Les réacteurs à CAP « Multiflo®/Actiflo® » : un plus pour l'élimination des pesticides et matières organiques

Les deux procédés Multiflo® et Actiflo® commercialisés par OTV-Veolia Eau sont présentés selon leur mode de fonctionnement, les caractéristiques opératoires et la place qu’ils occupent dans une filière de traitement.

Depuis de nombreuses années, on observe sur diverses eaux de surface une dégradation de la qualité de l’eau, et plus particulièrement au niveau du paramètre de la matière organique. Depuis 2002, 59 prises d’eau sur 110 ont dépassé au moins une fois la limite de concentration réglementaire des 10 mg/L d’oxydabilité sur eau brute. Des concentrations très élevées pouvant atteindre 40 à 60 mg/L pour certaines prises d’eau ont été observées notamment sur la réserve de Mireloup exploitée par Veolia Eau. Les risques sanitaires engendrés par la présence de matières organiques sont nombreux et concernent la qualité de la ressource, le traitement, la distribution et la consommation de l’eau (1).

Une des premières conséquences de cette augmentation de la matière organique dans la ressource impose au traiteur d’eau d’appliquer des conditions très contraignantes de fonctionnement (doses élevées en coagulant, milieu acide) induisant ainsi un coût de traitement de l’eau beaucoup plus élevé. Une deuxième conséquence est la gestion des boues engendrées par ces taux élevés de réactifs (notamment en chlorure ferrique) qui exige des moyens supplémentaires qui n’existent pas toujours sur le site.

Enfin, une dernière conséquence est la nécessité pour l’exploitant de trouver le

meilleur mode de gestion de son unité face à ces variations de qualité de l'eau brute afin de satisfaire aux normes de qualité d’eau potable telles qu’elles sont indiquées dans le décret (2001-1220).

En effet, la teneur en matière organique résiduelle (exprimée en carbone organique dissous) peut entraîner d'une part la formation de sous-produits chlorés lors de l’étape de désinfection et d’autre part devenir un substrat de choix pour les bactéries en favorisant leur croissance et le développement du biofilm dans le réseau de distribution. Dans ce contexte, les matières organiques apparaissent ainsi comme un paramètre important à éliminer tout au long du process.

Une solution consiste à utiliser au maximum les effets d’adsorption du charbon actif en poudre dans des configurations où il doit être dosé dans des concentrations aussi faibles que possible.

À ce titre, et en matière de sécurité sanitaire en eau potable, OTV ‑ Veolia Eau propose la solution Opaline® qui utilise au mieux l’usage du charbon actif pour ses mécanismes d’adsorption des pesticides et matières organiques.

Principe de fonctionnement de la solution Opaline® « Multiflo®-Actiflo® - CAP »

La matière organique essentiellement constituée d’acides humiques et fulviques, peut être traitée par les mécanismes physico-chimiques de coagulation-floculation en milieu acide. La mise en œuvre de nouvelles techniques plus compactes et plus compétitives commercialement a pour objectif d’obtenir un abattement le plus élevé possible de la matière organique à moindre coût d’investissement et de fonctionnement. À ce titre, les procédés utilisant du charbon actif en poudre peuvent se révéler très intéressants s'ils sont optimisés en réduisant au mieux les doses de charbon actif injectées dans le processus de traitement.

Le charbon actif en poudre (CAP) est utilisé pour l’élimination des matières organiques, des pesticides, des substances responsables des goûts & odeurs et des toxines algales selon des mécanismes bien connus en rapport avec les liaisons de Van der Waals.

Le Multiflo® CAP

Cette solution implique l'utilisation d’un décanteur dans lequel le CAP injecté contribue à l’élimination des micropolluants et des matières organiques.

Domaines d’application du Multiflo® CAP

Les domaines d’applications de la solution Opaline® avec le Multiflo® CAP sont les suivants :

• Eau souterraine en première étape de traitement, contaminée par des pesticides et/ou des matières organiques ;
• Eau de surface, en première étape de traitement, sur une eau à faible turbidité et chargée en matières organiques ou pesticides.

