Une nouvelle technologie a base de charbon actif fluidise derivee

Direction de la Recherche et du Développement
RAPPORT D’ETUDE – Juillet 2005
(Version pour diffusion)
UNE NOUVELLE TECHNOLOGIE A BASE DE
CHARBON ACTIF FLUIDISE DERIVEE DU
PROCEDE CARBOFLUX®:
LE PROCEDE CARBOPLUS®
SOMMAIRE
INTRODUCTION _____________________________________________ 3
I - Matériels et Méthodes_____________________________________ 5
I.1. Choix des charbons actifs ______________________________________ 5
I.2. Descriptif des ensembles pilote et protocole de travail ________________ 5
1.
2.
3.
Colonne test d’expansion des matériaux __________________________________ 5
Montage pilote de la plateforme d’essai du JAUNAY (85)_____________________ 6
Montage colonne test de filtration sur CAG _______________________________ 9
I.3. Paramètres de contrôle _______________________________________ 10
I.5. Méthodes analytiques ________________________________________ 10
II - RESULTATS EXPERIMENTAUX ____________________________ 11
II.1. Sélection des charbons actifs et mise en œuvre du procédé __________ 11
1.
Résultats hydrauliques ______________________________________________ 11
II.2.Résultats globaux des tests de validation hydraulique et épuratoire _____ 12
1.
2.
3.
Evolution du lit de CAF et qualité de la séparation __________________________ 12
Performances épuratoires dans l’élimination de la MO et de micropolluants organiques 17
Impact du procédé d’affinage sur la filtration UF basse pression _______________ 21
III DISCUSSION ___________________________________________ 22
IV NOUVEAUX OBJECTIFS DE RECHERCHE ______________________ 25
Page 2 / 26
INTRODUCTION
Le procédé CARBOFLUX ® a été développé et optimisé dans les années 1997-2000 pour
être incorporé à l'origine sur les filières de traitement d’eau de surface comme
traitement d’affinage avant filtration finale dans l’élimination des micropolluants
organiques en substitution au CAG notamment. Le concept du produit repose sur
l'optimisation des performances du charbon actif sous forme de poudre (CAP) par une
mise en œuvre innovante dans un réacteur de contact parfaitement agité contenant la
suspension de CAP (réacteur à Charbon Actif Fluidisé ou CAF) à hauteur de plusieurs
grammes par litre dont le renouvellement est continu. Les étapes de dépollution et de
séparation du charbon de l’eau traitée sont réalisées dans des ouvrages
distincts respectivement de contact, floculation et décantation.
La technologie s’avère très adaptée aux eaux de surface plus particulièrement marquées
par une forte pollution organique et sensible à l’eutrophisation en dégageant des
performances épuratoires importantes vis-à-vis du COT et en offrant une seconde
étape de clarification propice à l’élimination des MES et différents constituants à l’état
colloïdal. Ces fonctions respectives qui s’ajoutent au traitement curatif des
micropolluants organiques permettent notamment de proposer sur ce type d’eau une
filtration finale sur membrane d’ultrafiltration en mode frontal. Parmi la douzaine de
réalisations industrielles CARBOFLUX®, nous citerons en exemple les références
CARBO-RM (Association CARBOFLUX® / UF) de HENNEBONT (56,1000 m3/h),
ROCHEREAU (85, 800m3/h) et CONFOLENS (16, 300 m3/h) où la filtration UF
(Membranes X-FLOW) est exploitée en filtration frontale basse pression.
Dans le cadre de son programme de recherche 2004, la Direction de la Recherche et du
Développement (anciennement Direction Développement Scientifique et Technique) a
fixé un nouvel axe de recherche sur les développements possibles de filière de
traitement au charbon actif/filtration sur média granulaire ou système membranaire, en
définissant un nouveau design de procédé à CAF adapté sur le plan technico-économique
à de nouvelles cibles que constituent le traitement des eaux souterraines peu à
moyennement turbides ou des eaux de surface à faible pollution organique type eau de
nappe alluviale ou eau de lac en particulier.
Pour les objectifs, le procédé doit conduire à une simplification technique importante du
produit d’origine CARBOFLUX® par une diminution sensible de la taille d’installation, la
réduction du nombre d’ouvrages et des équipements, tout en conservant dans une large
mesure les bases du traitement fondées sur la dépollution par un lit de charbon actif
fluidisé renouvelé en continue par ajout de charbon neuf et extraction de CAF en
quantité équivalente.
Page 3 / 26
L’étude de conception et de développement du prototype pilote a été bâtie sur le
principe de réunir au sein d’un ouvrage unique les étapes fondamentales de dépollution et
de séparation de l’eau d’un lit de charbon actif fluidisé en recherchant des perte en CA
sous le milligramme par litre dans les eaux destinées à la filtration.
Filtration
sur
média
granulaire ou système
membranaire (UF mode
frontal)
Bassin de
contact
/
séparation
CA ≤ 1 mg/l
Le schéma directeur de mise en œuvre de la technologie a été le suivant :
-
-
Admission de l’eau à traiter par sousverse ;
Mise en contact avec un lit de charbon fluidisé avec création d’une interface
lit de charbon / eau dépolluée, renouvelé par apport de CA neuf et purge du
lit ;
Contact/Séparation au sein d’un ouvrage unique ;
Admission d’eau dépolluée à faible teneur en CA sur l’étage de filtration
(objectif : CA ≤ 1 mg/l)
Dans ce cadre de travail, les points successifs abordés dans ce document sont les
suivants :
-
Les critères de sélection granulométrique des charbons actifs à partir de
tests hydrauliques réalisés sur une large gamme d’adsorbants sous forme
poudre ou grain ;
-
La recherche des performances épuratoires du procédé et des moyens de
contrôle du lit de CAF suivant la nature des eaux (traitement direct d’eau
brute type eau souterraine ou reprise d’eau clarifiée avant filtration) et la
classe granulométrique du charbon.
