Essais-Pilotes – Charbon actif en grain en lit fluidisé – procédé CarboPlus®

TRIFORM, 2018

Rapport final de M. Horisberger (TRIFORM) et al. pour la STEP de Penthaz.

Résumé

La STEP de l’Association Intercommunale pour l’Epuration des Eaux usées de Cossonay-Penthalaz-Penthaz-Daillens-Bettens (AIEE) à Penthaz se trouve sur la liste des 16 STEP du canton de Vaud devant se doter d’un système de traitement des micropolluants selon la planification générale de la DGE (2016) en vertu de la récente révision de la loi fédérale sur la protection des eaux (LEaux) et de son ordonnance afférente (OEaux), entrées en vigueur le 1er janvier 2016.La STEP de Penthaz a été agrandie et modernisée entre 2012 et 2015 sous la direction de Triform SA. Le traitement biologique est réalisé par boues activées, avec nitrification et dénitrification partielle. Suite à cela, et en raison des nouvelles exigences pour le traitement des micropolluants, l’AIEE a mandaté Triform SA pour une étude de faisabilité au terme de laquelle des essais pilotes avec le procédé CarboPlus® ont été proposés et réalisés. Ce procédé, développé et breveté par la société SAUR (France) et sa filiale Stereau, est un traitement par charbon actif en grain en lit fluidisé (aussi appelé charbon actif en micrograin par Stereau) dans un réacteur à flux ascendant. Il présente un certain nombre de caractéristiques techniques et économiques intéressantes telles que l’absence d’une étape supplémentaire de filtration (la séparation charbon-eau se fait naturellement par gravité), la réactivation possible du charbon usagé ainsi qu’une relative simplicité de fonctionnement et de maintenance.

Les essais pilotes, qui se sont déroulés entre février 2016 et août 2017, ont eu pour but de vérifier les paramètres de dimensionnement et les performances attendues de l’installation. Ils ont été articulés en deux essais, le premier avec le charbon Chemviron CycleCarb 305 et le second avec le Norit GAC 3040 AW. Un groupe de travail pluridisciplinaire piloté par Triform SA et composé de représentants de l’AIEE, de la Direction Générale del’Environnement (DGE) du canton de Vaud, de l’Office Fédéral de l’Environnement (OFEV), de SAUR/Stereau, de l’Eawag, de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ainsi que de la plateforme Micropoll du VSA a été mis sur pied pour l’occasion afin de bénéficier de l’expérience de ses membres en termes de compétences sur le traitement et l’analyse des micropolluants. L’installation pilote a été conçue pour traiter l’équivalent de 1 à 2% du débit moyen d’entrée de la STEP de Penthaz, à des vitesses ascensionnelles comprises entre 7 et 20 m/h. Le réacteur avait les dimensions suivantes : 0.35 m de diamètre et 4.12 m de hauteur d’eau utile. En régime stabilisé, la masse de charbon dans le réacteur a été maintenue constante. Des injections de charbon ontété réalisées quotidiennement dans une gamme de dosage allant de 10 à 25 g/m3 (équivalent à env. 1 à 3 gCA/gCOD) et des extractions ont été faites 1 à 2 fois par semaine. Dans un premier temps, un débit constant a été maintenu à 1.5 m3/h, soit une vitesseascensionnelle d’environ 15 m/h, puis la consigne d’alimentation a été assignée au débit d’entrée de STEP afin d’évaluer la gamme des vitesses ascensionnelles comprises entre 7 et 20 m/h.

Sur la durée des essais, 17 analyses des micropolluants ont été réalisées en laboratoire sur l’ensemble de la STEP (entrée biologie, entrée et sortie du pilote) et 67 sur l’installation pilote uniquement. Les analyses réalisées sur la chaîne de traitement biologique actuelle indiquent un rendement d’en moyenne 20% sur lesmicropolluants, variant entre 6% et 36%. Au cours des deux essais, l’installation pilote a atteint et dépassé 80% d’épuration des micropolluants. Il est donc possible d’assurer une élimination de plus de 80% sur l’ensemble de la STEP comme exigé par l’OEaux, même en cas de rendement faible sur la biologie. Lors des phases de montée en charge et d’optimisation de l’essai n°1, des rendements inférieurs à 80% ont été obtenus. Diverses raisons ont été identifiées, notamment des dysfonctionnements au niveau dutraitement biologique en amont (développement de bactéries filamenteuses dans la biologie, nitrification partielle, abondance de matières en suspension, …), des quantités de charbon trop basses dans la colonne ou encore des dosages effectifs inférieurs à la consigne. L’accumulation de matières en suspension (MES) dans la colonne s’est également révélée problématique et des opérations de lavages à l’eau (routine) et à l’air (exceptionnel) ont dû être effectuées. Selon les résultats des essais, un dosage de15 g/m³, soit environ 2 gCA/gCOD, permet de garantir le taux d’épuration de 80% sur la STEP en tout temps, y compris en temps de pluie, pour autant que les autres paramètres opérationnels soient adéquats. Au cours des essais pilotes, il a été constaté quele taux d’humidité du charbon stocké était variable, et en moyenne de 18%. Cette valeur non négligeable a été introduite dans le calcul de la masse à doser afin d’obtenir un dosage effectif satisfaisant.

De faibles pertes en charbon ont été observées à lapréparation (élimination des fines et des grains non mouillés) à hauteur de ~0.3% et 0.6% pour les charbons Chemviron et Norit respectivement. Des analyses thermogravimétriques ont été réalisées dans le but de quantifier la part de charbon dans les MES ensortie de l’installation et donc relarguée vers l’exutoire. Les résultats indiquent que le charbon représente en moyenne 11% des MES en sortie ce qui correspond à des concentrations en charbon de 0.1 à 0.5 mg/L. Compte tenu des faibles concentrations en MES en sortie de la STEP de Penthaz et de la part relativement faible de charbon actif, les pertes en charbon actif vers l’exutoire sont considérées comme minimes selon l’état des connaissances actuelles. Toutefois, il n’existe pas encore de réglementation formelle pour ce paramètre.

Des mesures de l’absorbance UV à 254 nm ont été réalisées et une bonne corrélation a pu être obtenue entre les rendements UV254 entrée-sortie du pilote et ceux calculés avec les analyses laboratoire des micropolluants des mêmeséchantillons, ceci malgré le fait que les eaux ne soient pas filtrées avant la sonde. La mise en place d’une mesure UV254 online a permis une surveillance de l’efficacité du pilote en temps réel. Les deux charbons testés durant les essais, soit le Chemviron CycleCarb 305 et le Norit GAC 3040 AW ont démontré de bonnes performances d’un point de vue de l’efficacité d’élimination des micropolluants ainsi que de l’hydraulique et sont donc adéquats pour ce procédé. Hormis une maintenance extraordinaire nécessitée lorsqu’une eau fortement chargée en MES l’a malencontreusement alimenté, le pilote CarboPlus® s’est révélé facile d’utilisation et n’a pas occasionné de surcharge de travail pour les exploitants de la STEP.

Compte tenu des très bons résultats obtenus lors des essais, le procédé CarboPlus® a été recommandé par Triform pour le traitement des micropolluants à la STEP de Penthaz. La DGE et l’OFEV ayant validé le projet d’ouvrage, l’installation est en cours de construction et sera mise en service courant 2018.Les résultats de ces essais pilotes sont détaillés dans le présent rapport et mis à disposition pour téléchargement sur la plateforme du VSA.

  • Année de publication:  2018

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