Description et fonctionnement du Multiflo® CAP

Contrairement aux autres décanteurs lamellaires, le Multiflo® est caractérisé par la présence d’un lit de boue fluidisé au niveau du floculateur. Ce qui permet d’accélérer la floculation lors du passage de l'eau brute et une production de flocs plus denses et plus facilement décantables.

Le but de cette étape de floculation est d’augmenter la probabilité de rencontre entre les petits flocs formés au cours de l’étape précédente de coagulation. Cette étape est ainsi destinée à former de larges agrégats leur conférant une décantation rapide.

À ce titre, l'agitation du mélange doit être assurée de la façon la plus optimisée possible afin d’éviter une cassure des flocs initialement formés. Ceci est habituellement obtenu en utilisant des agitateurs mécaniques qui conduisent à des gradients de vitesse se situant entre 100 et 150 s⁻¹.

Les cinétiques de floculation, contrôlant la probabilité de collisions entre les particules, est plus importante au sein du Multiflo® grâce au draft tube qui assure une homogénéité quasi parfaite au sein de cette étape.

L’addition d'un polymère au sein de la cuve de floculation favorise et accélère l'agrégation des flocs permettant alors une décantation rapide des flocs. Un polymère anionique est injecté dans la cuve de floculation.

Ainsi, le procédé Multiflo® - CAP se présente avec :

• Une première cuve de contact à CAP permettant d’accroître l’effet d’adsorption immédiat du CAP. Elle reçoit aussi la solution recirculée, prélevée à mi-hauteur dans le lit de boues des décanteurs.
• Une deuxième cuve relative à la coagulation permettant de déstabiliser les particules colloïdales présentes dans l'eau brute.
• Une troisième cuve liée à la floculation comportant un draft-tube associé à un mélange intensif qui assure la formation d'un floc homogène et la bonne répartition du polymère.

Cette cuve reçoit un ajout de polymère anionique permettant d'agglomérer et de maturer les flocs créés dans la seconde cuve. Ces flocs sont chargés en CAP.

Mécanisme dans le décanteur à lit de boues

À la sortie de la cuve de floculation, les flocs formés et agglomérés sont dirigés vers l’ouvrage de décantation.

Cette étape est l'objet de divers mécanismes physiques liés les uns aux autres par divers modes d’interactions dynamiques dont le processus global est le suivant : en sortie de floculation, on peut estimer que les particules sont de dimensions diverses bien qu'une bonne coalescence ait déjà préalablement eu lieu.

Néanmoins, le CAP étant majoritairement plus important que les flocs d’hydroxyde de fer parce qu'il est injecté de façon plus continue que le FeCl₃, le floc formé de CAP, hydroxyde de fer et polymère serait globalement assez homogène en terme de dimensions.

L’écoulement dans le lit de boues est divisé uniformément dans le décanteur en raison de la coalescence qui se poursuit lors de cette étape et qui permet aux particules de se rencontrer pour former des flocs de plus en plus volumineux.

Le flux de boues arrivant au sein du lit de boues ne se conduit pas comme un flux piston parce que les conditions de faible vitesse du mélange (racleur) réduisent l'intensité

Des fluctuations turbulentes créent une homogénéité qui tend à diminuer la porosité du lit du fait de l'agglomération des boues. Cette homogénéité se traduit par l’établissement d’un équilibre entre toutes les forces en présence (forces de pression, forces hydrauliques) qui confère à cette couche de boues une cohésion globale.

Et les fluctuations modérées de la turbulence continueraient à favoriser la floculation en rapprochant les flocs les uns des autres à une distance minime par le biais des forces de Van der Waals.

Une des conséquences intéressantes est que le lit de boues se comporte alors comme un filtre dans lequel les nouvelles particules floculées issues de la cuve de floculation sont retenues à la surface des flocs déjà présents dans le lit.