Page 4 / 26
-
L’incidence du procédé sur l’étape de filtration dans le cadre du couplage du
procédé à CAF à la filtration UF basse pression avec la technologie utilisant
des fibres creuses en mode frontal (alimentation de l’intérieur vers
l’extérieur sans recirculation).
La première phase d’étude a été réalisée dans nos locaux techniques de Maurepas. Elle a
abouti à la conception d’un prototype destiné à la phase de validation sur un site pilote
basé en Vendée (ressource – eau de surface). Deux charbons ont été comparés à cet
effet avec le suivi en parallèle de deux réacteurs de contact / séparation alimentés à 3
m3/h pour chacun.
I - MATERIELS ET METHODES
I.1. Choix des charbons actifs
Les tests hydrauliques ont été réalisés principalement sur des charbons de
granulométrie intermédiaire entre celle des CAP ou (charbon actif en poudre) et CAG
(ou charbon actif en grain) classiquement utilisés en application eau potable avec le
choix de tailles effectives (ou TE) comprise entre 0,1 et 0,4 mm (par comparaison au
CAG classique de TE proche à supérieur à 0,8 mm). A l’issue des tests, un charbon a été
retenu sous deux gammes granulométriques avec les appellations CAG 2 et CAG 3 (taille
effective respective de 0,2 mm et 0,3 mm) dans les essais de validation et
d’optimisation sur la plateforme d’essai du JAUNAY (85).
I.2. Descriptif des ensembles pilote et protocole de travail
1. Colonne test d’expansion des matériaux
Les courbes de fluidisation des matériaux ont été obtenues à partir de tests
d’expansion des matériaux sur colonne PVC transparent de diamètre 150 mm, avec
injection d’eau en partie basse par pompe PCM Moineau, répartition de l’eau par plancher
crépiné (3 tuyères de fente 0,2 mm) surmonté d’un lit de sable de TE 2,8 mm (hauteur
de couche 8 cm). La hauteur initiale du matériau tassé a été fixée à environ 50 cm. Les
charbons sont préalablement maintenus sous eau sur une période de 24 heures minimum
avant l’essai (opération de mouillage) et ensuite débarrassés des fines constituées de
résidus de cendres alcalines (ensemble des charbons d’origine activés thermiquement)
par passage d’eau en flux ascendant (pompe d’alimentation PCM Moineau 0,1 – 1 m3/h).
Page 5 / 26
2. Montage pilote de la plateforme d’essai du JAUNAY (85)
L’étude préalable de faisabilité a été suivie d’essais de validation et d’optimisation sur la
plateforme d’essai du JAUNAY (85). Pour la réalisation, un prototype pilote a été
développée sur la base d’une colonne de contact/séparation, de diamètre extérieure 600
mm et de hauteur utile voisine de 3900 mm, fonctionnant en flux ascendant avec
admission de l’eau à traiter en partie basse dans une zone aménagée et évacuation des
eaux traitées par goulotte circulaire. Des prises d’échantillons sont disposées sur toute
la hauteur de colonne à intervalle de 20 cm environ.
Circuit d’injection de CA neuf
Lit de CA
Circuit d’extraction
de CAF
Lit de gravier + sable
Rampe d’eau brute
Figure 1 : Schéma de principe du prototype pilote (lit au repos et fluidisé)
Page 6 / 26
Affluent
Poste de stockage dosage
de polluants
8 m3/h
Réserve
Eau Brute
Compresseur
D’air de lavage
Réacteurs de
contact/séparation
(dia 600)
Figure 2 : Disposition générale de la filière pilote et vue des unités du site d’étude
Pour les besoins d’entretien des réacteurs à lit de CAF à la mise en route et dans
l’élimination des MES apportés par l’affluent notamment, un circuit de lavage à l’eau + air
a été disposé sur l’installation avec passage de l’eau (affluent) et l’air de lavage par le
circuit d’eau brute. Enfin, l’ensemble pilote a été équipé d’outils de contrôles classiques
de débit et de perte de charge.
Dans le cadre de la recherche des bases de travail du procédé à CAF dans l’élimination
des pesticides, nous avons retenu l’atrazine comme produit cible. Les solutions
d’enrichissement à 20 mg/l de substance active ont été préparées à partir d’un produit
industriel « ATRAPHYT » se présentant sous forme d’une suspension à 500 g/l.
Page 7 / 26
L’ensemble pilote a été testé sur la période d’étude en traitement d’eau clarifiée ou
filtrée sable de la filière industrielle du JAUNAY schématisée ci-après. Les
caractéristiques principales des eaux étudiées sont rapportées au niveau des résultats
expérimentaux.
Flottation
Ozonation
Affinage
CARBOFLUX®
Filtration sur sable
1
2
Eau flottée
Eau Filtrée sable
Figure 3 : Vue schématique d’ensemble des points de validation du procédé sur la filière
usine du JAUNAY (85)
(Ressource = eau de retenue – coagulant = sulfate d’alumine)
Les matériaux de garnissage étudiés et les conditions de fonctionnement hydrauliques
retenues sont rapportés dans le tableau suivant.
