Brevet FR3059251A1 — publié le 20180601

PROCEDE ET INSTALLATION DE TRAITEMENT DE FLUIDE CONTENANT DES MATIERES ORGANIQUES, NATURELLES OU SYNTHETIQUES, EN PARTICULIER DANS UNE FILIERE D'EAU POTABLE L'invention est relative à un procédé de traitement de fluide contenant des matières organiques, naturelles ou synthétiques, par passage du fluide à travers un lit de charbon actif, selon un flux ascendant. L'invention concerne plus particulièrement un traitement de l'eau dans une filière d'eau potable, pour l'abattement des matières organiques. Cet abattement des matières organiques (MO) est principalement réalisé par coagulation et par adsorption sur charbon actif (CA). La mise en oeuvre de charbon actif pour compléter l'abattement des matières organiques et/ou pour capter les pesticides a été proposée depuis plusieurs décennies, en particulier sur filtre à charbon actif en grains (CAG) ou par ajout de charbon actif en poudre (CAP). Les ouvrages pour la mise en oeuvre du charbon actif sont généralement qualifiés de réacteurs à charbon actif, et sont généralement ajoutés en aval d'une première étape de floculation-décantation. Le charbon actif sert à retenir des micropolluants organiques, ou plus généralement des matières organiques, naturelles ou artificielles. En raison de son coût élevé, le charbon actif est généralement utilisé en "affinage", c'est-à-dire dans une ou plusieurs étapes en fin de filière de traitement, alors que la teneur en matières organiques naturelles a été substantiellement réduite par un procédé moins coûteux, tel que la coagulation-floculation suivie d'une étape de séparation du floc. Dans ce cas, le charbon actif est utilisé sous forme de filtration sur charbon actif en grains (FCAG). Le charbon actif a aussi été utilisé sous forme de charbon actif en poudre (CAP) en floculation-décantation puisque sa rétention était possible facilement à ce stade, le charbon actif en poudre étant fixé par le floc. Cette étape se situait naturellement en tête de filière de traitement. Des réacteurs relativement récents sont à lits de CAG fin en expansion. Ces différents réacteurs connus présentent des inconvénients. Le filtre à charbon actif en grains classique correspond à un réacteur utilisé en affinage, à flux descendant pour garantir une très faible turbidité. De tels réacteurs retiennent les matières en suspension (MES) et nécessitent des installations annexes conséquentes pour le rétrolavage nécessairement à flux ascendant, donc en sens inverse du flux de filtration. 3059251 2 Un réacteur à charbon actif en poudre (CAP), à flux ascendant, permet d'améliorer l'adsorption, mais avec l'inconvénient que le matériau fin, constitué par le CAP, est entraîné par l'eau. Il faut ensuite le séparer de l'eau, ce qui complique le traitement. 5 L'invention a pour but, surtout, de fournir un procédé qui permet d'optimiser l'abattement des matières organiques dans un réacteur à charbon actif à flux ascendant et qui permet de réduire les coûts en investissements et en exploitation. Selon l'invention, un procédé de traitement de fluide, notamment 10 de liquide, en particulier d'eau, contenant des matières organiques naturelles ou synthétiques, par passage d'un flux ascendant de fluide à travers un lit de charbon actif, est caractérisé en ce que : - le charbon actif est sous forme de grains, - au moins une phase de filtration/adsorption est prévue au cours de 15 laquelle la vitesse du fluide est suffisamment faible pour ne pas provoquer d'expansion sensible du lit de charbon actif qui assure à la fois une filtration et une adsorption des matières contenues dans le fluide, - et au moins une phase d'expansion est prévue, au cours de laquelle le fluide circule à une vitesse suffisamment forte pour provoquer une 20 expansion sensible du lit de charbon actif qui subit alors un lavage par le fluide. La taille effective des grains de charbon actif est généralement comprise entre 0,3 et 1,5 mm, de préférence comprise entre 0,6 et 1,2 mm. 25 La vitesse de circulation du fluide lors de la phase de filtration/adsorption est avantageusement comprise entre 10 et 20 m/h, selon la taille des grains du charbon actif retenue, de préférence entre 12 et 15 m/h. La vitesse de circulation du fluide, lors de la phase de lavage, est 30 de préférence comprise entre 15 et 40 m/h, selon la taille des grains du charbon actif retenue. L'expansion sensible du lit de charbon actif, lors de la phase de lavage, est au moins de 15 % de