De plus, la vitesse d’écoulement traversant le lit de boues est calculée de telle manière qu'elle ne perturbe ni l'agglomération des flocs, ni la densité des flocons dans le lit. On observe qu'un arrêt momentané ou long du Multiflo® suivi d’un redémarrage à 16 m/h n’affecte pas la turbidité de l'eau décantée (figures 2 et 3).

Du fait des apports permanents en CAP et en colloïdes coagulés et floculés, le niveau du lit de boues monterait progressivement si des purges ne sont pas effectuées régulièrement afin d’assurer une hauteur constante de ce lit.

Les purges de boues sont effectuées par le bas du décanteur sans générer de perturbations dynamiques au sein du lit.

Le Multiflo® CAP présente une géométrie (figure 4) qui favorise la formation du lit de boues et inclut systématiquement un racleur afin de bénéficier de l’effet de hersage qui conduit à une bonne homogénéisation de la densité des boues au sein du lit.

Ainsi, le dimensionnement du Multiflo® tient compte de plusieurs paramètres :

• • Le temps de rétention hydraulique (HRT) qui concerne le volume total du décanteur ;
• • Le temps de séjour des boues dans le décanteur, qui ne concernera évidemment que la zone d’épaississement des boues ;
• • La vitesse de Hazen ;
• • La vitesse au miroir.

C'est en fait l'effet conjugué de ces quatre paramètres qui garantira les performances du Multiflo® CAP.

Le décanteur Multiflo® CAP répond à la technique de séparation liquide-solide à contre-courant par le biais de lamelles disposées en surface du décanteur.

Chaque décanteur comporte un ensemble de modules lamellaires formé par un assemblage de lamelles PVC (agréées alimentaires) dont la configuration géométrique hexagonale (figure 5), dénommée « en nid d'abeilles », en est un exemple sans en être un cas général.

La vitesse au miroir sur le décanteur est de l’ordre de 16,0 m/h dans les conditions nominales sans entraîner une fuite en CAP qui se traduirait par une élévation de la turbidité de l’eau décantée. Celle-ci se situe en moyenne autour de 0,5 NTU (figure 8).

Les boues déposées au fond du décanteur Multiflo® sont collectées et dirigées vers la zone centrale d’épaississement grâce à un racleur disposé à cet effet. Elles sont extraites de la zone d’épaississement grâce à une pompe d’extraction.

Afin d’augmenter la concentration des boues extraites et d’accroître les performances des décanteurs, un système de recirculation des boues est mis en œuvre. Cette recirculation, effectuée à l’aide d’une pompe, permet la réinjection des boues au sein de la cuve de coagulation. Le taux maximum de recirculation est de 5 % du débit d’eau brute. Les boues sont épaissies au fond du décanteur à une concentration se situant entre 20 et 30 g/l (figures 6 et 7). La profondeur de l’ouvrage permet de maintenir un lit de boues dans lequel la concentration en charbon sera toujours autour de 10 g/l.

La fraction des boues recyclées n’est qu’une très petite partie, non seulement vis-à-vis du débit d’entrée mais aussi vis-à-vis de la masse des boues qui est soutirée pour élimination pure et simple. Ainsi le recyclage de boues ne concerne qu’une faible fraction des boues.

La gestion du CAP est pilotée à partir d’une concentration initiale en CAP, d’un taux de traitement appliqué et d’un débit de purge.

Concentration initiale en CAP (g/l) introduite dans le système :

[CAP] système = M CAP / V système

Taux de traitement (g/m³) :

TX CAP = ([CAP] parbo × Q injection) / Q eau traitée

Débit de purge (m³/h) :

Q purge = (TX CAP × Q eau traitée) / [CAP] lit de boues

Les avantages du Multiflo® CAP

• Floculation électromécanique avec un gradient de vitesse optimisé pour l’agitation, résultant en un meilleur contrôle de la maturation des flocs.

• Ouvrage compact. L’utilisation de lamelles au sein du décanteur combinée à la floculation électromécanique permet une réduction significative des dimensions des installations et des coûts de génie civil.