Tableau I : Composition des colonnes de contact/séparation et protocole de travail
Désignation
Charbon
étudié
Volume de
garnissage
(l)
Débit
Vitesse
d’alimentation ascensionnelle
(m3/h)
(m/h)
Temps de
contact
(min)
Pilote P1
CAG 2
198
3
11
4
Pilote P2
CAG 3
CAG 3
198
383
3
3
11
11
4
7,7
Le renouvellement du charbon des réacteurs est effectué en régime de production avec
l’injection de charbon neuf au sein du lit de CAF en partie haute et extraction de CAF
en quantité équivalente à la base du lit en mode gravitaire. Les dosages en adsorbant ont
été réalisés en mode continu puis discontinu. Les extractions ont été réalisées en mode
discontinu.
Remarque : les prélèvements d’échantillons d’eau traitée issus des réacteurs pilotes et
destinés à la détermination du COT et des pesticides organo-azotés sont réalisés dans
le cas général dans les dernières heures précédant l’ajout de charbon neuf lorsque
l’apport est discontinue. En conséquence, les résultats présentés sur ces paramètres
sont représentatifs de une à trois journées de fonctionnement sans renouvellement
d’adsorbant.
Page 8 / 26
3. Montage colonne test de filtration sur CAG
L’étude du procédé à CAF a été complétée d’un test en colonne de filtration sur CAG
afin d’obtenir des éléments de comparaison sur les performances du charbon actif
suivant la mise en œuvre. Pour la réalisation, les essais conduits sur les mêmes affluents
ont disposé du montage pilote schématisé ci-après (test en colonnes de laboratoire de
diamètre 30 mm). Nous avons retenu comme adsorbant un charbon actif à base de
tourbe (activation à la vapeur) communément utilisé en traitement d’eau à potabiliser. Le
temps de contact a été fixé à 10 min. Les essais ont été réalisés sur 4 mois environs
entre les mois d’août et décembre 2004.
Figure 4 : Schéma de montage pilote de
filtration sur CAG (test en colonnes verre ∅
30 mm)
Qv = 900 ml/h
(pompe Gilson
Minipuls)
Colonne Sable
TE 0,8 mm
Colonne CAG
(150 ml, Tc = 10 min)
Page 9 / 26
I.3. Paramètres de contrôle
Les paramètres de contrôle du procédé ont été axés sur deux points principaux avec :
-
-
le contrôle du lit de CAF et de la qualité de la séparation du charbon de l’eau
décantée à partir de l’analyse des profils de concentration dans le lit de CAF
et le surnageant;
l’impact du procédé à CAF sur l’évolution physico-chimiques et organiques de
l’eau après passage sur le procédé.
Pour la première analyse, l’examen a consisté à la détermination des MS ou MES, de la
turbidité et de la hauteur de l’interface lit de charbon/surnageant. Pour la seconde
analyse, différents paramètres globaux ont été retenus avec la détermination sur site
des paramètres pH, température, turbidité, MES et Absorbance UV à 254 nm
principalement (autres paramètres comme ammonium, TAC, TH total, Al, Fe et Mn à
titre ponctuel) et la détermination par le Laboratoire Central de Maurepas des
paramètres COT, COD et la recherche des pesticides organo-azotés.
Les eaux de lavage issues des réacteurs ont fait l’objet de bilans massiques et de suivi
de turbidité des eaux de rinçage.
I.5. Méthodes analytiques
Déterminations réalisées par le Laboratoire Central SAUR de Maurepas
-
La détermination du COT (Carbone Organique Total) a reposé sur l’analyse du CO2
produit par oxydation du carbone organique à 680 °C en présence d’un catalyseur
haute sensibilité en platine par détection IR sur un analyseur Shimadzu TOC-5050A
(injecteur ASI-5000A) – norme T90 – 102 (NF EN 1484) ;
-
L’analyse des pesticides organo-azotés a été réalisée par chromatographie liquide,
suivant la méthode normalisée AFNOR NF EN ISO 11369 ;
Page 10 / 26
Déterminations réalisées sur site
-
L’absorbance UV à 254 nm a été mesurée sur un spectrophotomètre HACH DR 4000
U en cuves de 1 ou 5 cm suivant les points de prélèvement ;
-
La température et le pH ont été relevés sur un pHmètre WTW pH 330 I ;
-
La turbidité est déterminée par mesure infrarouge sur turbidimètre de laboratoire
WTW modèle TURB 550 IR (méthode ISO 7027) ;
-
Les Matières En Suspension (M.E.S.) sont déterminées par la méthode par filtration
sur disque filtrant en fibre de verre (norme NFT 90-105) ;
-
Le contrôle des pertes de charge des réacteurs de contact/séparation a été réalisé
avec un manomètre portable EUROLEC Modèle PR 203 (0 – 1000 mbar).
II - RESULTATS EXPERIMENTAUX
II.1. Sélection des charbons actifs et mise en œuvre du procédé
1. Résultats hydrauliques
La figure 5 rassemble les courbes de fluidisation caractéristiques des produits CAG 2
et CAG 3 sur une gamme étendue de vitesses de fluidisation.
