Brevet FR3075780A1 — publié le 20190628

Procédé de traitement d'eau en réacteur séquentiel discontinu avec injection de charbon actif 1. Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine du traitement de l'eau. Plus précisément l'invention concerne un procédé de traitement d'eau en vue d'en abattre la teneur en matières organiques ainsi que la teneur en micropolluants. De tels micropolluants peuvent notamment être constitués par des pesticides, des perturbateurs endocriniens, des résidus de médicaments ou des résidus de produits industriels. Le procédé selon l'invention s'inscrit dans le cadre des procédés de traitement d'eau mettant en oeuvre un matériau granulaire permettant la rétention des matières organiques et des micropolluants qu'elle contient. Le procédé objet de l'invention trouve principalement son application dans le domaine de la potabilisation de l'eau, mais pourra aussi être appliqué dans le domaine du traitement tertiaire des eaux en vue de leur rejet dans le milieu naturel ou de leur réutilisation industrielle. 2. Art antérieur On connaît dans l'art antérieur différents procédés de traitement d'eau mettant en oeuvre un matériau granulaire pour retenir les matières organiques et, le cas échéant les micropolluants, contenus dans une eau ou un effluent. Ainsi, les techniques les plus basiques mettent en oeuvre une filtration sur un simple lit de sable. Lorsqu'un tel lit est colmaté, la filtration doit être stoppée pour le laver, généralement par envoi à contre-courant d'eau traitée (rétro lavage). D'autres techniques utilisant le sable dans des dispositifs plus complexes permettent de nettoyer le sable pendant le fonctionnement du filtre, sans interruption de la filtration. On connaît ainsi de la demande de brevet FR2342769A un procédé de filtration d'eau consistant à faire transiter une eau à traiter dans un réacteur contenant un lit de sable selon un flux ascendant, à une vitesse n'autorisant pas la fluidisation du lit mais autorisant le sable à migrer au fur et à mesure de la filtration vers la partie inférieure dudit réacteur ; à prélever en continu en pied de réacteur, au moyen d'une canalisation prévu au sein du réacteur dans laquelle un gaz est insufflé, le sable sali; à nettoyer en continu le sable sali ainsi prélevé de façon à obtenir un sable nettoyé ; et, à réinjecter le sable ainsi nettoyé dans une partie supérieure du lit. Le sable, s'il permet une filtration physique, ne permet toutefois pas la rétention des 2 matières organiques non agglomérées. Des procédés plus perfectionnés, couplés parfois à une filtration sur sable, mettent en oeuvre une filtration sur un ou plusieurs matériaux granulaires adsorbants. Parmi ces matériaux adsorbants, le charbon actif est un matériau privilégié du fait de sa capacité 5 d'adsorption importante, proportionnelle à sa surface spécifique très élevée.. Il est ainsi connu d'utiliser du charbon actif en poudre (CAP). Selon l'homme de l'art du traitement de l'eau, le charbon actif en poudre (CAP) est constitué de particules présentant une taille moyenne comprise entre 5 iim et 50 iim, préférentiellement entre 15 iim et 25 iim sans tenir compte des fines. Le CAP présente l'avantage de posséder une 10 surface spécifique très importante et le faible diamètre de ses particules de favoriser l'adsorption. Il est ainsi connu de mettre en contact de l'eau à traiter avec du CAP pendant un temps suffisamment long pour permettre la bonne adsorption sur le CAP des matières à éliminer qu'elle contient. Cette mise en contact peut être effectuée sur lit fixe ou fluidisé ou 15 par injection de CAP dans un réacteur. Dans ce dernier cas, le mélange d'eau et de CAP fait, après l'étape de mise en contact, l'objet d'une étape de séparation conduisant d'une part à l'obtention d'un charbon actif en poudre chargé en matières adsorbées et en boues et d'autre part d'eau clarifiée. Cette étape de séparation peut être effectuée de différentes manières, principalement par décantation ou par filtration membranaire ou mécanique, ou 20 même par fluidisation (changement de vitesse hydraulique). Il est classique d'ajouter à l'eau et au CAP des produits chimiques coagulants ou floculants permettant la formation de flocs au sein des réacteurs afin de faciliter l'étape de séparation. Le CAP chargé en matières adsorbées, récupéré dans les boues à la sortie de la 25 séparation peut être traité, par exemple dans un hydrocyclone, de façon à le débarrasser des boues. Le CAP ainsi traité peut être recyclé dans le réacteur. Toutefois, s'il peut être recyclé, le CAP perd également peu à peu de sa capacité d'adsorption et il est nécessaire de remplacer régulièrement une partie du CAP mis en oeuvre au sein du réacteur par du CAP neuf. Des quantités de CAP neuf doivent donc 30 parallèlement être injectées régulièrement dans le réacteur pour compenser la perte d'adsorption du CAP usité. Toutefois, le CAP