Fiche Résumé 14-AEP-10

Une des étapes la plus importante pour la production d'eau potable est l'élimination des composés organiques. Les composés organiques sont définis soit sous la forme générale de matière organique (MO), soit sous la forme spécifique de micropolluants (pesticides, COVs, médicaments…). La majorité des usines de production d'eau potable (UPEP) utilise une étape de clarification pour éliminer la MO et une étape avec charbon actif pour éliminer les micropolluants. Le charbon actif est souvent mis en œuvre sous forme de grains (CAG) et il existe sur le marché de nouveaux charbons actifs en grains qu'il faut savoir choisir correctement en fonction du type de micropolluants à éliminer.

De nombreux paramètres définissant le caractère d’un CAG sont disponibles mais ils ne permettent pas de prédire la performance de ces matériaux lors de leur fonctionnement. De plus, les normes imposées (NF EN 12915-1) ont homogénéisé les produits au point de les rendre peu distincts les uns des autres. La sélection d’un CAG est donc rendue difficile sur la seule base des données techniques disponibles et nécessite la réalisation d’essais de simulation de performances opérationnelles longs et complexes.

L’objectif de ce projet est de définir une méthode de qualification de nouveaux CAGs disponibles sur le marché, rapide (moins d’une semaine), pertinente (différences significatives entre les produits) et pas trop onéreuse.

Deux études préliminaires ont été réalisées pour sélectionner les méthodes de qualification disponibles les plus pertinentes et définir un état des lieux des données techniques sur le CAG. Elles ont permis de mettre en avant une douzaine de paramètres à évaluer pour la caractérisation des charbons neufs.

Les résultats de ce projet présentent l’analyse de la caractérisation physico-chimique de douze CAGs neufs à partir des paramètres sélectionnés lors des études préliminaires, de façon à évaluer si ces paramètres peuvent distinguer les produits testés entre eux. Les douze charbons couvrent trois matériaux de base différents (houille, noix de coco, bois), trois méthodes d’activation différentes (physique- agglomérée, physique-directe, chimique) et six fournisseurs différents. Une fois ces données récoltées, la performance opérationnelle de six charbons est étudiée en pilote de laboratoire (mini-colonnes RSSCT qui simulent les filtres CAG), afin de juger de la pertinence des paramètres sélectionnés à prédire l’efficacité d’élimination des contaminants organiques. Le but final est de trouver des liens entre la caractérisation d’un charbon neuf et son efficacité de fonctionnement pour en déduire un protocole de qualification.

Qualification de CAGs neufs à l’échelle laboratoire
Les paramètres de caractérisation des douze CAGs neufs permettant de voir des différences significatives entre les produits sont :
- la friabilité (estimation de la résistance du matériau à l’impact des rétrolavages et de la régénération),
- la distribution de la taille des pores (informations sur la taille des molécules adsorbables),
- la cinétique d’adsorption de colorants calibrés,
- le pH slurry (permet de mesurer le pH pour lequel la surface du charbon est de charge neutre ce qui donne des indications sur l’adsorption de la matière organique). Il semble tout de même nécessaire de trouver une méthode complémentaire au pH slurry pour la caractérisation de la chimie de surface du charbon.
En complément de ces paramètres peuvent être retenus :
- l’indice d’iode (informations sur la capacité du CAG à adsorber les petites molécules) reste un paramètre cohérent pour le contrôle qualité d’un produit et pour son suivi en opération, ce qui en fait un candidat à conserver pour la caractérisation de charbons actifs,
- la granulométrie (informations sur la perte de charge attendue en fonctionnement) et la contamination minérale du charbon sont également ressortis comme important pour la validation d’un produit en vue de son utilisation en exploitation,
- le matériau d’origine et son activation sont aussi des éléments pertinents de qualification d’un CAG et complètent le panel suggéré de méthodes à utiliser pour qualifier un CAG neuf.

Performance de CAGs en opération
La simulation de performance opérationnelle des six charbons a permis d’aboutir sur plusieurs résultats :
- la méthode de suivi de la MO par fluorescence présente une plus grande sensibilité que le COD et l’absorbance UV pour évaluer la saturation d’un CAG en exploitation. La méthode de LC-OCD a montré néanmoins des résultats pertinents qui en font une analyse à conserver pour les études futures,
- un CAG plus performant pour éliminer la matière organique a également une meilleure performance pour éliminer les micropolluants (excepté le charbon à base de bois qui élimine bien la matière organique mais mal les micropolluants),
- la classification des CAGs étudiés s’est mise en place quasi instantanément et s’est maintenue au cours de l’étude permettant d’envisager la possibilité de raccourcir les tests futurs. Le classement de la performance des CAGs vis-à-vis de l’élimination conjointe de la matière organique et des micropolluants (charbon à base de bois exclu) confirme la classification habituelle des charbons : houille agglomérée > houille activée direct > noix de coco. La houille agglomérée est obtenue en broyant le grain avant activation puis en le ré-agglomérant sous forme de grain, ce qui permet une activation en profondeur plus efficace (plus grande quantité de pores donc plus grande surface spécifique).

L’étude statistique du lien entre les paramètres de caractérisation des charbons neufs et leurs performances opérationnelles a mis en avant la difficulté de définir un produit complexe et de prédire sa performance sur la base seule d’une qualification du charbon neuf. Il est donc recommandé d’effectuer des essais de simulation de performance. Les modèles qui ont pu être produits soulignent l’importance d’évaluer à la fois les aspects physiques et chimiques (distribution de la taille des pores, fonctionnalités de surface...) afin d’obtenir une image plus complète d’un charbon actif.