
ORIGINES DES EAUX RESIDUAIRES DE LA RAFFINERIE D’ALGER
Au niveau de la raffinerie, les eaux usées proviennent de diverses sources :
- du dessalage,
- de purge des bacs de brut,
- de purge des bacs de stockage des produits finis,
- de purge des ballons de séparation dans les unités,
- des eaux de refroidissement des pompes,
- des utilités (purge des chaudières, eaux de régénération et de lavage des adoucisseurs).
Les eaux de pluies et de ruissellement au niveau de la raffinerie sont collectées dans un bassin d’orage. Elles sont
mélangées aux eaux des bassins API ayant déjà subies les opérations mécaniques d’écrémage et de filtration sur
847
Cherfaoui
le foin. Le mélange est réalisé dans une fosse dite «fosse A». Cette fosse constitue le rejet principal de la
raffinerie avant l’évacuation dans le milieu récepteur (oued Adda).
ECHANTILLONNAGE ET ANALYSE
L’échantillonnage a été effectué au niveau de cette fosse. Comme les eaux de pluie diluent les concentrations des
polluants d’où les effluents sont moins chargés en hiver qu’en été. Pour se rendre compte des concentrations
individuelles de chaque polluant d’autres échantillons ont été prélevés au niveau des sources mêmes, c’est-à-dire,
au niveau des tubulures des purges des bacs de stockage et des ballons de séparation. La fréquence de
prélèvement des échantillons est la même que celle appliquée sur le rejet principal. Les mesures et les analyses
ont été effectuées sur les indices de pollution suivants :
- température,
- pH,
- matières en suspension (MES),
- chlorure,
- teneur en hydrocarbure (HC),
- la demande chimique en oxygène (DCO),
- la demande biochimique en oxygène (DBO5).
RESULTATS DES ANALYSES
D’après les analyses, la plus importante pollution concerne les MES, la DCO et les hydrocarbures (HC). La
demande biochimique en oxygène (DBO5) a été déterminée par la méthode manométrique et ne donne qu’une
valeur approximative. En effet, la dégradation de la plupart des hydrocarbures est normalement complète après
25 à 30 jours d’incubation (Berné, 1972). La valeur exacte de la DBO5 exige une souche adaptée. L’analyse des
échantillons pris de la fosse conduit aux résultats résumés dans la figure 1.
Les fluctuations des concentrations, aperçues au niveau du rejet principal, sont dues à des opérations de purge
effectuées avec des débits discontinus et à des fréquences irrégulières. Le tableau I donne les résultats des
analyses effectuées aux sources mêmes des polluants, c’est-à-dire en amont des deux bassins API. Les valeurs
représentent des concentrations moyennes obtenues des prélèvements journaliers sur chaque source pendant une
durée d’un mois.
400
T = 30°C; pH = 8.6
Concentrations
[mg/l]
MES
DCO
300
HC
DBO5
200
100
0
0
5
10
15
Temps [jours]
Figure 1 : Analyse du rejet principal
848
20
25
Traitement des eaux résiduaires de la raffinerie de pétrole
Pour pouvoir préconiser un traitement fiable, il faut connaître la quantité réelle d’eau rejetée. L’estimation de la
pollution globale dépend du débit de l’effluent quittant la raffinerie. Celui-ci a été estimé d’une part, en sommant
les quantités individuelles rejetées par les purges, plus les eaux des utilités, les eaux de refroidissement et même
les eaux pluviales (en se basant sur les données pluviométriques délivrées par l’office national de la
météorologie) et, d’autre part, en tenant compte de l’extension de la raffinerie. On arrive finalement à un débit
majoré de 410 m3/h. Le tableau II donne les quantités maximales de polluants dans l’eau brute et le pourcentage
d’élimination à réaliser.
Tableau I : Analyses effectuées sur les purges de différentes origines.
T
°C
PH
[-]
MES
[mg/l]
HC
[mg/l]
Cl[mg/l]
DCO
[mg/l]
DBO5
[mg/l]
16,5
5,9
3870
300
800
620
75
Dessalage
70
7,6
375
710
250
560
60
Carburant
26
6,25
220
7,12
18
350
72
Gas-oil
33
7,45
282
6,7
10,3
460
71
Sloops
28
7,62
1044
691
86,4
490
85
Ballon
23,5
6,5
440
14
7,7
400
70
Source
Bacs du brut
Tableau II : Pourcentage d’élimination des indices de pollution.