350
300
9°C
20 ° C
Expansion du lit (%)
9°C
250
charbon CAG 2
200
20 ° C
150
100
charbon CAG 3
50
0
0
5
10
15
20
Vitesse linéaire (m/h)
25
30
Figure 5 : Evolution du taux d’expansion de différents charbons actifs de taille
effective 0,2 mm (CAG2) et 0,35 mm (CAG3)
Page 11 / 26
L’interface lit de charbon / surnageant est bien marquée avec une eau exempte de
particules en partie supérieure de colonne à des vitesses linéaires comprises entre 5 et
12-14 m/h sur le matériau le plus fin et 5 à 20-22 m/h sur le second matériau de
granulométrie plus élevée. Ce résultat est vérifié aux deux températures d’expérience.
Ce comportement a été retrouvé sur d’autres charbons de différents fournisseurs dans
des gammes granulométriques voisines de celles des charbons CAG 2 et CAG 3.
Ces premiers résultats de test hydraulique témoignent des possibilités de travailler en
lit fluidisé sans recourir à l’emploi de réactifs de coagulation/floculation à effet lestant
ni à un système d’agitation mécanique pour homogénéiser le lit de CAF.
Ces différentes observations nous ont conduits à la conception d’un prototype pilote
dont différentes caractéristiques ont été préalablement décrites dans le chapitre I.2..
La bonne adéquation du système testé (jeu de ramifications noyées dans une zone
aménagée) au procédé développé dans ce travail a été validée sur la plateforme
expérimentale du JAUNAY. Différents résultats sont exploités dans le chapitre
suivant.
II.2.Résultats globaux des tests de validation hydraulique et épuratoire
L’ensemble des expériences menées sur la plateforme d’essai du JAUNAY (85) a été
réalisé sur les charbons CAG2 et CAG 3 sur la période MAI à DECEMBRE 2004.
1. Evolution du lit de CAF et qualité de la séparation
Les réacteurs pilote ont été alimentés en parallèle avec deux qualités d’eau
représentatives d’eaux décantées issues d’une clarification (Affluent = Eau Flottée
usine) ou d’eaux filtrées sable (Affluent = Eau filtrée sable usine ou eau distribuée en
provenance de l’installation industrielle d’Apremont (85)). La seconde ressource (eau de
retenue, coagulant = chlorure ferrique) a été testée lors de l’arrêt de l’installation du
site d’étude pour des raisons de vidange de la retenue pour travaux. Ces deux qualités
d’eau nous ont permis de suivre le comportement du lit de CAF et d’appréhender les
moyens d’exploitation du procédé face à des variations de teneurs en MES et turbidité
de l’eau à traiter.
Page 12 / 26
Tableau II : caractéristiques physico-chimiques des eaux étudiées
Origine
pH
TAC (°F) TH (°F)
Eau filtrée sable (Jaunay)
Eau Flottée (Jaunay)
Eau de réseau (Apremont)
7,1 à 8,1
5,9 à 6,3
7,7 à 8,1
7à9
2à5
8à9
13 à 15
10 à 11
18 à 19
Turbidité Affluent
Turbidité Sortie P1
Turbidité Sortie P2
Température (°C)
7
6,5
6
5,5
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
35
30
25
20
15
10
Température (°C)
Turbidité (NFU)
La figure 6 présente l’évolution de la turbidité en sortie des deux ouvrages pilotes sur la
durée totale d’étude sur l’exercice 2004 à des températures d’eau comprises entre 6 et
25 °C. Pour des eaux filtrées (EFS ou eau filtrée sable de l’installation du JAUNAY et
eau de réseau en provenance d’Apremont) caractérisées par des valeurs de turbidité
sous les 0,5 NFU, les teneurs sont équivalentes en entrée et sortie d’ouvrage. En
traitement d’eau flottée, il a été observé un écrêtement de la turbidité en période de
forte dégradation de l’affluent sans perte en particules de charbon.
5
0
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Durée (jours)
EFS
EFlottée
EFS
Apremont
Figure 6 : Evolution de la turbidité en entrée et sortie d’ouvrages de contact/séparation
(Vasc = 11 m/h, résultats comparatifs avec les charbons CAG2 et CAG3)
Page 13 / 26
La figure 7 rend compte de courbes de fluidisation caractéristiques des charbons
étudiés en traitement d’eau à faible turbidité (turbidité affluent < 0,5 NFU). L’interface
lit de CAF/surnageant est bien marquée avec le passage de concentration en MS voisine
à supérieur à 100 g/l pour les deux charbons à moins de 1 mg/l en MES sur les 20 à 40
premiers centimètres de hauteur d’eau libre.
T empérature = 18 °C
T empérature = 13 °C
1000
100
100
10
MES/MS (g/l)
MES/MS (g/l)
T empérature = 22,3 °C
T empérature = 15,1 °C
1000
1
0,1
0,01
10
1
0,1
0,01
0,001
0,001
0
100
200
300
Hauteur de colonne (cm)
400
0
100
200
300
400
Hauteur de colonne (cm)
Figure 7.1 : Evolution des MS/MES sur la
Figure 7.2 : Evolution des MS/MES sur la
hauteur de réacteur P1 (CAG2)
hauteur de réacteur P2 (CAG3)
Figure 7 : Caractérisation du lit de CAF et qualité du surnageant sur les réacteurs
pilotes à Vasc. = 11 m/h en traitement d’eau à faible turbidité
(hauteur de garnissage au repos : P1 : 105 – 110 cm ; P2 : 170 – 180 cm)
Sur la hauteur de lit de CA, il y a formation d’un gradient de concentration plus
particulièrement marqué sur le matériau le plus fin CAG 2. Les pertes en charbon en
surverse d’ouvrage sont maintenues en dessous de la limite de détermination analytique
des MES soit 0,5 mg/l.