la hauteur du lit au repos alors que, pendant la phase de filtration/adsorption, l'augmentation éventuelle de la 35 hauteur du lit ne dépasse pas 10 % de la hauteur au repos. Avantageusement, le fluide, notamment le liquide, est mis en circulation par une pompe à vitesse variable, et la vitesse de cette pompe est augmentée pendant la phase de lavage. En variante, le flux de liquide, notamment d'eau, est assuré par 3059251 3 gravité à partir d'une colonne de liquide dont la hauteur est supérieure à celle du liquide dans le réacteur contenant le lit de charbon actif, l'admission du liquide en bas du réacteur étant assurée à faible débit pour la phase de filtration/adsorption, et à plus fort débit pour la phase de lavage, avec effet 5 de chasse. Une extraction partielle de charbon actif peut être effectuée lors de la phase de lavage. Une charge progressive en charbon actif est avantageusement réalisée, en étant adaptée aux besoins en abattement des teneurs en 10 polluants. En aval du traitement par charbon actif, on peut prévoir une étape de filtration, en particulier par filtration granulaire ou membranaire, de préférence combinée dans la même unité. Selon le procédé de l'invention : 15 l'appareil ou réacteur assure une filtration ou une pré-filtration, en arrêtant des matières en suspension qui entrent dans le réacteur, d'où une réduction des besoins éventuels de filtration en aval, selon la qualité souhaitée par l'utilisateur ; le réacteur ne nécessite que le fluide d'entrée, généralement l'eau à 20 traiter, pour le lavage périodique ou pour l'extraction du charbon actif en grains, d'où une installation simplifiée ; le fluide d'entrée est soumis à des pulsations qui correspondent aux changements de la vitesse de circulation du fluide. L'invention est également relative à une installation pour la mise 25 en oeuvre du procédé de traitement de fluide défini précédemment, cette installation comprenant un réacteur dans lequel est disposé un lit de charbon actif avec, en partie basse du réacteur, une entrée du fluide, notamment du liquide, à traiter, et un moyen d'évacuation du fluide traité en partie haute du réacteur, cette installation étant caractérisée en ce que 30 le charbon actif est en grains, et l'installation comporte un moyen de mise en circulation du fluide, selon flux ascendant, suivant au moins deux vitesses, dont l'une est insuffisante pour provoquer une expansion sensible du lit, et dont l'autre est suffisamment forte pour provoquer une expansion sensible du lit. 35 Par expansion sensible, on désigne une expansion telle que la hauteur du lit augmente d'au moins 15 % de la hauteur au repos. La taille effective des grains de charbon actif est généralement comprise entre 0,3 et 1,5 mm, de préférence entre 0,6 et 1,2 mm Avantageusement, le moyen de mise en circulation du fluide, 3059251 4 notamment du liquide, est une pompe à vitesse variable. Selon une variante, dans le cas d'un liquide en particulier d'eau, le moyen de mise en circulation comprend une colonne de liquide de hauteur supérieure à celle du liquide dans le réacteur avec une alimentation 5 à faible débit pour la phase de filtration/adsorption, et une alimentation à plus fort débit pour la phase de lavage pour créer un effet de chasse ; une vanne peut être prévue pour mettre en service la conduite à fort débit. Une conduite est avantageusement prévue sur la paroi du réacteur et débouche dans la hauteur du lit de charbon actif au repos, de sorte qu'une évacuation d'une partie du charbon actif du lit peut être assurée lors de la phase de lavage. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus 10 explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins : Fig. 1 est une coupe schématique verticale d'une installation mettant en oeuvre le procédé de l'invention, en phase de 15 filtration/adsorption. Fig. 2 représente, semblablement à Fig. 1, l'installation en phase de lavage, et Fig. 3 montre, semblablement à Fig. 1, une variante de réalisation. 