• Recirculation des boues. Les boues recirculées aident à la décantation rapide des flocs notamment lorsque la température et la turbidité sont faibles dans l’eau brute, autorisant des vitesses au miroir plus élevées (16,5 m/h) par rapport aux décanteurs lamellaires traditionnels.

• Épaississement des boues : en raison de la profondeur élevée de la zone de décantation et du raclage des boues présentes dans cet ouvrage, on obtient un très bon épaississement des boues au fond du décanteur. La concentration des boues attendue se situe

entre 20 et 30 g/l.

L’utilisation du Multiflo® présente plusieurs avantages : en raison des fortes concentrations du CAP dans le lit de boues (10 – 30 g/l) et donc de la disponibilité immédiate d’une importante capacité d’adsorption, la consommation de charbon actif peut être réduite tout en maintenant l’efficacité de traitement. De plus, ce stock de CAP permet d’accepter des variations de la contamination par les pesticides et matières organiques, offrant aux exploitants une meilleure appréhension des pics de variations saisonnières.

La qualité de l’eau traitée reste constante au cours du temps dans la mesure où la gestion du stock de CAP est convenablement réalisée. La flexibilité d’exploitation induite assure une sécurité vis-à-vis de la qualité finale de l’eau traitée.

En contrôlant la fréquence et le volume d’extraction des purges, il est possible d’augmenter la concentration du CAP dans le décanteur en vue d’obtenir un effet tampon vis-à-vis des matières organiques. Le mode de renouvellement du CAP permet ainsi d’adapter le taux de traitement à la qualité de l’eau à traiter.

Le charbon actif en poudre est choisi en fonction de critères physiques (granulométrie, surface spécifique, origine minérale ou végétale, texture poreuse, type d’activation) et chimiques (capacité d’adsorption par rapport aux substances organiques à éliminer, coefficients issus des équations de Freundlich et Langmuir (2,3,4)).

Actiflo® CAP

Outre sa faculté à absorber les variations de la qualité d’eau brute, le procédé Actiflo® est connu pour sa compacité parce qu’il fait appel à la technique des flocs lestés qui permet d’atteindre des vitesses de décantation dix fois supérieures à celles des décanteurs lamellaires traditionnels.

Les domaines d’application de l’Actiflo® CAP

Les domaines d’applications de la solution Opaline® avec l’Actiflo® CAP sont les suivants :

• En première étape de traitement, eau souterraine contaminée par des pesticides et/ou des matières organiques ;
• En première étape de traitement, eau de surface à faible turbidité et chargée en matières organiques ou pesticides ;
• En seconde étape de traitement en aval d’un premier Actiflo®, lorsque l’eau de surface est chargée en turbidité, algues, couleur, matières organiques, pesticides. Le premier Actiflo® (qui fonctionne avec ou sans CAP) permet de traiter la turbidité, les algues, la couleur et une partie des matières organiques. Le second Actiflo® CAP, fonctionnant essentiellement au CAP, permet de traiter une part importante de la matière organique et l’essentiel des pesticides adsorbables ;
• En seconde étape de traitement en aval d’une clarification : décantation classique ou flotation.

Description générale

Selon le principe général de fonctionnement de l’Actiflo®, les matières colloïdales de l’eau à traiter sont déstabilisées par l’injection d’un réactif coagulant, puis agglomérées au moyen d’un polymère autour d’un support granulaire de sable. Le floc ainsi formé est considérablement plus lourd qu’un floc standard résultant d’un traitement physico-chimique classique. On dit que le floc est « lesté » ; ceci autorise, au niveau de la séparation réalisée dans un décanteur lamellaire (figure 9), un fonctionnement à des vitesses au miroir très élevées qui se situent entre 50 et 80 m/h pour les eaux à potabiliser.

Le principe de fonctionnement de l’Actiflo® CAP est identique.