Source
MES
[mg/l]
HC
[mg/l]
DCO
[mg/l]
DBO5
[mg/l]
Eau brute
200
120
400
130
Législation
30
20
120
40
% à éliminer
85
84
70
70
En se basant sur le rapport DCO/DBO5, On peut conclure à priori qu’un traitement biologique n’est pas possible.
De plus, l’analyse indique que la nature de la pollution est constituée des hydrocarbures en émulsion fine, des
matières en suspension et des matières colloïdales.
Un traitement physico-chimique de clarification est nécessaire en premier lieu. Ce traitement vise aussi à réduire
le rapport DCO/DBO5. Cette réduction rend possible un traitement biologique pour la suite des opérations. Les
procédés de traitement à préconiser dépendent du degré d’épuration qu’on veut atteindre, des critères
économiques et de la disponibilité, des critères économiques et de la disponibilité des terrains. D’après nos
résultats, les degrés d’épuration à atteindre et dans le cas ou nous adoptons les procédés conventionnels, nous
proposons la chaîne de traitement suivante :
- épuration physico-chimique pour l’élimination des MES,
- épuration biologique pour la dégradation des matières organiques.
DESCRIPTION DES ETAPES DU TRAITEMENT
La présence du trouble dans les eaux résiduaires est due aux particules colloïdales. Celles-ci sont soumises à
différents champs de forces. L’énergie d’interaction résultant des forces électrostatiques de répulsion et les
forces d’attraction de Van-Der-Waals passe par un maximum dans le domaine de répulsion ; c’est la barrière
d’énergie. Pour vaincre cette barrière il faut, soit augmenter l’énergie cinétique de ces particules soit diminuer
les forces de répulsion par une augmentation de la force ionique : c’est la compression de la double couche. Dans
849
Cherfaoui
ce cas les forces de Van-Der-Waals seront assez important et peuvent agir pour neutraliser les forces de
répulsion (Gomella, 1978 ; Metcalf et al. 1979). C’est ce qu’il se passe lorsqu’on ajoute les agents de
coagulation. En effet, le but de l’opération est de déstabiliser les colloïdes par l’ajout d’une quantité exacte de
sulfate d’aluminium (coagulant). Ce dernier diminue voire même annule le potentiel ζ responsable de la stabilité
de l’émulsion.
Les particules déstabilisées sont agglomérées par l’ajout d’un floculant, il s’agit d’un polyélectrolyte
(PRAESTHOL 2515). La formation des floques favorise la vitesse de décantation.
Figure 2 : Variation du potentiel de répulsion après compression de la double
couche
Figure 3 : Double couche et potentiel Zêta
850
Traitement des eaux résiduaires de la raffinerie de pétrole
RESULTATS DU TRAITEMENT DE CLARIFICATION
Les expériences ont étaient réalisées selon le mode opératoire normalisé de l’essai de
floculation au jar-test (Degrémont, 1978). Les valeurs des paramètres régissant la clarification
se basent sur le pourcentage d’élimination de la turbidité. Ce dernier est défini comme suit :
 DOeb − DOet 
 ⋅ 100%
E = 
DOeb


(1)
100
E [%]
80
60
Coagulant : 100 mg/l
Floculant : 2 mg/l
Vitesse de coagulation :300 tr/mn
Vitesse de floculation : 30 tr/mn
Temps de coagulation : 3 mn
Temps de floculation : 20 mn
Temps de décantation : 15 mn
40
20
4.00
6.00
8.00
pH
10.00
12.00
Figure 4 : Détermination du pH optimal
100
E [%]
80
60
40
pH : 9
Dose de floculant : 2 mg/l
Vitesse de coagulant : 300 tr/mn
Vitesse de floculant : 30 tr/mn
Temps de coagulation : 3 mn
Temps de floculation : 20 mn
Temps de décantation : 15 mn
20
0
0
50
100
150
Concentration du coagulant
200
(mg/l)
250
Figure 5 : Détermination de la dose optimale du coagulant
851
Cherfaoui
L’optimisation portée sur les paramètres suivants : le pH, les doses en coagulant et en floculant. Les résultats des
expériences sont portés en graphes (figures 4 – 6) et les valeurs optimales sont déduites directement. On obtient
les valeurs suivantes :
- pH = 9,0
- dose de coagulant = 80 mg/l
- dose de floculant = 1,10 mg/l
Pourcentage d'élimination E (%)
100
80
60
40
0.00
pH : 9.00
Dose de floculant : 70 mg/l
Vitesse (coagulant) : 300 tr/mn
Vitesse (floculation) : 30 tr/mn
Temps de coagulation : 3 mn
Temps de floculation : 20 mn
Temps de décantation : 15 mn
0.40
0.80
1.20
1.60
Concentration du floculant [mg/l]
2.00
Figure 6 : Détermination de la dose optimale de floculant
L’application de ces résultats au traitement, au niveau du laboratoire, du rejet principal a contribué à une
épuration partielle. En effet, le traitement physico-chimique a permis la réduction du rapport (DCO/DBO5). Ce
dernier a été réduit, ce qui rend possible le traitement biologique. Le tableau III donne la situation avant et après
traitement physico-chimique.