Page 14 / 26
La mise en fluidisation des matériaux conduit à une classification granulométrique
partielle des charbons avec une plus forte proportion de particules de faible taille au
sommet des lits. Ce point est illustré sur la figure 8.
P1 - H = 62 cm
100
100
90
90
80
80
70
70
% par classe
% par classe
CAG2 à réception
P1 - H = 242 cm
60
50
40
CAG3 à réception
P2 - H = 220 cm
P2 - H = 48 cm
60
50
40
30
30
20
20
10
10
0
0
0,1 à 0,2 0,2 à 0,3 0,3 à 0,4 0,4 à 0,5
< 0,1
0,1 à 0,2
0,2 à 0,3 0,3 à 0,4
taille (mm)
0,4 à 0,5
> 0,5
taille (mm)
0,5 à
0,63
0,63 à
0,8
> 0,8
Figure 8.1 : répartition par classe
Figure 8.2 : Répartition par classe
(réacteur P1 – CAG 2)
(réacteur P2 – CAG 3)
Figure 8 : Caractéristiques granulométriques du lit de CAF des réacteurs P1 et P2
(Vasc. = 11 m/h, température = 17 °C)
La période de forte turbidité couverte sur l’eau flottée, indicatrice de la présence
d’hydroxydes d’aluminium en forte concentration et d’autres constituants à l’état
particulaire ou colloïdal, nous a permis de suivre la réponse du lit fluidisé suivant la
gamme granulométrique de charbon sélectionné. L’écrêtement de la turbidité indique une
rétention en MES des réacteurs. Elle conduit sur les périodes de dégradation à des taux
de fluidisation plus élevés et à une évolution des gradients de concentration en charbon
relativement marqués avec le matériau le plus fin du réacteur P1. Pour l’autre matériau,
le piégeage en MES est beaucoup plus faible et n’entraîne pas d’augmentation sensible
de la hauteur de fluidisation. Les résultats graphiques de la figure 9 précisent les
hauteurs de fluidisation atteintes et les taux d’expansion résultants sur les deux
pilotes.
Le recouvrement des hauteurs de fluidisation d’origine est obtenu en réalisant
périodiquement des opérations de lavage à l’air+eau. Pour le pilote P1, l’espacement entre
deux lavages a pu être amené à 2000 – 2500 VV-1 (volume d’eau traité / volume de CA au
repos). Pour le second pilote, les lavages peuvent être réalisés tous les 10 000 VV-1. Les
charges éliminés en MES au lavage du réacteur P1 ont pu dépasser les 2 kg MES/m2.
Page 15 / 26
35
30
7
6
Température (°C)
Turbidité (NFU)
25
20
5
4
15
10
3
2
5
0
1
0
200
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
Durée (jours)
AFFLUENT
400
400
Hauteur de lit au repos (gravier + CA) - cm
Hauteur de lit fluidisé (gravier + CA) - cm
350
PILOTE P1 (CAG2)
350
Taux d'expansion du CA (%)
300
300
250
250
200
200
150
150
100
100
50
50
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
Durée (jours)
400
400
Hauteur de lit au repos (gravier + CA) - cm
Hauteur de lit fluidisé (gravier + CA) - cm
Taux d'expansion du CA (%)
350
0
200
PILOTE P2 (CAG3)
350
300
300
250
250
200
200
150
150
100
100
50
50
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
0
200
Durée (jours)
Figure 9 : Incidence de la température et de la turbidité de l’affluent sur l’évolution
des hauteurs de lit de CA des réacteurs P1 et P2 sur la durée d’étude
Page 16 / 26
2. Performances épuratoires
micropolluants organiques
dans
l’élimination
de
la
MO
et
de
La recherche des bases de dimensionnement adaptés à l’élimination de micropolluants
organiques a été orienté dans l’élimination des pesticides avec comme produit cible
l’atrazine.
Les variables étudiées sur chacun des charbons ont été le temps de contact dans la zone
réactionnelle et la dose de charbon neuf assurant le renouvellement du lit de charbon
avant saturation en micropolluants. Le tableau IV résume les conditions de
fonctionnement adoptées sur les pilotes P1 et P2. Les niveaux de pollution en atrazine
ont été élevés afin de rendre compte rapidement des conditions de fonctionnement
appropriés.
Tableau IV : Récapitulatif des conditions de fonctionnement des pilotes P1 et P2
Réacteur
Période
Durée
Volume de Temps de Consommation
d’essai
charbon
contact
moyenne de CA
(j)
actif (l)
(min)
neuf(g/m3)
P1 (CAG 2)
Mai – Octobre
Octobre– Décembre
135
65
198
198
4
4
10
13
P2 (CAG 3)
Mai – Juin
35
198
4
10
Juin - Octobre
Octobre - Décembre
105
65
383
383
7,7
7,7
10
13
Les résultats graphiques de la figure 10 montrent l’évolution des profils de fuite en
pesticide suivant les réglages réalisés. La fuite prématurée en atrazine observée sur le
réacteur P2 entre 30 et 35 jours de traitement s’explique par le choix d’un temps de
contact limitant à l’origine de l’étude pour la gamme granulométrique étudiée. Le
problème est levé en doublant approximativement le temps de contact. Par la suite, et
pour les deux gammes granulométriques étudiées spécifiquement sur chacun des
réacteurs, nous observons des comportements épuratoires identiques. Pour les eaux
étudiées, à teneur moyenne à élevée en MO suivi à partir des paramètres COT et
absorbance UV, le renouvellement du charbon est optimisé en ajustant le dosage de CA
neuf à hauteur des 13 mg/l.