20 En se reportant à Fig. 1 des dessins, on peut voir une installation pour le traitement de l'eau dans une filière d'eau potable, cette installation comprenant un réacteur 1, dont la hauteur peut être de plusieurs mètres, notamment de l'ordre de 3 ou 4 m. En partie basse de ce réacteur, est disposé un lit 2 de charbon actif en grains dont la taille effective est 25 comprise entre 0,3 et 1,5 mm, de préférence entre 0,6 et 1,2 mm. Le lit 2 peut être obtenu en superposant des couches de charbon actif 2a, 2b, 2c correspondant à des remplissages progressifs effectués par déversement depuis la partie haute ouverte du réacteur 1. L'épaisseur de chaque couche de charbon actif peut être comprise entre 10 cm et 50 cm, lors du 30 déversement. Le réacteur est muni, sur sa partie haute ouverte, d'une couverture de protection la amovible, non étanche, laissant passer l'air. Le lit 2 est posé sur une couche support 3, notamment en gravier. En variante, le lit 2 pourrait être supporté par une plaque perforée prévue en fond du réacteur 1. 35 Un moyen d'entrée 4 de l'eau à traiter est prévu en partie basse 3059251 5 du réacteur et est constitué notamment par une rampe de distribution, s'étendant dans la couche support 3. Un moyen d'évacuation 5, constitué par une conduite munie d'une vanne 6, est prévu en partie haute du réacteur 1. 5 L'installation comporte un moyen M de mise en circulation de l'eau suivant au moins deux vitesses dont l'une est insuffisante pour provoquer une expansion sensible du lit 2, c'est-à-dire une augmentation sensible de la hauteur H1 du lit au repos, et dont l'autre est suffisamment forte pour provoquer une expansion sensible du lit 2 dont la hauteur est 10 augmentée en H 2 comme illustré sur Fig. 2. Selon la réalisation de Fig. 1 et 2, le moyen M est constitué par une pompe 7 à vitesse variable. La pompe 7 est prévue pour assurer, à faible vitesse, une mise en circulation de l'eau dans le lit 2 selon une vitesse de 10 à 20 m/h 15 (mètre/heure) selon la taille du charbon actif en grains retenue, et de préférence entre 12 et 15 m/h. Pour une telle vitesse de circulation, le lit 2 ne subit pas d'expansion ou tout au moins d'expansion sensible de sorte qu'il assure un traitement de filtration et un traitement d'adsorption. Si le lit 2 était expansé de manière sensible, le traitement de filtration ne serait 20 pas assuré. Cette phase de traitement correspond à une phase de filtration/adsorption. Le lit 2 retient, par filtration, des matières qui salissent les grains de charbon actif de sorte qu'un lavage des grains du lit 2 doit être effectué périodiquement. 25 Ce lavage est réalisé en augmentant la vitesse de la pompe 7 pour que la vitesse de circulation du liquide dans le lit 2 augmente et fasse passer ce lit en expansion. La vitesse de circulation de l'eau est avantageusement comprise entre 15 et 40 m/h pour cette opération de lavage. L'eau de lavage est évacuée par une conduite 8 munie d'une vanne 30 9 prévue également en partie haute du réacteur 1. Des pulsations sont ainsi générées périodiquement dans le lit 2 pour en assurer le lavage. Au cours de la phase d'expansion, illustrée sur Fig. 2, une évacuation d'une partie du charbon actif du lit peut être assurée à l'aide 35 d'une conduite 10 prévue sur la paroi du réacteur 1 et débouchant dans la hauteur du lit 2 au repos. La conduite 10 est munie d'une vanne 11 dont l'ouverture, pendant la phase d'expansion du lit, permet d'évacuer vers un bac B une certaine quantité de charbon actif pour en assurer la réactivation. Un déversement (non représenté) d'une quantité sensiblement équivalente 3059251 6 de charbon actif régénéré, ou neuf, est effectué par l'extrémité haute ouverte du réacteur 1 pour un renouvellement périodique du charbon actif. On effectue, également de cette manière, un remplissage progressif du lit 2 par couches successives. 5 La teneur en charbon actif de l'eau, dans la zone du lit 2, y compris lors de l'expansion, est d'au moins 350 g/L. L'exploitation de l'installation, pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, est la suivante. Pendant la phase de filtration/adsorption, la pompe 7 tourne à 10 une vitesse relativement faible pour que la vitesse de l'eau, en flux ascendant, dans le réacteur 1 ne provoque pas d'expansion ou d'expansion sensible du lit 2. L'eau traitée est évacuée par la conduite 5, la vanne 6 étant ouverte. Les vannes 9 et 11 sont fermées. La phase de lavage, illustrée sur Fig. 2, est obtenue en 15 augmentant la vitesse de la pompe 7 de sorte que la vitesse de circulation de l'eau dans le réacteur 1 provoque l'expansion du lit 2 comme illustré. La vanne 6 est fermée tandis que la vanne 9 d'évacuation de l'eau de lavage par la conduite 8 est ouverte. L'installation en filtrant, ou en pré-filtrant, arrête les matières en 20 suspension présentes dans l'eau, ce qui limite les besoins éventuels de filtration en aval. L'eau à traiter constitue le fluide pour le lavage