DIMENSIONNEMENT DES OUVRAGES DE LA STATION
La connaissance des doses optimales des réactifs, le débit à traiter, le temps de contact (de séjour) dans le chaque
étape de traitement, nous a permis de dimensionner complètement tous les ouvrages de la station. Nous exposons
la méthodologie adoptée et le dimensionnement de quelques ouvrages.
Bassin d’égalisation.
Compte tenu des fluctuations importantes enregistrées au seuil du rejet, un bassin d’égalisation en amont du
traitement physico-chimique est nécessaire. Le bassin d’égalisation a pour rôle d’absorber toutes les fluctuations
et d’assurer l’alimentation continue (même lorsque l’usine est à l’arrêt) des ouvrages de traitement dans les
conditions optimales. L’absorption des fluctuations, d’après les données recueillies sur le terrain, demande une
période de 3,5 jours. Le temps de séjour moyen nécessaire au dimensionnement du bassin est de 3,5 jours moins
le temps global de traitement (Metcalf et al. 1979 ; Eckenfelder, 1982). Le temps global de traitement est
déterminé en tenant compte de toutes les opérations unitaires, traitement biologique et traitement de boues
compris. Le volume du bassin pour un traitement de 410 m3/h devrait être de 30000 m3.
852
Traitement des eaux résiduaires de la raffinerie de pétrole
Tableau III : Rendement de la chaîne de traitement sur chaque indice de pollution.
Caractéristiques
Avant traitement
Après Traitement
Rendement [%]
PH
Turbidité
Conductivité
MES [mg/l]
HC [mg/l]
DCO [mg/l]
DBO5 [mg/l]
Chlorures [mg/l]
7,75
25
2480
135
95
320
98
586
7,9
1,8
2300
19
23
169
70
460
92,77
8
86
76
47,2
28,6
21,5
Chambre de mélange et floculateur.
La cinétique de l’étape de coagulation est rapide (quelques secondes). Les temps de séjour respectifs de 3 et 20
minutes, pour mélanger les réactifs (coagulant) et favoriser la formation des floques (floculation) fixés par les
essais de laboratoire s’avèrent suffisants (Fresenius, Schneider 1988). Le calcul des volumes et des puissances
d’agitation s’appuie sur les équations suivantes :
 P
G = 
 µV



0,5
(2)
et
P = N P ⋅ ρ ⋅ n3 ⋅ D 5
Re =
ρ ⋅ n ⋅ D2
µ
(3)
(4)
Les essais d’agitation ont été réalisés en respectant les rapports de similitudes pour rendre possible l’exploitation
des abaques donnant N P = f (Re) à notre système. Les valeurs du dimensionnement sont regroupées dans les
tableaux IV et V.
Tableau IV : Caractéristiques techniques du coagulateur.
Caractéristiques
du coagulateur
Nombre
Volume
Surface
Hauteur
Largeur
Longueur
Temps de séjour
Puissance Utile
Symbole
Dimension
V
SH
H
L
L
TS
P
2
21 m3
11 m2
2m
3m
3,5 m
3 mn
8 kW
Décanteur et filtres.
Les floculants d’alumine hydratée sont plus ou moins fragiles et possèdent des densités variables. De nombreux
facteurs (vitesse variable en fonction de temps, température, viscosité etc.) rendent impossible le calcul de leur
vitesse de chute et obligent le recours aux essais de laboratoire. Notre dimensionnement s’est basé sur la
littérature et selon plusieurs auteurs (Metcalf et al., 1979; Eckenfelder, 1982) le temps de séjour est limité entre 2
et 4 heures et la profondeur entre 2 et 4 mètres. La prise des valeurs moyennes nous a menés à un volume du
décanteur égal à 620 m3 avec une surface de 154 m2.
853
Cherfaoui
La plupart des installations de clarification d’eaux industrielles de fort débit utilisent des filtres ouverts à
l’atmosphère, en général en béton. Le système le plus utilisé dans les stations d’épuration est la filtration à
grande vitesse (vitesses dépassant 10 m/h, jusqu’à 20 m/h). Le filtre Aquazure type V se classe dans cette
catégorie (Degrémont, 1978), il peut convenir à la future station. Le dimensionnement a été fait sur la base des
données bibliographiques (Metcalf et al., 1979 ; Thomazeau, 1981).