Page 17 / 26
3
Atrazine (µg/l)
2,8
Affluent
Sortie P1 (CAG 2)
2,6
Sortie P2 (CAG 3)
2,4
2,2
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
P2 - Tc = 4 min
P2 - Tc = 7,7 min
0,2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
Durée (jours)
CA consommé = 10 mg/l
CA consommé = 13 mg/l
Figure 10 : performances épuratoires dans l’élimination de l’atrazine
Evolution de l’atrazine suivant les conditions d’exploitation du charbon actif
La détermination analytique de l’atrazine a été associée à la recherche des pesticides
organoazotés et apparentés. Il a été observé la présence comme autre pesticide de
diuron sur une période de deux mois environs à des teneurs de 0,05 à 0,07 µg/l dans
l’affluent (eau flottée). Aucune présence n’a été détectée dans les eaux traitées
(< limite de détection de 0,05 µg/l).
Les figures 11 et 12 suivantes illustrent respectivement l’évolution du COT et de
l’absorbance UV à 254 nm sur les deux unités pilote. Notons la croissance très rapide
des fuites en COT et de l’absorbance UV sur le réacteur pilote P2 comparativement aux
fuites respectives obtenues sur le réacteur pilote P1 sur les 30 premiers jours d’étude
lorsque le temps de contact était de 4 min. Le passage à un temps de contact de 7,7 min
sur le pilote P1 conduit à des résultats épuratoires similaires à légèrement meilleurs à
ceux du pilote P2 (figure 13). Comme sur les autres techniques à charbon actif de type
filtration sur CAG ou procédé CARBOFLUX®, on observe un écrêtement stable en MO au
cours du temps attribuable aux propriétés adsorbantes voire biologiques des lits de CA.
Page 18 / 26
7
-1
COT (mg l )
Affluent
6
Sortie P1(CAG 2)
5
Sortie P2 (CAG 3)
4
3
2
1
0
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Durée (jours)
Figure 11 : performances épuratoires du procédé à CAF dans l’élimination de la MO
Evolution du COT
0,14
Absorbance UV à 254 nm
(cm-1)
0,12
Affluent
Sortie P1(CAG 2)
0,1
Sortie P2 (CAG 3)
0,08
0,06
0,04
0,02
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Durée (jours)
Figure 12 : performances épuratoires du procédé à CAF dans l’élimination de la MO
Evolution de l’absorbance UV à 254 nm
100
100
Abattement (%)
Abattement (%)
Sortie P1 (CAG 2)
Sortie P2 (CAG 3)
80
80
60
60
40
40
20
20
Sortie P1 (CAG 2)
Sortie P2 (CAG 3)
0
0
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Durée (jours)
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Durée (jours)
Figure 13.1 : Abattement en COT
Figure 13.2 : Abattement en Abs. UV
Figure 13 : performances épuratoires du procédé à CAF dans l’élimination de la MO
Evolution des rendements épuratoires
Page 19 / 26
Les performances épuratoires du système à CAF vis-à-vis de l’atrazine peuvent être
quantifiées en calculant les quantités éliminées par unité de masse d’adsorbant. Les
bilans sont regroupés dans le tableau V suivant.
Tableau V : Bilan épuratoire dans l’élimination de l’atrazine par le procédé à CAF
Conditions opératoires
Réacteur
*Tc
(min)
[Atrazine]
affluent
(µg/l)
P1 (CAG2)
4
1,3 (0,8 à
1,7)
1,3 (0,8 à
2,6)
1,2 (0,8 à
1,7)
1,4 (0,8 à
2,8)
4
P2 (CAG3)
4
7,7
Dosage
net en
CA
(mg/l)
9,5
Etat du réacteur à
l’établissement du bilan
Volume
Taux de
traité
renouvellement
(V/V)
en CAF réalisé (%)
Performances épuratoires
Quantité
éliminée
(µg/g)
Fuite en
atrazine
(µg/l)
38 000
82
80
0,1 à 0,3
13
70 000
210
78
≤ 0,05
5
12 000
17
30
0,1
13
35 100
105
68
≤ 0,05
(* Tc = temps de contact)
Les quantités éliminées sont élevées en régime établi après optimisation des dosages en
CA neuf et en conséquence des taux de renouvellement adaptés à la nature de l’eau et au
niveau de pollution en pesticide à traiter. Pour cette étude, le taux de renouvellement
optimal en CAF est de 103 jours sur le pilote P1 et de 198 jours sur le pilote P2 à des
dosages nets de CA neuf équivalents sur les unités soit 13 mg/l.
Les dosages sont beaucoup plus faibles que ceux pouvant être dégagés d’une filtration
CAG. L’étude menée en parallèle sur la colonne CAG à l’échelle laboratoire le démontre
clairement. Nous observons un profil de fuite croissant en atrazine qui dépasse la Limite
de Qualité des 0,1 µg/l à des volumes traités de l’ordre des 10 000 à 15 000 VV-1. Les
performances mesurées sont en accord avec nos travaux de recherche réalisés sur la
technique en traitement d’eau superficielle à des échelles pilotes plus représentatives
(tests en colonne de diamètre 150 mm à 800 mm). Pour le charbon à base de tourbe
étudié, à un temps de contact de 10 min, la consommation résultante est comprise dans
une fourchette de 30 à 36 mg/l (figure 14).