issu des purges du système ne peut pas être régénéré en ce sens qu'on ne connaît pas de traitement efficace économiquement permettant de redonner au 3 CAP son pouvoir adsorbant d'origine ou proche de celui-ci. Il en résulte la production de boues de CAP qui doivent être évacuées hors de l'usine et dont le traitement n'est pas sans inconvénient. Les boues doivent ainsi être déshydratées avant d'être transportées, ce qui augmente les couts associés à leur mise en décharge ou à leur incinération ou à leur 5 épandage agricole. Le CAP étant un matériau cher, son utilisation dans le cadre du traitement de l'eau se heurte donc à des impératifs économiques, les techniques le mettant en oeuvre présentant l'inconvénient d'impliquer, de ce fait, des coûts de fonctionnement élevés. De plus, le traitement de l'eau par le CAP implique souvent de devoir recourir à 10 l'utilisation parallèle de produits chimiques, à savoir des coagulants et/ou des floculants conduisant à l'obtention de volumes de boues importants qu'il est nécessaire de traiter dans des filières parallèles. Les coûts s'en trouvent donc augmentés. Par ailleurs, il n'est pas possible d'utiliser des vitesses élevées pour faire transiter les eaux à traiter dans les réacteurs le contenant de façon à limiter les pertes en CAP. De ce fait, 15 les réacteurs doivent présenter des volumes importants ce qui augmente également les coûts de tels traitements. Certains procédés mettent donc en oeuvre une étape de filtration de l'eau sur un lit de charbon actif non pas en poudre mais en grain (CAG). Le charbon actif en grain est constitué de particules présentant une taille moyenne comprise entre 0,8 mm et 3 mm, 20 donc plus élevée que celle du CAP. Un tel matériau présente des propriétés de filtration en plus de ses propriétés d'adsorption. Le CAG présente aussi l'avantage d'être régénérable, en ce sens qu'un traitement physique et/ou physico-chimique peut lui être appliqué de façon à restaurer au moins 25 partiellement ses capacités d'adsorption. Pour ce faire, le procédé le plus couramment mis en oeuvre consiste en une réactivation thermique, pratiquée dans un four à l'intérieur duquel règne une température élevée (aux alentours de 800°C) permettant aux molécules adsorbées d'être détruites par la chaleur. De la vapeur d'eau peut être utilisée pour parfaire cette régénération, le charbon actif en grain pouvant alors retrouver une structure très 30 proche de sa structure initiale libre de tout polluant. La régénération du charbon actif en grain peut aussi être effectuée par lavage acide ou basique ce qui, toutefois, ne permet généralement pas au CAG de retrouver toutes ses performances initiales. Dans le domaine du traitement de l'eau en vue de sa potabilisation dans le cadre 4 d'un traitement tertiaire, les différents procédés mettant en oeuvre du CAP ou du CAG sont mis en oeuvre en continu. Cette mise en oeuvre continue fait appel à des installations complexes, généralement ayant une grande emprise au sol, et dont certains éléments, tels que les hydrocyclones, sont couteux. 5 Par ailleurs, une telle mise en oeuvre continue implique des fuites de matériau adsorbant. Ces matériaux étant coûteux, ces fuites induisent une augmentation des couts d'exploitation. Enfin, ces techniques mettent en oeuvre des produits chimiques de type coagulant et/ou floculant dont le cout est également élevé. 10 3. Objectifs de l'invention L'objectif de la présente invention est de proposer un procédé de traitement d'eau en vue d'en éliminer les matières organiques et les micropolluants mettant en oeuvre un matériau granulaire adsorbant pouvant être mis en oeuvre avec des équipements simples et peu couteux. 15 Un objectif de la présente invention est de divulguer un tel procédé qui puisse être mis en oeuvre dans des installations ayant une faible emprise au sol. Ainsi, un objectif de l'invention est de divulguer un tel procédé rendant facultative l'utilisation conjointe de coagulants et/ou de floculants. Corolairement, un objectif de la présente invention est aussi de proposer un tel 20 procédé qui ne conduise pas à la formation de boues devant faire l'objet d'étapes de traitement spécifiques telles qu'un épaississement et une déshydratation. Encore un autre objectif de la présente invention est de divulguer un tel procédé qui, dans au moins certains modes de réalisation, peut être mis en oeuvre avec un matériau granulaire facilement régénérable. 