Fiche Résumé 15-AEP-04

En production d’eau potable, les procédés d’affinage à base de charbon actif fluidisé (CAF) ont pour but d’éliminer les micropolluants organiques présents dans l’eau ainsi que de réduire les teneurs en matière organique (MO). Ces procédés sont composés d’un réacteur à renouvellement continu en charbon actif en poudre (CAP). Leur efficacité dépend en premier lieu de la dose en CAP neuf injecté et en second lieu, de la quantité de charbon présente dans le réacteur.

Afin de maintenir des performances d'élimination constantes des micropolluants organiques et de la matière organique au sein de ces réacteurs, le charbon est injecté en continu. Cette injection en continu de charbon neuf doit alors s'accompagner de purges régulières de charbon usagé pour maintenir une masse et une hauteur de lit constantes au sein du réacteur. L’équilibre est atteint lorsque la vitesse de décantation de la suspension est calée sur la vitesse hydraulique de fluidisation.

Cet équilibre peut néanmoins être affecté par la présence de colloïdes et de MES en excès dans l'eau à traiter, issus d’un changement rapide de la qualité de l’eau brute et/ou d’une déficience des étapes de traitement amont (clarification). Ces événements peuvent générer une augmentation sensible de la turbidité résiduelle, des MES et de la teneur en matière organique que le lit de CAF va ensuite capter. Le lit de CAF subit alors des changements de densité puisque le pourcentage d’hydroxydes de fer ou d’aluminium (issus du coagulant utilisé en clarification), légèrement plus légers que le charbon, y augmente. Il en découle une diminution de la vitesse de décantation et une augmentation de la hauteur du lit de CAF. Il est alors nécessaire d'augmenter la dose de charbon neuf (pour alourdir la suspension) et d'augmenter les purges ce qui provoque un surcoût d'exploitation.

Pour pallier à ces dérives de comportement du lit de CAF, un procédé de “purification” des boues de ce lit a alors été développé. Il permet de purifier, en dehors du réacteur, le charbon actif en suspension qui est ensuite réinjecté dans ce même réacteur. Son principe consiste à diminuer la part des hydroxydes métalliques dans les MES du lit de CAF au moyen d’une séparation mécanique de type hydrocyclonage. L’hydrocyclone sépare alors la boue en deux fractions : l’une évacuée en souverse et renvoyée vers le Carboplus®P et l’autre évacuée en surverse et envoyée vers le traitement des boues.

En partant du principe que l’usage de l’hydrocyclone permet d’augmenter la part du CAP dans le lit de CAF par élimination d’une partie des hydroxydes présents, il peut être envisagé qu’en période de fonctionnement normal, les performances d’élimination des micropolluants et de la matière organique soit améliorées pour une même dose de CAP injectée.

L'objectif du projet prévoit de tester ce procédé de “purification” du CAF sur les performances d’une filière de traitement de l’eau utilisant le procédé Carboplus®P. Les essais sont réalisés sur un pilote installé sur le site de l’usine en Maine-et-Loire (49). La première phase de l’étude prévoit d’évaluer l’efficacité de différentes configurations d’assemblage entre hydrocyclones, buses de surverse et buses de souverse, la meilleure configuration à obtenir étant celle qui va permettre de produire une boue plus concentrée en CAP que la boue entrante. La seconde phase prévoit de mettre en oeuvre, en complément du Carboplus®P, la meilleure configuration identifiée lors de la première phase, les meilleures conditions d’exploitation à obtenir étant celles qui permettent i) de stabiliser le fonctionnement du Carboplus®P en cas de dégradation de la qualité de l’eau brute et/ou en cas de dysfonctionnement de la clarification amont, ii) de ne pas dégrader la qualité de l’eau en aval du Carboplus®P et iii) d’améliorer l’élimination des micropolluants et de la matière organique en période de fonctionnement normal.

Lors de la première phase de l’étude, différentes tailles d’hydrocyclones, buses de surverse et de souverse ont été testées sur des échantillons de boues issus d’un réacteur industriel Carboplus®P. La configuration choisie à l’issue de ces tests est celle qui permet de produire une boue de souverse la plus concentrée en CAP par rapport à la boue initiale.

Les essais de la seconde phase consistant à appliquer cette configuration de purification aux boues du carboplus®P confirment une concentration du lit de CAF en CAP accompagnée d’une réduction de la hauteur de fluidisation. Pour stabiliser le fonctionnement du réacteur et obtenir une hauteur et une concentration constantes du lit de CAF, il faut jouer sur la fréquence d’utilisation de l’hydrocyclone qui est un paramètre clé du réglage.

Au niveau des performances d’élimination, il est possible de maintenir l’abattement des pesticides et de la matière organique en diminuant la dose de CAP injecté, à condition d’augmenter la valeur du CT dans une proportion similaire, ce que permet l’hydrocyclone. Il en découle une réduction des coûts d’exploitation. L’hydrocyclone permet aussi de renforcer l’inertie du lit de CAF : en cas d’arrêt de l’ajout de CAP neuf, suite par exemple à une panne, les performances d’élimination se prolongent un peu plus dans le temps. Enfin, il est possible d’envisager l’élimination de micropolluants “difficiles” pour lesquels il est nécessaire d’appliquer un CT minimal, non atteint sans hydrocyclone (exemple : matolachlore). Cette étude met donc en avant l’intérêt de concentrer le lit de charbon.

Suite à ces résultats encourageants, il est prévu d’installer des hydrocyclones sur tous les sites utilisant des réacteurs à CAP renouvelés en continu, des décanteurs à lit de boues et des décanteurs statique à recirculation (Carboflux®, Carboplus®, Pulsazur®...).