Page 20 / 26
0,4
-1
Sortie P1 (CAG 2 - Tc 4 min)
Sortie P2 (CAG 3 - Tc 7,7 min)
Sortie CAG (charbon de tourbe - Tc 10 min)
Atrazine (µg l )
0,3
consommation en CAG
= 30 - 36 mg/l
0,2
Réglage à 13 mg/l
de CA
0,1
-1
≤ LD de 0,05 µg l
0
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
Volume traité (V/V)
Figure 14 : Comparaison des performances du procédé à CAF à la filtration CAG
Evolution des profils de fuite en atrazine
(Etude de cas en traitement d’eau superficielle)
3. Impact du procédé d’affinage sur la filtration UF basse pression
Les résultats présentés dans le chapitre II.2.1 ont montré la très bonne qualité de la
séparation du lit de CAF de l’eau traitée. Les pertes en particules de charbon sont
estimées à moins de 0,5 mg/l de MES. En conséquence, les performances hydrauliques
de la filtration UF basse pression en mode frontal sur fibre creuse ne peuvent être
altérées.
Enfin, dans le cadre d’une application du procédé en amont d’un système membranaire,
nous avons été amenés à évaluer l’impact du procédé sur le pouvoir colmatant des eaux
traités à partir de la détermination du SDI (ou Silt Density Index) et du MFI (ou
Modified Fouling Index). Ces indicateurs de résistance à la filtration ne sont affectés
par l’étape d’affinage.
Page 21 / 26
III DISCUSSION
- Définition et application du procédé à CAF en traitement d’affinage
Les résultats de la recherche réalisée sur l’année 2004 nous ont permis de concevoir et
valider à l’échelle pilote un nouveau procédé d’affinage au charbon actif en dépollution
d’eau contenant des micropolluants organiques.
L’idée novatrice du procédé dénommé CARBOPLUS® repose sur la mise en fluidisation
d’un lit de charbon actif au sein d’un ouvrage unique fonctionnant en flux ascendant
assurant les fonctions de dépollution par adsorption et de séparation par simple
décantation en partie supérieure. La création d’un lit mobile nous permet le
renouvellement continu du CA du réacteur de contact en régime de production comme
sur le CARBOFLUX® en ajoutant régulièrement du charbon neuf en remplacement du
charbon soutiré en quantité équivalente du lit. Le renouvellement continu du lit de CAF
et la masse importante de charbon actif en contact (plusieurs centaines de gramme par
litre) nous permet de garantir la pérennité des performances épuratoires. Ce mode
d’exploitation évite tout risque de relargage de micropolluants et permet de répondre à
de fortes variations de niveau de pollution tant en nature que concentration.
Circuit d’injection de CA
neuf
Niveau de restitution
des eaux décantées
Eau traitée
Lit de Charbon Actif
Fluidisé (CAF)
Lit de charbon
actif au repos
Circuit
d’extraction
De CA usagé
Rampe d’admission
Lit de gravier
Etat du réacteur à
l’arrêt
Eau brute
Etat du réacteur en
production
Schéma de principe du procédé CARBOPLUS®
La première phase d’étude nous a permis de formaliser les moyens de mise en œuvre en
retenant des charbons actifs de granulométrie intermédiaire entre celle des CAP et
CAG et de densités élevées pour atteindre une très bonne séparation de l’eau dépolluée
du lit de charbon actif fluidisé. La seconde phase d’étude a permis d’étudier les moyens
d’exploitation et d’optimisation du procédé en traitement d’eau superficielle en
formalisant les bases de travail adaptées à l’élimination de micropolluants organiques
d’eau superficielle avec l’atrazine comme produit cible.
Page 22 / 26
Les résultats de la phase 1 nous ont permis de sélectionner des charbons actifs
d’utilisation courante dans le traitement de l’eau dans des gammes granulométriques
faibles à très faibles comprises avantageusement entre 200 µm (ou 300 µm) et 600 µm.
Ces critères nous permettent de travailler à des vitesses hydrauliques comprises entre
8 et 15 m/h par exemple avec des charbons actifs de forte densité. Les taux
d’expansion sont compris entre 50 et 250 % suivant les classes granulométriques
retenues à des températures d’eau supérieures à 6°C. Les pertes en charbon actif dans
les eaux décantées sont maintenues sous les 0,5 mg/l de MES.
La définition des bases de travail repose sur le choix du temps de contact dans la zone
réactionnelle et le taux de renouvellement en charbon du lit de CAF à adopter suivant la
nature de la pollution et le charbon sélectionné.
Dans le cadre de notre application en traitement d’eau superficielle, les essais pilote
réalisés sur deux colonnes de contact/séparation de diamètre extérieur 600 mm
alimentées à 3 m3/h (Vasc = 11 m/h) avec un charbon actif de forte densité sur deux
gammes granulométriques distinctes et dénommé CAG 2 (pilote P1) et CAG 3 (pilote P2)
ont permis d’évaluer les conditions d’exploitation possibles en recherchant des niveaux
de fuite en polluant sous les 0,05 µg/l.