Tableau V : Caractéristiques techniques du floculateur.
Caractéristiques
du Floculateur
Nombre
Volume
Surface
Hauteur
Largeur
Longueur
Temps de séjour
Puissance Utile
Symbole
Dimension
V
SH
H
L
L
TS
P
2
138 m3
28 m2
5m
7m
20 m
20 mn
95 kW
Tableau VI : Variantes du procédé par boues activées.
Procédé
Aération prolongée
Faible charge
Moyenne charge
Forte charge
Charge volumique : CV
[kg DBO5/m3 bassin.j]
< 0,35
0,35 – 0,6
0,6 – 1,5
> 1,5
Charge massique : Cm
[kg DBO5/kg MVS.j]
< 0,07
0,07 – 0,2
0,2 – 0,5
> 0,5
Tableau VII : Caractéristiques du bassin d’aération.
Caractéristiques
du bassin d’aération
Nombre
Volume
Surface
Hauteur
Diamètre
Temps de séjour
Débit à traiter
Charge massique
Charge volumique
Rendement d’épuration
Charge à l’entrée
Charge à la sortie
Concentration de boue
Besoin en oxygène
Puissance Utile
Symbole
V
SH
H
D
TS
Q
Cm
CV
R
X
Qj
P
Dimension
2
2298 m3
511 m2
4,5 m
26 m
6,6 h
410 m3/h
0,1 kg DBO5/kg MVS.j
0,45 kg DBO5/m3 bassin.j
91 %
1034 kg/h
197 kg/h
4,5 kg/m3
1295 kg O2/j
95 kW
Bassin d’aération et de clarification (ouvrages biologiques).
Le traitement physico-chimique a permis d’abaisser la DBO5 à une valeur égale à 70 mg/l. Pour les calculs des
ouvrages biologiques, plusieurs auteurs (Metcalf et al., 1979 ; Eckenfelder, 1982) recommande de prendre un
facteur de sécurité égal à 1,5. Le dimensionnement du bassin d’aération repose sur cette recommandation.
854
Traitement des eaux résiduaires de la raffinerie de pétrole
Compte tenu du type de la pollution résiduelle, le procédé par boues activées est le plus intéressant du point de
vue économique. Le calcul d’une station à boues activée repose sur deux méthodes :
- l’une basée sur le critère «charge des boues»,
- l’autre basée sur le critère «âge des boues».
Mais les deux méthodes se ramènent l’une à l’autre et ne forment fondamentalement qu’une seule (Metcalf et al.,
1979 ; Edeline, 1980 ; Eckenfelder, 1982). Il existe quatre variantes de traitement par boues activées (tableauVI).
Le procédé à faible charge convient lorsqu’on veut obtenir un volume de boues résiduaires faible et éviter à gérer
les digesteurs. Le bassin d’aération préconisé pour la station a été dimensionné sur cette considération. Le calcul
du besoin en oxygène a permis de prévoir la puissance requise pour le brassage. Le choix du système d’aération
s’est basé sur ce qui est le plus utilisé à l’échelle mondiale, c’est-à-dire, l’aérateur mécanique de surface. Les
caractéristiques du bassin sont regroupées dans le tableau VII
CONCLUSION
La préconisation et le dimensionnement du traitement complet reposent sur l’analyse du rejet principal et sur les
données bibliographiques. Pour un suivi rigoureux des ouvrages de traitement biologique, un bioréacteur devrait
être disponible au niveau du laboratoire pour étudier les inhibitions, les carences et l’adaptation des souches sur
les composés hydrocarbonés difficilement biodégradables.
NOTATION
Symboles
Unités
Signification
D
DOeb
DOet
E
G
NP
P
Re
V
n
[m]
[-]
Diamètre de l’agitateur
Densité optique de l’eau brute
[-]
Densité optique de l’eau traitée
[%]
[s-1]
[-]
Turbidité éliminée
Gradient de vitesse
Nombre de puissance
µ
ρ
ζ
[W]
[-]
[ m3 ]
[s-1 ]
[N.s/m2 ]
[kg/m3 ]
[mV]
Puissance
Nombre de Reynolds
Volume
Nombre de tours par seconde
Viscosité dynamique
Masse volumique
Potentiel Zêta
REFERENCES
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Technip. Paris.
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Eckenfelder, W.W. (1978). Gestion des eaux usées urbaines et industrielles. Traduit de l’Américain par L.
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Cedeboc. Liège.
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