Fiche Résumé 05-AEP-01

carboflux® a été développé de 1997 à 2000 en tant que traitement d'affinage d'eau de surface marquée par de fortes concentrations en matières organiques (MO). Son rôle est d'éliminer les micropolluants organiques en substitution notamment au charbon actif en grains (CAG). Le concept permet d'optimiser les performances épuratoires du charbon actif en poudre (CAP) qui était jusqu'alors gaspillé car utilisé en dessous de ses capacités réelles (ajout en début de filière entraînant une compétition entre l'élimination des matières organiques et celle des micropolluants ; temps de contact insuffisant avec l'eau à traiter). carboflux® est installé après la décantation (ou flottation). Il consiste en une seconde floculation/décantation couplée à une mise en œuvre innovante du CAP qui est maintenu en suspension dans un réacteur parfaitement agité à des concentrations de plusieurs g/L. Le charbon prend ainsi le nom de charbon actif fluidisé (CAF) et l’optimisation de ses performances est obtenue par son renouvellement continu : ajout de charbon neuf en quantité équivalente au charbon usagé extrait. Enfin, la séparation avale peut être une filtration classique ou membranaire. Contrairement au CAG, ce mode d'exploitation évite la fuite et le relargage de micropolluants et permet de répondre à de fortes variations de pollution tant en nature qu'en concentration.

En 2004, les objectifs se sont orientés vers une simplification de carboflux® pour l’adapter au traitement direct d'eaux souterraines peu à moyennement turbides ou à l’affinage d’eaux de surface à faible pollution organique. Le réacteur de contact et le décanteur sont alors rassemblés dans un même ouvrage ; c'est le carboplus®. L'eau à traiter y est introduite en flux ascendant créant un gradient de concentration du charbon pour favoriser la décantation en partie supérieure d’ouvrage.

L’objectif de l’étude est de définir les dimensions de ce procédé par des tests hydrauliques sur charbon ; de rechercher les performances épuratoires et les moyens de contrôle du lit de CAF selon la granulométrie du charbon et la nature de l'eau à traiter ; d’étudier l'incidence du procédé sur une ultrafiltration avale (UF basse pression, fibres creuses en mode frontal).

Un pilote (2x3 m3/h) a été installé sur l'usine du Jaunay (Vendée) qui potabilise une eau de retenue. Il a fonctionné sur l'eau filtrée sable de l'usine pour étudier les performances de carboplus® vis-à-vis de l'élimination de l’atrazine (dopage : 1 à 2 µg/L), puis sur l'eau flottée pour tester l'hydraulique en présence de turbidité.

Les tests hydrauliques réalisés en première phase d’étude sur 12 charbons différents (CAP et charbon de taille intermédiaire entre CAP et CAG classique, c’est-à-dire inférieure à 0,8 mm) ont permis de formaliser les critères de choix des matériaux à partir de leur densité et granulométrie. La sélection de charbons actif de densité réelle proche de 1,4 kg/L à des tailles effectives voisines à supérieures à 200 µm (granulométrie intermédiaire) permet d'obtenir une bonne séparation hydraulique entre l'eau dépolluée et le lit de charbon actif fluidisé, l'objectif à atteindre étant une concentration en charbon inférieure ou égale à 1 mg/l en sortie d'ouvrage. Cette bonne séparation permet d’accentuer la simplification du concept (pas de coagulant/floculant ni de système d’agitation mécanique) à condition que le système de répartition de l'eau brute assure une fluidisation homogène. La granulométrie intermédiaire permet aussi de s'affranchir des problèmes de rejets car le charbon usagé est de taille acceptable pour être repris par le fabricant comme les CAG. Quant aux CAP, ils n’ont pas donné de résultat concluant vis-à-vis de la séparation hydraulique requise pour carboplus®.

Deux granulométries du charbon retenu ont été comparée, lors des essais pilote, à une vitesse ascensionnelle de 11 m/h :
- hydraulique : les deux granulométries permettent une très bonne séparation hydraulique sur l'eau filtrée et sur l'eau flottée. L'effet de piégeage des MES est plus marqué dans le cas de la granulométrie la plus fine ce qui augmente la hauteur d'expansion du lit en traitement d’eau flottée. Un lavage air/eau par le circuit d'eau brute diminue cette expansion et évite le débordement en expulsant les MES piégées. La fréquence de lavage est de 1 fois/semaine dans le cas de la granulométrie la plus fine et de 1 fois/mois pour l'autre granulométrie testée. Pour une eau souterraine, le lavage n'aurait pas été nécessaire.
- consommation en charbon : identique pour les deux granulométries étudiées soit 13 mg/L en charbon neuf assurant un renouvellement sous 103 jours du lit de CAF pour la granulométrie la plus fine et 198 jours pour l'autre, les temps de contact respectifs appliqués étant de 4 et 7,7 min, lit de charbon au repos ; le double au triple en fluidisation. Puis les résultats ont été confrontés à ceux obtenus sur CAG en laboratoire (10 min de temps de contact) : la consommation est 2,5 fois moins élevée dans le cas du CAF grâce a son principe de renouvellement.
- performances épuratoires : concentration en atrazine inférieure à la limite de détection (0,05 µg/L) en sortie du réacteur.
- impact sur l'UF avale : performances hydrauliques de l'UF non altérées par le carboplus® car pertes en charbon à la sortie du réacteur maintenues sous 0,5 mg/l de MES. Cependant, carboplus® ne réduit pas le pouvoir colmatant des eaux brutes fortement chargées en MO (cas du Jaunay). Dans le cas d'eaux à potentiel colmatant important, il sera alors préferable d’utiliser carboflux® dont l’exploitation est très performante dans l'élimination des composés responsables du colmatage.
- comparaison carboplus® par rapport à carboflux® : les volumes d’ouvrages sont moins importants (facteur 2,5 à 3) ; la consommation en charbon reste supérieure pour les eaux de retenues à forte pollution organique (facteur 2 à 3).

La recherche continue pour élargir la cible des polluants à éliminer en associant le charbon à d'autres matériaux : alumine activée pour l’arsenic, résines échangeuses d'ions pour les nitrates...