Brevet FR3087433A1 — publié le 20200424

Procédé de traitement par adsorption sur charbon actif sans étape de floculation et sans injection de coagulant 1. Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine du traitement physico-chimique des eaux. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de traitement des eaux à l'aide de charbon actif pour en abattre la teneur en matières polluantes, notamment en matières organiques, en micropolluants, en pesticides ou en tout composé susceptible d'en altérer le goût ou l'odeur. Le procédé selon l'invention trouve notamment son application dans le cadre des procédés de traitements de eaux en vue de leur potabilisation, du traitement des eaux issues de procédés industriels, ainsi qu'en traitement tertiaire dans le cadre de procédés de traitement des eaux usées 2. Art antérieur L'utilisation du charbon actif pour traiter les matières polluantes contenues dans les eaux est connue depuis longtemps. Ce matériau présente une surface spécifique très élevée qui permet aux polluants d'y être adsorbés. Selon les procédés, il peut être utilisé sous forme de poudre (CAP) ou de grains (CAG). Ainsi, FR2738235A1 décrit une technique comprenant une étape de mise en contact de l'eau à traiter avec du charbon actif en poudre de granulométrie très fine, comprise entre 5 et 25 Rm. Le mélange d'eau et de CAP subit ensuite une étape de floculation. Enfin, une étape de filtration est effectuée pour récupérer l'eau traitée et lui faire subir une désinfection par injection d'oxydant. FR2874913A1 divulgue un procédé dans lequel l'eau à traiter transite selon un flux ascendant dans réacteur contenant un lit de charbon actif de granulométrie plus élevée comprise entre 100 et 800 Rm. La vitesse du fluide dans le réacteur doit être maintenue préférentiellement entre 8 et 15 m/h de façon telle que la concentration en charbon actif soit comprise entre 100 et 300 g/I sur la hauteur du lit et limitée à 2 mg/I en partie supérieure du réacteur. La séparation entre les particules de charbon actif sur lesquelles se sont adsorbées les matières à éliminer d'une part et l'eau débarrassée de ces matières d'autre part, est effectuée de façon gravitaire. Une partie du charbon actif est renouvelée périodiquement. 2 Encore un autre procédé, décrit dans la demande de brevet FR3003477A1, utilise un réacteur accueillant un lit de charbon actif en grains (CAG) présentant une granulométrie comprise entre 0.3 et 1.5 mm traversé par l'eau à traiter selon un flux ascendant. Ce réacteur fonctionne à une vitesse suffisamment faible comprise entre 10 et 20 m/h pour que 5 le lit de charbon actif en grains reste compact. Ainsi, celui-ci assure à la fois une filtration et une adsorption des matières présentes dans l'eau. Une phase d'expansion du lit est ensuite prévue au cours de laquelle l'eau circule à une vitesse plus forte, comprise entre 15 et 40 m/h, pour provoquer une expansion du lit de charbon actif et le débarrasser des matières qu'il a retenue. Le CAG est renouvelé par soutirage en partie basse du lit puis par injection 10 de charbon actif en partie haute. Un inconvénient transversal à ces différentes techniques de traitement d'eau mettant en oeuvre du charbon actif provient de la présence de particules fines liées à la distribution granulométrique du charbon actif en poudre ou résultant de l'attrition du charbon. Cette attrition induit l'apparition de particules très fines de charbon, en pratique 15 de taille inférieure à 10 p.m. En effet, en passant dans l'eau traitée, ces fines dégradent la qualité du traitement et encrassent les installations. Pour éviter cela, les vitesses au miroir de l'eau transitant dans les réacteurs contenant le charbon actif doivent être maîtrisées. La fuite de charbon actif entraîne de plus un surcoût résultant de la réinjection de charbon actif neuf pour compenser les pertes. 20 Afin de réduire la quantité de ces fuites de particules fines dans l'eau traitée, des filtres tels que des filtres à sable peuvent être prévus en aval des réacteurs accueillant le charbon actif. Toutefois, ces filtres s'encrassent et n'ont souvent pas un pouvoir de coupure suffisant pour être vraiment efficaces. Il est aussi connu d'augmenter les quantités d'agent floculant distribuées. Toutefois, 25 ceci engendre des coûts supplémentaires ce qui n'est pas économiquement satisfaisant. 3. Objectifs de l'invention L'invention a pour objectif de proposer un procédé de traitement d'eau à l'aide de charbon actif, permettant de limiter les fuites en particules fines de charbon actif. L'invention a également pour objectif de proposer un tel procédé qui puisse être mis 30 en oeuvre dans une installation compacte. Encore un autre objectif d'au moins un mode de réalisation est de fournir un procédé permettant de réduire de façon optimale la consommation en charbon actif. 