À leur arrivée sur l’unité Actiflo® CAP, l’eau à traiter traverse dans l’ordre :

• une première cuve dite cuve d’injection de CAP, dans laquelle s’effectue le contact entre le CAP et l’eau à traiter et permet ainsi l’adsorption des matières organiques et des pesticides (figure 10). La concentration en CAP se situe entre 10 et 15 g/L et se traduit par une utilisation maximale de l’efficacité du CAP ;
• cette première cuve sert également de cuve de coagulation, dans laquelle s’effectue le contact avec le coagulant ainsi que l’injection d’acide sulfurique afin de caler le pH au pH de floculation recherché ;
• une deuxième cuve de mélange rapide, dite cuve d’injection, dans laquelle on...

Injecte le polymère et le microsable,

• - une troisième cuve, à vitesse d’agitation plus modérée, dite cuve de maturation. Chaque cuve est équipée d’un agitateur à axe vertical, à vitesse réglable.

Le microsable est injecté dans la cuve d’injection et est destiné à initier la formation du complexe CAP-boues-microsable en vue d’une rapide décantation.

Le CAP, les boues hydroxydes et le microsable déposés au fond du décanteur sont collectés dans une trémie ou par un racleur de fond selon la taille de l’ouvrage, puis pompés vers des hydrocyclones. En raison de la faible turbidité, les boues hydroxydes ne représentent en réalité qu’une très faible part du mélange CAP/microsable.

Afin d’augmenter la concentration des boues extraites et d’accroître les performances des décanteurs, un système de recirculation des boues est mis en œuvre. Le mélange décanté (CAP-boues-microsable) est dirigé vers une batterie d’hydrocyclones (figure 11) qui assurent la séparation du microsable et du CAP/boues :

• - la sous-verse de l’hydrocyclone, constituée essentiellement de microsable, est réinjectée dans la cuve d’injection, là où est en même temps ajouté du polymère ;
• - la surverse de l’hydrocyclone, essentiellement constituée de CAP (et d’un peu d’hydroxydes) est réinjectée au niveau de la cuve de tête spécifique pour le CAP. Le CAP réinjecté rencontre le CAP neuf qui est également injecté dans cette cuve et initie les premières cinétiques d’adsorption. Les hydrocyclones assurent d’une part la séparation du sable en partie inférieure qui est recirculé dans la zone d’injection et d’autre part du CAP et des boues hydroxydes en partie supérieure qui sont recirculés vers la cuve de contact CAP en tête d’ouvrage.

La fraction des boues recyclées ne représente qu’une très petite partie, non seulement vis-à-vis du débit d’entrée mais aussi vis-à-vis de la masse des boues qui est soutirée. Ainsi, le recyclage de boues ne concerne qu’une faible fraction des boues.

Le CAP étant en permanence « rafraîchi » par des apports neufs (de 2 à 5 g/m³ selon les périodes), des purges régulières sont donc nécessaires.

Décantation

Les eaux floculées sont introduites dans la cuve de décantation, sous les plaques formant les modules lamellaires, et circulent donc de bas en haut (figure 12).

L’eau clarifiée est recueillie en partie haute de la cuve par des goulottes de reprise, qui ensuite évacuent les eaux vers la filtration sur sable existante (ou directement vers les pompes de gavage des membranes). Ces goulottes sont munies de déversoirs crantés qui assurent une bonne répartition des flux dans l’ouvrage (figure 13). Les boues se déposent au fond de l’ouvrage et sont

Reprises par un raclage de fond qui les entraînent au centre. La reprise de ces boues s'effectue ensuite par pompage.

La forte densité du complexe sable-CAP-boues conduit à des vitesses de Hazen élevées et permet alors des vitesses au miroir se situant aujourd'hui entre 35 et 50 m/h.

La décantation lestée de l’Actiflo® permet de travailler à des concentrations en CAP dans les cuves très élevées, jusqu’à 10 g/L-15 g/L. Ainsi les cinétiques sont très rapides et les matières organiques et pesticides sont rapidement adsorbés. Ces cinétiques se poursuivent pendant le trajet de l'eau dans les différentes cuves formant l’Actiflo®.