A temps de contact respectif de 4 et 7,7 min pour les charbons CAG2 de TE 0,2-0,25
mm et CAG3 de TE 0,35-0,39 suivant les lots livrés, le taux de renouvellement optimal
en CAF a été de 103 jours sur le pilote P1 et de 198 jours sur le pilote P2. Ces valeurs
conduisent à une consommation nette de charbon de 13 mg/l dans les deux cas de figure
pour des affluents caractérisés par la présence de matière organique dissoute à teneur
moyenne à élevée en COT (2 à 4 mg/l environ) et des niveaux de pollution en atrazine
très élevés ayant dépassé les 2 µg/l.
Comparativement à une filtration sur CAG, les résultats comparatifs déduits d’un test
en colonne de filtration à l’échelle du laboratoire ont montré une consommation en masse
de charbon actif réduite d’un facteur 2,5 minimum. Cette économie de réactif repose
principalement par le mode de renouvellement adopté par ajout régulier de charbon neuf
et purge en charbon du lit de CAF (ajout en mode continu ou discontinu validé à des
fréquences de 1 fois / jour à 1 fois / 3 jours et soutirage de charbon du lit de CAF en
mode discontinu).
Les expériences réalisées en traitement d’eau clarifiée ou d’eau filtrée sable sur la
plateforme d’essai du JAUNAY (85) ont enfin permis de suivre les moyens de contrôle
du lit de CAF suivant les épisodes de faible à forte turbidité. L’élimination des MES
piégés dans les lits de charbon a pu être réalisée à partir d’opérations de lavage à l’air+
eau.
Page 23 / 26
Les autres points à souligner sont :
-
l’absence de réactifs de coagulation/floculation en assistance à la séparation et
d’équipements de mélange mécaniques grâce à la fluidisation homogène obtenue par
le système de répartition d’eau dans une zone aménagée ;
-
La possibilité de reprise du charbon extrait par le fournisseur ;
- Couplage du procédé à la filtration UF basse pression en mode frontal
Les eaux issues du procédé d’affinage sont assimilables à des eaux décantées. Il est
donc nécessaire de faire suivre le traitement d’une étape de filtration sur média
granulaire ou système membranaire.
Le produit CARBOPLUS® a été conçu et développé à l'origine de l’étude dans le cadre de
la définition de filières intégrant la filtration UF en traitement d’eau souterraine peu à
moyennement turbide contenant des micropolluants organiques. Les très faibles teneurs
en CA des eaux traitées du procédé d’affinage n’altèrent pas les performances
hydrauliques du système membranaire. Le traitement d’affinage peut être suivi le cas
échéant d’une étape de filtration conventionnelle sur média granulaire (filtre à sable ou
filtre bicouche sable/anthracite suivant les niveaux de turbidité de la ressource).
CARBOPLUS®
FILTRATION
UF
CARBOPLUS®
FILTRATION
SUR SABLE
CARBOPLUS®
FILTRATION
BICOUCHE
Page 24 / 26
IV NOUVEAUX OBJECTIFS DE RECHERCHE
L’ensemble des résultats acquis sur ce nouveau procédé nous incite à prospecter de
nouveaux champs d’application du produit élaboré sur l’année 2004 dans l’élimination
d’autres micropolluants organiques que les pesticides et en recherchant les possibilités
d’association du CA à d’autres matériaux dépolluants intéressant des constituants
métalliques ou minéraux. Le site d’étude retenu est la base pilote du JAUNAY (85).
Le premier volet d’étude retenu dans notre programmation 2005 est l’élimination des
solvants chlorés par le procédé CARBOPLUS® avec en complément l’examen de la
filtration sur sable.
Différentes eaux de forage contiennent des solvants chlorés avec le
tétrachloroéthylène et le trichloroéthylène notamment à des concentrations atteignant
plusieurs dizaines de microgramme par litre. Le renforcement de la réglementation visà-vis de ces deux produits (Somme des polluants < 10 µg/l) limite très fortement
l’applicabilité de techniques conventionnelles proposées avant changement des normes
comme la filtration sur CAG et conduit à des solutions techniques coûteuses en
investissement et exploitation.
Réglementation vis-à-vis du TCE et TTCE
Paramètres
Ancienne
Réglementation
(valeurs
recommandées)
Trichloroéthylène
(µg/l)
30
Tétrachloroéthylène
(µg/l)
10
Suivant le décret
n° 2001-1220 du
20/12/01
}
LQ = 10
(somme)
Filières potentielles d’élimination du TCE et TTCE:
Option : Traitement de l’air
Stripping à
l’air
Remise à
l’équilibre
Filtration
sur CAG
Correction
acide
Réacteur de
contact
Système
membranaire
CAP
Page 25 / 26
Le traitement de ces micropolluants par les techniques à lit fluidisé de CA comme le
CARBOPLUS® suivi d’une filtration sur sable (ou système membranaire) peut
représenter une solution alternative en favorisant l’effet concentration du lit fluidisé et
son renouvellement continu dans le temps comme tel est le cas dans l’élimination des
pesticides.
Sur le second point, nous avons programmé une étude de faisabilité concernant
l’élimination conjointe de micropolluants organiques et de constituants minéraux ou
métalliques en réunissant en une seule étape plusieurs traitements normalement
dissociés. Les principaux travaux portent sur l’élimination des nitrates sur Résine
Echangeuse d’Ions.
Les essais réalisés à ce jour sont déjà très satisfaisants et ont fait l’objet d’une
première présentation auprès de l’Agence de l’Eau Seine Normandie. L’ensemble de ces
nouveaux travaux a fait l’objet d’une aide financière de l’Agence de l’Eau Seine
Normandie.
Page 26 / 26