Jean-Marc PHILIPOT et Michel RAPINAT — Compagnie Générale des Eaux
L’utilisation du charbon actif sous ses diverses formes est une nécessité dans les usines de traitement d’eau potable que la Générale des Eaux gère pour le compte du Syndicat des Eaux d’Île-de-France (SEDIF) car, dans la région parisienne, la qualité des eaux brutes est dégradée et présente des risques de déversements accidentels pouvant générer des pollutions importantes.
Le charbon a été d’abord utilisé en poudre (CAP) au niveau des prétraitements pour traiter les pollutions accidentelles et pour améliorer globalement la qualité organoleptique des eaux refoulées. Cette dernière utilisation a été progressivement abandonnée au profit d’un affinage biologique mettant en œuvre le couplage de l’ozonation et de la filtration sur charbon actif en grains (CAG). Quant aux pollutions accidentelles, la mise en place de stockages d’eau brute tel que celui de Méry-sur-Oise, la création de liaisons inter-usines ou inter-secteurs et l’accroissement corollaire des capacités de production et de stockage qui permettent d’échanger des volumes importants d’eau traitée, enfin, l’utilisation de ressources alternatives (nappe des calcaires du Champigny) autorisent aujourd’hui l’arrêt des usines de production dans de meilleures conditions.
Quant à l’affinage de l’eau clarifiée, un effort de recherche important a permis dans ce domaine à la fois de mieux connaître les mécanismes de l’oxydation par l’ozone, d’améliorer les modalités du contact eau/air ozoné et de proposer des techniques de catalyse de cette action oxydante : c’est le couplage de l’ozone et du peroxyde d’hydrogène, qui est actuellement en cours de réalisation dans les trois usines du SEDIF et c’est, prochainement à titre expérimental à Méry-sur-Oise, la mise en œuvre d’une catalyse hétérogène. Parallèlement, un effort de recherche tout aussi important a été engagé pour mettre au point des charbons actifs qui présentent à la fois une capacité d’adsorption maximale des micropolluants organiques (tels que les Triazines) tout en conservant des propriétés optimales de fixation d’un biofilm de bactéries
Tableau I
Évolutions relatives du COT et du CODB, filière de Choisy-le-Roi
| Types d’eaux | COT (mg/l) | CODB (mg/l) | CODB (%) |
|---|---|---|---|
| Eau brute | 3,2 | 1,5 | 47 |
| Eau décantée | 2,2 | 0,6 | 27 |
| Eau filtrée sable | 2,1 | 0,5 | 24 |
| Eau ozonée | 2,1 | 0,9 | 43 |
| Eau filtrée CAG | 1,4 | 0,2 | 14 |
Comparaison de la demande en chlore dans les filières de Choisy et de Neuilly
Demande en chlore (mg/l)
| Années | Choisy (double filtration) | Neuilly (simple filtration) |
|---|---|---|
| 1989 | 0,37 | 0,82 |
| 1988 | 0,36 | 0,76 |
| 1987 | 0,52 | 0,74 |
Tableau III
Stabilité du résiduel de chlore sur le réseau Sud
| Éléments | Avant double filtration | Après double filtration |
|---|---|---|
| Résiduel de chlore à la sortie usine (mg/l) | 0,45 | 0,23 |
| Résiduel de chlore à Massy-Antony (mg/l) | 0,11 | 0,11 |
| Résiduel de chlore à Athis-Mons (mg/l) | 0,08 | 0,07 |
Tableau IV
Indice de développement : id = log (1 + nombre de germes)
| Moyenne du réseau Sud | Avant double filtration | Après double filtration |
|---|---|---|
| Id à 20 °C | 2,05 | 1,12 |
| Id à 37 °C | 0,60 | 0,14 |
hétérotrophes autorisant l’efficacité maximale du traitement d’affinage biologique.
Nous pouvons ainsi considérer que les contacteurs à CAG des usines du SEDIF représentent, tant au point de vue de la conception de l’ouvrage que de la nature du CAG, le degré d’évolution le plus avancé des techniques d’affinage de la qualité des eaux traitées.