Ce maintien d’un lit de CAP permanent et important dans le système permet de conserver une quantité de CAP toujours prête à adsorber les éventuelles pointes en matières organiques ou en pesticides (figures 14 et 15).

Par ailleurs, grâce à l'importance des flocs formés dans les différentes cuves de mélange par l'injection de coagulant, polymères et microsable, le CAP est piégé à l'intérieur de ces flocs et la qualité d’eau décantée est très bonne (< 1 NTU) ; il n'y a donc pas de fuite de fines de CAP dans les goulottes d'eau décantée (tableau 1).

Tableau 1 : Performances de l’Actiflo® CAP vis-à-vis du COT(eau moyennement chargée, site de Iver ‑ UK)

La qualité du CAP à mettre en place est choisie uniquement en fonction des constituants organiques de l’eau brute. Le cas de Saint-Malo montre un abattement moyen de l'ordre de 62 % (figure 16) pour des concentrations de COT en eau brute qui sont entre 7 et 9,5 mg/L, confirmant les analyses en matières organiques effectuées par les instituts spécialisés (5,6).

Les avantages de l’Actiflo® CAP

Les avantages de ce procédé sont donc :

• la compacité,
• le temps de réponse très court,
• la souplesse d'exploitation,
• la constance de la qualité de sortie, malgré les fluctuations de la qualité de l'eau brute,
• les bonnes performances vis-à-vis du COT une concentration en boues élevée (15 g/L)

Références

Tableau 2 : Références OTV-VWS utilisant la solution OPALINE®

Conclusions

La démarche de OTV ‑ Veolia Eau est de proposer à ses clients des solutions d’ensemble les plus flexibles possibles, en recherchant autant que faire se peut les conditions de fonctionnement optimales.

La technique de recirculation du matériau

découle de l’expérience de la recirculation du sable au sein de l’Actiflo®. Elle a été reconduite en remplaçant le sable par le charbon actif en poudre ou en associant au sable tout simplement.

Il s'agit ainsi de poursuivre dans la voie d'une amélioration constante de la qualité de l’eau traitée à travers tous les paramètres réglementaires de la législation française et en particulier les matières organiques. Plusieurs types de charbon actif disponibles sur le marché peuvent être utilisés. Toutefois, le charbon actif PICA s'est révélé très intéressant pour un certain nombre de types d'eaux contenant des pesticides et des matières organiques.

Ainsi, chaque situation est examinée au cas par cas à partir des données d’eau à traiter et des objectifs à atteindre. Il n'y a pas de solution absolue, mais autant de cas particuliers que de projets auxquels OTV - Veolia Eau est apte à répondre par le biais des procédés dont elle dispose.

Références bibliographiques

1. 1. Moubeche P. (2007), mémoire de fin d'études licence GSE, « Évaluation des performances des systèmes d’abattement de la matière organique en vue de la restructuration d'une usine d'eau potable ».
2. 2. Lescourret A.S., Suty H. (2004), Traitabilité de composés phytosanitaires sur une filière de traitement, JIE Poitiers, septembre, pp 321 à 321.5.
3. 3. Traegner U.K., Suidan M.T. (1989), Evaluation of surface and film diffusion coefficients for carbon adsorption, Water Res., 23, 3, 267.
4. 4. Lebeau T., Lelièvre C., Wolbert D., Laplanche A., Prados M.J., Coté P. (1999), Effect of natural organic matter loading on the atrazine adsorption capacity of an aging powdered activated carbon slurry, Water Res., 33, 7, 1695.
5. 5. Cemagref (2005) - Groupement de Rennes - GEPMO — Facteurs expliquant la présence de la matière organique dans les eaux superficielles en Bretagne : Analyses des données existantes — Rapport final.
6. 6. Cemagref (2004) - Groupement de Rennes - GEPMO — Les sous-produits chlorés dans les eaux destinées à l'alimentation humaine, facteurs de formation, impacts sur la santé, évaluation des risques dans le cas de la Bretagne, rapport Gérard Gruau.