périodique, ce qui simplifie l'installation. Fig. 3 illustre une variante de réalisation de l'installation selon 25 laquelle le flux d'eau à traiter est assuré par gravité à partir d'une colonne d'eau 12 dont la hauteur est supérieure d'une distance E à la hauteur maximale de l'eau dans le réacteur 1. L'eau à traiter est admise, par une conduite 12a, dans la partie haute de la colonne 12 au-dessus du niveau de l'eau dans cette colonne. La partie basse de la colonne est reliée à la rampe 30 4 par l'intermédiaire d'une vanne 13 installée sur une conduite 14 à forte section et fort débit. Une conduite 15 à faible section et faible débit relie la partie basse de la colonne 12 à une zone de la rampe 4, en aval de la vanne 13. Les autres éléments du réacteur de Fig. 3 sont semblables ou identiques aux éléments déjà décrits à propos des figures précédentes et 35 sont désignés par les mêmes références numériques sans que leur description soit reprise. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, dans le cas d'un liquide en particulier d'eau, le moyen de mise en circulation M comprend une colonne 12 de liquide de hauteur supérieure, notamment d'au moins 1 m, à celle du liquide dans le réacteur (1) avec une alimentation à faible débit pour la phase de 3059251 7 filtration/adsorption, et une alimentation à plus fort débit pour la phase de lavage pour créer un effet de chasse, une vanne 13 étant prévue pour mettre en service l'une ou l'autre conduite. Pour la phase de filtration/adsorption, la vanne 13 est fermée et 5 l'alimentation en eau à traiter s'effectue par la conduite 15 selon un débit relativement faible, de sorte que la vitesse de circulation du flux ascendant dans le réacteur 1 est faible et ne provoque pas une expansion du lit 2. Pour la phase de lavage, l'ouverture de la vanne 13 est commandée. Un écoulement rapide, produisant un phénomène de chasse, 10 est créé avec une vitesse élevée du flux d'eau ascendant dans le lit 2 qui est mis en expansion, de manière semblable à la représentation de Fig. 2. La vanne 13 est du type tout ou rien. En variante, on pourrait prévoir une vanne à ouverture réglable qui permettrait de supprimer la conduite 15 ; la vanne serait réglée à un 15 faible débit pendant la phase de filtration/adsorption, et à un fort débit pendant la phase de lavage. Une étape de filtration, en particulier filtration granulaire ou membranaire, peut être prévue en aval du réacteur 1 de traitement par charbon actif. Dans le cas d'une filtration granulaire aval, le bassin de 20 filtration peut être combiné avec le réacteur 1 dans une même unité de la manière suivante : le bassin de filtration granulaire est accolé à une paroi verticale du réacteur 1 avec une cloison commune par-dessus laquelle l'eau traitée dans le réacteur 1 se déverse dans la cellule de filtration granulaire où le flux est descendant avec sortie en partie basse. L'unité de traitement 25 ainsi formée est du type biflux. Le procédé de l'invention a été testé sur une unité pilote qui a fonctionné sur de l'eau coagulée-décantée dans une usine de traitement d'eau, dans la filière de traitement classique des réalisations en France, sur des eaux riches en matières organiques. 30 Les essais ont montré que : - l'abattement en turbidité, qui correspond à la fonction filtration, a atteint 70 %, - l'abattement en carbone organique total (COT) qui correspond à la fonction adsorption -a atteint 70 %, 35 pour une hauteur de lit 2 de charbon actif comprise entre 0,1 et 0,5 m, lorsque le lit est au repos et non expansé, et pour une vitesse de circulation de l'eau dans le réacteur en flux ascendant de 11 à 16 m/h. L'invention est applicable à la production d'eau destinée à la consommation humaine, ou à la production d'eau de procédé, ainsi qu'au 40 traitement des eaux usées nécessitant un abattement notable des matières organiques dont les micropolluants, pour lesquels seuls quelques adsorbants sont efficaces, principalement le charbon actif. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement de fluide, notamment de liquide, en particulier d'eau, contenant des matières organiques naturelles ou synthétiques, par passage d'un flux ascendant de fluide à travers un lit de charbon actif, caractérisé en ce que : - le charbon actif est sous forme de grains - au moins une phase de filtration/adsorption est prévue au cours de laquelle la vitesse du fluide est suffisamment faible pour ne pas provoquer d'expansion sensible du lit de charbon actif qui assure à la fois une filtration et une adsorption des matières contenues dans le fluide, - et au moins une phase d'expansion est prévue, au cours de laquelle le fluide circule à une vitesse suffisamment forte pour provoquer une expansion sensible du lit de charbon actif qui subit alors un lavage par le fluide. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la taille effective des grains de charbon actif est comprise entre 0,3 et 1,5 mm, de préférence entre 0,6 et 1,2 mm. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la vitesse de circulation du fluide lors de la phase de filtration/adsorption est comprise entre 10 et 20 m/h, selon la taille des grains du charbon actif retenue, de préférence entre 12 et 15 m/h. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vitesse de circulation du fluide, lors de la phase de lavage, est comprise entre 15 et 40 m/h, selon la taille des grains du charbon actif retenue. 30 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'expansion sensible du lit de charbon actif, lors de la phase de lavage, est au moins de 15 % de la hauteur du lit au repos alors que, pendant la phase de filtration/adsorption, l'augmentation éventuelle de 35 la hauteur du lit ne dépasse pas 10 % de la hauteur au repos. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide, notamment le liquide, est mis en circulation par une pompe (7) à vitesse variable, et la vitesse de cette pompe est 25 3059251 9 augmentée pendant la phase de lavage. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 pour le traitement d'un liquide, en particulier de l'eau, caractérisé en ce que le flux 5 de liquide est assuré par gravité à partir d'une colonne (12) de liquide dont la hauteur est supérieure à celle du liquide dans le réacteur (1) contenant le lit de charbon actif, l'admission du liquide en bas du réacteur étant assurée à faible débit pour la phase de filtration/adsorption, et à plus fort débit pour la phase de lavage, avec effet de chasse. 10 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une extraction partielle de charbon actif est effectuée lors de la phase de lavage. 15 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une charge progressive en charbon actif est réalisée, en étant adaptée aux besoins en abattement des teneurs en polluants. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce qu'en aval du traitement par charbon actif, est prévue une étape de filtration, en particulier par filtration granulaire ou membranaire, de préférence combinée dans la même unité. 11. Installation pour la mise en oeuvre d'un procédé de traitement de fluide selon la revendication 1, cette installation comprenant un réacteur (1) dans lequel est disposé un lit (2) de charbon actif avec, en partie basse du réacteur, une entrée (4) du fluide, notamment du liquide, à traiter, et un moyen d'évacuation (5) du fluide traité en partie haute du réacteur, caractérisée en ce que le charbon actif est en grains, et l'installation comporte un moyen (M) de mise en circulation du fluide, selon flux ascendant, suivant au moins deux vitesses, dont l'une est insuffisante pour provoquer une expansion sensible du lit, et dont l'autre est suffisamment forte pour provoquer une expansion sensible du lit. 12. Installation selon la revendication 11, caractérisée en ce que la taille effective des grains est comprise entre 0,3 et 1,5 mm, de préférence entre 0,6 et 1,2 mm. 3059251 10 13. Installation selon la revendication 11 ou 12, caractérisée en ce que le moyen (M) de mise en circulation du fluide, notamment du liquide, est une pompe (7) à vitesse variable. 5 14. Installation selon la revendication 11 ou 12, caractérisée en ce que, dans le cas d'un liquide en particulier d'eau, le moyen de mise en circulation (M) comprend une colonne (12) de liquide de hauteur supérieure, notamment d'au moins 1 m, à celle du liquide dans le réacteur (1) avec une alimentation à faible débit pour la phase de filtration/adsorption, et une 10 alimentation à plus fort débit pour la phase de lavage pour créer un effet de chasse, une vanne (13) étant prévue pour mettre en service l'une ou l'autre conduite. 15. Installation selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisée en ce qu'une conduite (10) est prévue sur la paroi du réacteur (1) et débouche dans la hauteur du lit (2) de charbon actif au repos, de sorte qu'une évacuation d'une partie du charbon actif du lit peut être assurée lors de la phase de lavage.