La mise en place d’une seconde filtration sur charbon actif en grains, couplée à l’ozonation de l’eau filtrée sur sable, constitue la suite logique et nécessaire du report de chloration effectué dans les filières de traitement des usines du Syndicat des Eaux d'Ile-de-France, et cela dans l’optique d’une recherche permanente d’amélioration de la qualité de l'eau produite et distribuée (figure 1). En effet, la suppression de la préchloration a permis dans une première étape de résoudre le problème sanitaire majeur posé par la réaction haloforme (figure 2).
Pour poursuivre dans cette voie de l'amélioration de la qualité, la seconde étape abordée fut celle de l’abattement des matières organiques au niveau le plus poussé.
On peut utiliser pour cela le charbon actif sous ses trois applications principales :
- Le charbon actif en poudre (CAP), (figure 3), dont l’effet adsorbant est adapté à des eaux faiblement polluées ou à des pollutions accidentelles. Les caractéristiques du CAP utilisé et notamment le spectre d’adsorption peuvent être modulées en fonction des micropolluants à éliminer.
- Le charbon actif en grains (CAG) dont l’utilisation en adsorption est mieux adaptée que celle du CAP lorsqu’il s’agit de traiter une pollution chronique, et avec lequel les rendements d’élimination sont souvent meilleurs que ceux du CAP, du fait de la percolation. Dans ce cas, la fréquence de régénération est variable selon le type et la concentration des micropolluants à éliminer.
- La filtration biologique sur CAG couplée à une interozonation. Cette technique est applicable à des eaux fortement polluées : elle permet d’abattre une charge supplémentaire de matières organiques par une autre voie que celle de l’adsorption. Cet abattement n'est donc pas influencé par l’état de saturation du charbon actif. Elle nécessite la mise en œuvre d’un charbon dont les propriétés doivent être spécialement étudiées pour faciliter la fixation d'une population bactérienne hétérotrophe. C’est la technique la mieux adaptée à l’élimination des substances sapides.
Le choix entre ces trois applications doit donc être apprécié en fonction de la qualité de l’eau à traiter et des objectifs fixés sur la qualité du produit final.
Dans le cas des usines du Syndicat des Eaux d'Ile-de-France, le caractère dégradé de la qualité de la ressource et les risques importants de pollution ont nécessité la mise en œuvre de trois applications du charbon actif : le CAP pour traiter les pollutions accidentelles, la filtration biologique pour l’élimination du carbone organique (et notamment sa fraction biodégradable) et enfin, plus récemment, l’adsorption sur CAG pour éliminer les pesticides.
Filtration biologique sur charbon actif en grains couplée à une interozonation
Élimination des matières organiques
L'action oxydante de l’ozone sur les matières organiques de structure
complexe provoque la coupure de ces molécules au niveau de leur insaturation et conduit à la formation de molécules plus simples dans la structure desquelles prédominent les groupements carbonyle et carboxyle. Ces modifications de structure sont assez bien suivies par l’évolution des signaux de l’adsorption UV et de la spectrofluorimétrie. Les molécules issues de cette oxydation sont biodégradables et éliminées par les bactéries hétérotrophes fixées sur les grains de CAG. Dans cet esprit, le charbon actif Picabiol® mis en place à l’usine Edmond Pépin de Choisy-le-Roi présente une aptitude optimale pour la fixation des bactéries (figure 4).
L’évolution de la teneur en COT (Carbone Organique Total) et CODB (Carbone Organique Dissous Biodégradable) tout au long de la filière de Choisy est indiquée sur le tableau I.
Comme on le voit sur ce tableau, l’intérêt de la filtration sur charbon actif en grains à l’aval de l’ozonation apparaît clairement à la lecture des données qui y figurent. La filtration biologique sur CAG devient ainsi le complément nécessaire de l’ozonation pour produire une eau qui demeure faiblement évolutive lors de son transport par le réseau de distribution publique.
Nitrification biologique
Pour la nitrification biologique comme pour l’élimination biologique du carbone organique assimilable, la seconde filtration sur CAG est un complément indispensable du report de chloration.
Le facteur limitant de la nitrification des eaux bicarbonatées calciques de la Banlieue de Paris est la teneur en oxygène dissous ou la température.