3 4. Exposé de l'invention Tout ou partie de ces objectifs sont atteints, grâce à l'invention qui concerne un procédé de traitement d'eau comprenant une étape de mise en contact d'une eau à traiter avec du charbon actif dans une cuve de contact pour former un mélange d'eau et de 5 charbon actif, une étape de décantation dudit mélange dans un décanteur, une étape de récupération d'eau traitée dans la partie supérieure dudit décanteur et une étape d'évacuation du charbon actif usé dans la partie inférieure du décanteur, ledit charbon actif ayant une granulométrie moyenne comprise entre 0,3 et 2 mm et une surface spécifique comprise entre 400 m2/g et 1800 m2/g et ladite étape de mise en contact étant effectuée de 10 façon à observer une concentration en charbon actif dans ladite cuve de contact comprise entre 20 et 150 g/I et un temps de séjour de l'eau dans ladite cuve de contact de 4 à 30 mn préférentiellement de 4 à 15 mn. Le procédé selon l'invention est caractérisée en ce que : ladite étape de mise en contact est effectuée sous agitation douce selon un gradient de vitesse compris entre 50 et 150 s 1 et est directement suivie de ladite étape de 15 décantation, ledit mélange ne transitant dans aucune cuve de coagulation et/ou de floculation entre ladite cuve de contact et ledit décanteur ; et en ce que ladite étape de décantation est effectuée dans un décanteur selon une vitesse au miroir comprise entre 10 et 50 m/h, préférentiellement entre 20 et 50 m/h, de façon à autoriser la formation dans la partie inférieure du décanteur d'un lit de charbon actif 20 homogène non turbulent présentant une concentration essentiellement uniforme en charbon actif supérieure à 20 g/I, ledit lit de charbon actif homogène filtrant ledit mélange et retenant les particules solides de celui-ci non adsorbées sur ledit charbon actif. Ainsi, l'invention offre un procédé qui permet de s'affranchir de l'utilisation d'une cuve de coagulation et/ou de floculation entre la cuve de contact avec le charbon actif et l'organe 25 de séparation du charbon de l'eau traitée. Ceci est rendu possible grâce à l'utilisation d'un charbon actif présentant des caractéristiques particulières en termes de granulométrie et de surface spécifique et en recourant à une agitation dans la cuve de contact selon un gradient de vitesse faible. Ainsi, le pouvoir adsorbant du charbon actif est optimisé et l'attrition du charbon est réduite. 30 L'invention permet également de minimiser le passage dans l'eau traitée de particules très fines de charbon actif résultant de l'attrition de celui-ci. 4 Pour ce faire, l'invention propose de former un lit de charbon actif homogène dans le décanteur qui présente des propriétés filtrantes. Ces propriétés filtrantes résultent de la bonne décantabilité du charbon actif sélectionné, et de l'application de vitesses au miroir dans le décanteur qui ne perturbent ni l'homogénéité de ce lit ni la décantation. 5 Selon une variante particulière, la cuve de mise en contact est pourvue d'au moins un agitateur à pales dont les pales sont disposées dans une section de cylindre. Cette section de cylindre permet d'obtenir une homogénéité quasi parfaite du mélange dans la cuve de contact et, ainsi, d'optimiser l'adsorption des polluants sur le charbon actif. Egalement selon une variante, ledit lit de charbon actif présent au sein dudit décanteur 10 est constamment homogénéisé grâce à un racleur équipant celui-ci. En pratique, un tel racleur, permettant aussi de diriger le charbon actif décanté vers une zone centrale pour évacuation, sera conseillé lorsque des surfaces au miroir supérieures à 16 m2seront mises en oeuvre. Lorsque des surfaces au miroir inférieures seront utilisées, il suffira que le décanteur soit pourvu dans sa partie inférieure d'une trémie. 15 Encore selon une variante, le procédé comprend une étape de recirculation d'une partie dudit lit de charbon actif dudit décanteur vers ladite cuve de contact, avantageusement avec un taux de recirculation compris entre 5 à 10 % du débit d'eau à traiter. Une telle recirculation permet d'optimiser les capacités du charbon actif utilisé en favorisant l'adsorption dans les pores encore disponibles. 