La première filtration sur sable peut éliminer à 20 °C jusqu’à 1,2 mg/l d’ammoniaque lorsque l’eau brute est saturée en oxygène dissous, c’est le cas à l’aval d’une préozonation (figure 5). La seconde filtration sur CAG avec ozonation intermédiaire peut compléter cette élimination jusqu'à 2,5 mg/l d’ammoniaque à 20 °C. De telles teneurs sont rares ; cependant, lorsque la température devient un facteur limitant, l’effet positif de la double filtration est particulièrement intéressant (températures inférieures à 10 °C), d’autant plus que c’est en hiver que l’on observe les teneurs en ammoniaque les plus élevées : la nitrification dans le milieu naturel est considérablement ralentie et les stations d’épuration biologique fonctionnent mal à basse température.
La filtration bicouche sable-CAG est une alternative intéressante de la double filtration qui permet d’améliorer sensiblement les rendements d’élimination de l’ammoniaque en période froide par rapport à la seule filtration sur sable. Le charbon actif Picabiol® qui est utilisé à Choisy présente une aptitude à la fixation des bactéries supérieure à celle du sable. Le second étage de filtration est très utile pour la réduction des teneurs en ammoniaque observées en hiver.
Réduction de la demande en chlore
Le report de chloration réalisé dans les usines du Syndicat des Eaux d’Île-de-France a permis la réduction de la demande en chlore d’un facteur 8 à 10 : la figure 6 retrace l’historique de la consommation de chlore dans les trois secteurs avec les reports de chlorations réalisés en 81 à Méry, 85 à Choisy et 87 à Neuilly.
La double filtration, qui contribue à la réduction des teneurs en ammoniaque et en carbone organique permet également une réduction sensible de la demande en chlore. Si l’on compare les situations de Choisy et de Neuilly (qui ne dispose pas d’une double filtration sur CAG), la demande en chlore à Choisy est réduite d’un facteur 2 à 3 (tableau II).
Élimination des saveurs
Depuis la mise en place de la double filtration à Choisy, le seuil de la saveur de l’eau a été considérablement réduit, avec notamment disparition complète des saveurs liées aux combinaisons du chlore. C’est le résultat de l’élimination poussée des matières organiques, laquelle permet de réduire la demande en chlore et la quantité de chlore combiné formé dans l’eau refoulée.
Stabilité du résiduel de chlore dans le réseau de distribution
La réduction de la fraction assimilable (CODB) du carbone organique permet d’accroître la stabilité de l’eau distribuée : d’une part, on observe une bonne rémanence du chlore sur le réseau, et, d’autre part, le maintien d’une numération de germes à 20 °C et 37 °C acceptables (tableaux III et IV).
[Figure : Consommation de désinfectant (en g/m³).]Le résiduel du chlore libre à la sortie de l'usine de Choisy a pu être réduit depuis la mise en place de la double filtration sur charbon actif.
La stabilité accrue de l'eau distribuée autorise une utilisation limitée au strict minimum des postes de rechloration le long du réseau : ceux qui sont utilisés ne fonctionnent que quelques semaines par an ; leur maintien est cependant nécessaire selon les modalités de la législation française, pour faire face à un problème ponctuel de reviviscence bactérienne.
Enfin l'effet positif de la filtration sur charbon actif est également sensible au niveau de l'état général de propreté des réseaux et des réservoirs (tableau V).
S'agissant des réservoirs, le pourcentage des cuves pour lesquelles il est nécessaire de pratiquer plusieurs nettoyages par an est passé de 34 % à 4 % depuis la mise en service de la double filtration : il serait possible d'espacer davantage les nettoyages, mais le distributeur d'eau doit effectuer (comme l'impose la législation française) un nettoyage annuel des réservoirs.
Il convient cependant d'adopter la plus grande prudence dans l'interprétation de ces données, car l'état de propreté d'un réseau ou d'un réservoir dépend certes de la qualité de l'eau produite, mais aussi et surtout de conditions locales, dont l'impact est difficile à estimer en l'état actuel des connaissances : temps moyen de séjour, exploitation et maintenance du réseau, âge des canalisations, nature des matériaux etc.
Utilisation du charbon actif en tant qu'adsorbant
Certaines de ces utilisations décrites ci-après ont pu être abandonnées grâce à la double filtration biologique sur CAG.