20 Préférentiellement, ledit lit de charbon actif présente une concentration en charbon actif comprise entre 100 g/I et 1000 g/I. Avantageusement, lesdites particules de charbon actif sont des micro-grains qui présentent une granulométrie comprise entre 0,3 et 0,8 mm et une surface spécifique comprise entre 800 et 1200 m2/g. 25 Avantageusement, lesdites particules de charbon actif sont des grains qui présentent une granulométrie comprise entre 0,8 mm et 2 mm et une surface spécifique comprise entre 800 et 1200 m2/g. Préférentiellement, le procédé selon l'invention comprend en outre des purges de charbon actif en pied de décanteur pour maintenir essentiellement constante la hauteur 30 dudit lit de charbon actif. Selon une variante, ledit décanteur ne présente pas de lamelles inclinées aidant à la décantation. Dans ce cas, un composé floculant est avantageusement injecté dans ledit 5 mélange à sa sortie de ladite cuve de contact, lors de son entrée dans ledit décanteur. Une telle injection de floculant améliore la décantabilité du charbon actif dans le décanteur. Ce floculant n'est pas mis en oeuvre dans une cuve de floculation. Selon une autre variante, ledit décanteur présente des lamelles inclinées aidant à la 5 décantation. L'injection de floculant n'est pas indispensable mais peut être utilisée. Par exemple, lorsque le charbon neuf est injecté et qu'il peut contenir de fines particules, l'injection de floculant permet de les agglomérer et d'éviter qu'elles ne sortent avec l'eau traitée. 5. Liste des figures 10 L'invention, ainsi que les différents avantages qu'elle présente, seront plus facilement compris grâce à la description qui va suivre de deux modes de réalisation particuliers donnés en référence aux dessins, dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique d'une installation mettant en oeuvre un premier mode de réalisation d'un procédé de traitement d'eau selon l'invention ; 15 la figure 2 est une vue schématique d'une installation mettant en oeuvre un second mode de réalisation d'un procédé de traitement d'eau selon l'invention. 6. Description détaillée de l'invention En référence à la figure 1, l'installation 1 comprend des moyens d'amenée 2 d'une eau à traiter dans une cuve de contact 3 équipée d'un agitateur 31 à pales et de moyens 20 d'amenée 9 de charbon actif en grain neuf ou régénéré, un décanteur 4 présentant une partie supérieure 42 dépourvue de lamelles et une partie inférieure en forme de trémie 41, et des moyens 5 d'évacuation de l'eau traitée en surverse du décanteur. Le fond de la trémie 41 est relié à une canalisation de recirculation 8 équipée d'une pompe 6 débouchant dans la cuve de contact 3. Des moyens de purge 7 sont prévus sur une dérivation de la canalisation 25 8. Conformément à l'invention, l'installation ne comprend pas de cuve de floculation entre la cuve de contact 3 et le décanteur 4. L'eau à traiter est amenée par les moyens 2 dans la cuve 3 pour y être mise en contact avec un charbon actif constitué de micro-grains présentant une granulométrie comprise entre 0,3mm et 0,8 mm, comme par exemple le Microsorb 400 R commercialisé 30 par la société CHEMVIRON ou de grains présentant une granulométrie comprise entre 0,8 mm et 2 mm comme l'Aquacarb 207 C également commercialisé par la société CHEMVIRON et qui présente aussi l'intérêt de posséder une dureté importante minimisant l'apparition de 6 fine. Dans le cas de l'Aquacarb 207 C cette dureté est de l'ordre de 97% (densité mesurée selon la méthode dite « ASTM D 3802 standard test method for Ball-pan hardness of activated carbon ». Selon l'invention, l'agitateur 31 est mis en oeuvre selon un gradient de vitesse 5 compris entre de 50 à 150 s 1 provoquant une lente agitation du mélange d'eau et de charbon actif favorisant l'adsorption des matières polluantes contenues dans l'eau sur les micro-grains ou les grains de charbon actif tout en limitant les forces de mélange trop importantes qui causeraient une attrition du matériau. Afin d'optimiser cette adsorption, le temps de séjour de l'eau dans ladite cuve de contact 3 est compris entre 4 à 30 min, 10 préférentiellement de 4 à 15 mn. Le mélange de charbon actif et d'eau est ensuite directement amené par surverse dans le décanteur 2. Conformément à l'invention, on utilise dans celui-ci une vitesse au miroir comprise entre 20 et 50 m/h permettant la formation dans la trémie 41 d'un lit de charbon homogène ayant une concentration en charbon actif comprise entre 100 et 1000 15 g/I. Conformément à l'invention, ce lit de charbon actif se comporte comme un filtre et permet de retenir les particules solides contenues dans l'eau à traiter et qui ne sont pas adsorbées sur le charbon actif en grain. Une partie de ce lit de charbon actif est recirculée vers la cuve 2 grâce à la pompe 6 via la canalisation 8. Un taux de recirculation de 10 % du débit d'eau à traiter peut être appliqué. On notera que cette recirculation est effectuée sans 20 perturber le lit de charbon actif afin que celui-ci conserve sa capacité de filtration. Pour maintenir la hauteur du lit de charbon actif essentiellement constante dans le décanteur 4, des purges de charbon actif sont