Tableau V
Proportions des cuves propres par rapport aux cuves nettoyées
| 1988 | 1988 | 1989 | 1989 | |
|---|---|---|---|---|
| Niveau d'élévation | Choisy | Neuilly | Choisy | Neuilly |
| Effacement | 100 | 57 | 100 | 71 |
| 1ᵉʳ élévation | 100 | 80 | 90 | 72 |
| 2ᵉ élévation | 85 | 47 | 94 | 65 |
| 3ᵉ élévation | 40 | 50 | 66 | 33 |
Élimination des saveurs occasionnelles
Certaines eaux favorisent selon les saisons la formation de composés sapides. L'élimination des produits précurseurs de ces composés est possible en appliquant sur l'eau brute, à ces périodes, un taux de charbon actif compris entre 30 et 50 g/m³. Répartie sur l'année cette consommation de CAP peut être estimée analogue à un taux moyen de 5 g/m³. C'était notamment le cas à Choisy. La mise en place de la double filtration sur CAG a permis de s'affranchir totalement de cette pratique.
Élimination des pollutions accidentelles
Le charbon actif en poudre est le traitement appliqué par excellence pour l'élimination des pollutions accidentelles les plus courantes (en particulier les hydrocarbures).
Cette option a été retenue par le Syndicat des Eaux d'Île-de-France pour équiper ses usines où l'on emploie, en fonction des pollutions à combattre, jusqu'à 100 g/m³ de CAP de diverses qualités.
Élimination des micropollutions chroniques
Les pesticides, et en particulier les Triazines, sont bien éliminés par le charbon actif en poudre ou en grains ; les charbons actifs à base de bois sont les mieux adaptés à leur adsorption.
Le CAG qui équipe depuis mars 1989 les contacteurs de l'usine de Choisy est un charbon Picabiol®, lequel a permis de réaliser un abattement de 100 % pendant 6 mois de teneurs en Atrazines comprises entre 150 et 500 ng/l (c'est-à-dire en dehors des périodes de très fortes teneurs observées sur l'eau en Seine).
Ce type de charbon est macroporeux avec une porosité ouverte importante qui correspond à une surface développée de 1100 m²/g. Il présente de bonnes qualités d'adsorption pour tous les pesticides et une aptitude optimale à la fixation des bactéries. Il faut souligner que ce type de charbon actif, même lorsqu'il est utilisé en contact biologique, conserve un excellent pouvoir adsorbant et offre une garantie permanente de qualité de l'eau produite.
Une technologie de l'activation sensiblement modifiée a permis à la Société PICA de proposer un charbon actif spécialement bien adapté à l'adsorption des Triazines : il s'agit du charbon Picazine®, qui présente une surface d'adsorption de 1500 m²/g, ce qui permet d'allonger l'intervalle compris entre deux régénérations. Sous forme de poudre, il permet le traitement des pollutions ponctuelles observées en rivières et dont les teneurs en Atrazine peuvent atteindre 2 000 ng/l.
Perspectives
Il existe aujourd'hui un traitement spécifique des Triazines mis au point par Anjou-Recherche ; ce traitement utilise l'action combinée de l'ozone et du peroxyde d'hydrogène. On constate schématiquement que l'ozone à lui seul abat 60 à 70 %, et que l'ozone et le peroxyde associés abattent plus fortement (souvent à plus de 95 %) des teneurs en Triazines comprises entre 500 et 2000 ng/l. Dans les deux cas (ozone ou ozone-peroxyde) l'oxydation poussée des matières organiques réfractaires produit davantage de carbone organique bioassimilable : la filtration biologique sur CAG reste le complément nécessaire de l'oxydation.
Avec une ozonation à taux élevé (3 à 4 g/m³) l'oxydation ne casse pas les
cycles azotés de la molécule d'Atrazine et forme des sous-produits qui sont adsorbables sur le CAG ; l'intervalle entre deux régénérations est de l'ordre d'un an. Par contre, la mise en œuvre du traitement combiné ozone-peroxyde d'hydrogène casse les cycles azotés et permet l'oxydation la plus poussée du COT ; dans ce cas la régénération du CAG pourrait avoir lieu tous les 2 ans.
Enfin, la mise au point actuellement en cours par Anjou-Recherche d'une nouvelle technologie de mise en contact catalytique de l'ozone renforce l'intérêt de la filtration biologique sur CAG, puisqu'il s'agit d'éliminer avec cette technologie une fraction encore accrue de CODB.
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