régulièrement effectuées grâce aux moyens 7. Les purges permettent aussi d'extraire les grains de charbon actif usés qui seront remplacés par du charbon actif neuf ou régénéré. Le charbon actif usé évacué par les purges 7 peut 25 être directement envoyé vers une déshydratation mécanique. A titre d'auxiliaire de décantation, un peu de floculant peut être ajouté au mélange lorsqu'il transite de la cuve 3 vers le décanteur 4. En référence à la figure 2, une autre installation pour la mise en oeuvre d'un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention est représentée. Cette installation est 30 identique à l'installation selon la figure 2 sauf en ce que l'agitateur à pales équipant la cuve 3 est entouré d'une section de tube favorisant le contact entre l'eau et le charbon actif et en ce que la partie supérieure du décanteur 4 est pourvue de lamelles 42 faisant office 7 d'auxiliaire de décantation. Cette installation peut être utilisée essentiellement dans les mêmes conditions que celles décrites ci-dessus en référence à l'installation selon la figure 1, l'injection REVENDICATIONS1. Procédé de traitement d'eau comprenant une étape de mise en contact d'une eau à traiter avec du charbon actif dans une cuve de contact pour former un mélange d'eau et de charbon actif, une étape de décantation dudit mélange dans un décanteur, une étape de récupération d'eau traitée dans la partie supérieure dudit décanteur et une étape d'évacuation du charbon actif usé dans la partie inférieure du décanteur, ledit charbon actif ayant une granulométrie moyenne comprise entre 0,3 et 2 mm et une surface spécifique comprise entre 400 et 1800 m2/g et ladite étape de mise en contact étant effectuée de façon à observer une concentration en charbon actif dans ladite cuve de contact comprise entre 20 et 150 g/I et un temps de séjour de l'eau dans ladite cuve de contact de 4 à 30 mn, préférentiellement de 4 à 15 mn, caractérisé en ce que ladite étape de mise en contact est effectuée sous agitation douce selon un gradient de vitesse compris entre 50 et 150 s let est directement suivie de ladite étape de décantation, ledit mélange ne transitant dans aucune cuve de coagulation et/ou de floculation entre ladite cuve de contact et ledit décanteur ; et en ce que ladite étape de décantation est effectuée dans un décanteur selon une vitesse au miroir comprise entre 10 et 50 m/h, préférentiellement entre 20 et 50 m/h, de façon à autoriser la formation dans la partie inférieure du décanteur d'un lit de charbon actif homogène non turbulent présentant une concentration essentiellement uniforme en charbon actif supérieure à 20 g/I, ledit lit de charbon actif homogène filtrant ledit mélange et retenant les particules solides de celui-ci non adsorbées sur ledit charbon actif. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la cuve de mise en contact est pourvue d'au moins un agitateur à pales dont les pales sont disposées dans une section de cylindre. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit lit de charbon actif présent au sein dudit décanteur est constamment homogénéisé grâce à un racleur équipant ledit décanteur. 9 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comprend une étape de recirculation d'une partie dudit lit de charbon actif dudit décanteur vers ladite cuve de contact. 5 S. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que ladite étape de recirculation est effectuée selon un taux de recirculation compris entre 5 à 10 % du débit d'eau à traiter. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que ledit lit de charbon actif présente une concentration en charbon actif comprise entre 100 g/I et 1000 10 g/I. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que lesdites particules de charbon actif sont des micro-grains présentent une granulométrie comprise entre 0,3 et 0,8 mm et une surface spécifique comprise entre 800 et 1200 m2/g. 15 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que lesdites particules de charbon actif sont des grains présentent une granulométrie comprise entre 0,8 et 2 mm et une surface spécifique comprise entre 800 et 1200 m2/g. 20 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 comprenant en outre des purges de charbon actif en pied de décanteur pour maintenir essentiellement constante la hauteur dudit lit de charbon actif. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que ledit 25 décanteur ne présente pas de lamelles inclinées aidant à la décantation et en ce qu'un composé floculant est injecté dans ledit mélange à sa sortie de ladite cuve de contact avant son entrée dans ledit décanteur. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que ledit 30 décanteur présente des lamelles inclinées aidant à la décantation.