25 4. Exposé de l'invention Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaitront par la suite, sont atteints grâce à l'invention qui concerne un procédé de traitement d'une eau, notamment en vue de sa potabilisation, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre dans un réacteur séquentiel discontinu (en anglais Sequenced batch reactor SBR) et en ce qu'il comprend : 30 une première phase de mise en contact d'une eau à traiter dans ledit réacteur séquentiel discontinu avec du charbon actif granulaire à raison d'une concentration comprise entre 2 g/I et 100 g/I, ladite première phase étant effectuée sous agitation mécanique ou hydraulique continue ou intermittente ; 5 une deuxième phase de décantation du mélange d'eau et de charbon actif granulaire dans ledit réacteur séquentiel discontinu en absence de toute agitation ; et, une troisième phase de collecte d'eau traitée dans la partie supérieure dudit réacteur séquentiel discontinu. 5 Ainsi, le procédé selon l'invention propose de mettre en oeuvre le traitement d'une eau en vue de sa potabilisation, ou le traitement tertiaire d'une eau, dans un SBR en présence de charbon actif granulaire ce qui, à la connaissance de la Déposante, n'avait jamais été proposé. De tels SBR sont des équipements simples, compacts et peu couteux par rapport aux installations de traitement continu décrites ci-dessus, qui permettent de traiter 10 une quantité donnée d'eau, avant d'être vidés puis utilisés pour traiter une nouvelle quantité d'eau, etc. Les SBR sont souvent utilisés dans le domaine du traitement des eaux usées, avec des temps de séjour et de réaction très longs (4 à 8 h) en raison des lentes cinétiques des mécanismes de dégradation biologique. Les vitesses de décantation des boues sans addition 15 de charbon actif se situent entre 0.5 et1.2 m/h. Les SBR sont parfois utilisés dans le domaine du traitement des eaux usées en présence de CAP en concentration généralement de 3 g/I à 5 g/ Ills sont alors équipés d'un aérateur nécessaire à l'activité biologique, mais leur mise en oeuvre dans un tel cadre nécessite au préalable une phase d'évaluation et de modélisation longue et complexe des 20 transferts de matières et des cinétiques d'adsorption des substances organiques ciblées. Le bilan économique établi entre les couts de CAP et leurs performances ne sont par ailleurs que rarement en leur faveur. En effet, le CAP qui permet d'améliorer la décantation, l'épaississement et la déshydratabilité des boues formées, s'entoure d'un biofilm qui réduit le volume poreux en 25 colmatant une partie des micropores et des mésopores, limitant les capacités d'adsorption. Ceci oblige alors à un renouvellement plus important de CAP par apport de CAP frais. On connaît aussi dans le domaine du traitement des eaux usées, l'utilisation de SBR, pourvus de moyens d'aération, en présence de jusqu'à 10 g/I de CAG. Ce CAG est sujet aux mêmes limites d'efficacité que le CAP au sein de la masse biologique et a de plus 30 l'inconvénient d'assurer des cinétiques d'adsorption plus lentes en raison de sa granulométrie. 6 La présence de charbon actif améliore les vitesses de décantation de la masse biologique (2-3 m/h) mais elles dépendent de la concentration de la biomasse, et des ratios biomasse/charbon actif. Dans tous les cas (CAP ou CAG), l'extraction du mélange de boues biologiques et de 5 charbon actif rend la valorisation des boues, par exemple en agriculture, très limitée. Préférentiellement, ladite première phase du procédé selon l'invention est mise en oeuvre de façon à observer un temps de contact de ladite eau avec ledit charbon actif granulaire compris entre 3 mn et 60 mn. Egalement préférentiellement, ladite deuxième phase est mise en oeuvre de façon à 10 observer une vitesse de décantation apparente comprise entre 20 m/h et 60 m/h. Avantageusement, ladite deuxième phase est mise en oeuvre de façon à observer un temps de décantation compris entre 10 mn et 60 mn. Selon une variante intéressante de l'invention, ledit charbon actif est du charbon actif en grain de granulométrie comprise entre 0,8 mm et 1,4 mm. 15 Selon une autre variante, davantage préférée, ledit charbon actif est sous forme d'agglomérats présentant une granulométrie moyenne comprise entre 0,2 mm et 0,8 mm. De tels agglomérats sont disponibles dans le commerce et sont arrivés relativement récemment sur le marché. Ils sont connus de l'homme de l'art sous le vocable « charbon micro-grains». 20 Les charbons micro-grains ont une taille intermédiaire entre le charbon en poudre et le charbon en grains. Mais leurs caractéristiques d'adsorption sont très proches de celles des charbons en poudre, bien plus avantageuses que celles des grains de charbon actif. En effet, les micro-grains, considérés comme un ensemble de particules de charbon en poudre agglomérées, ont des mécanismes et des cinétiques qui sont la résultante de ceux 25 observés sur une particule de charbon en poudre prise isolément. La structure poreuse du charbon micro-grain couvre un large spectre de tailles de pores ce qui favorise la cinétique d'adsorption. Selon une variante, le procédé peut comprendre une phase de purge d'une partie du 30 charbon actif granulaire décanté et un apport de charbon actif granulaire neuf en quantité suffisante pour compenser ladite partie de charbon actif granulaire purgé. Préférentiellement, le procédé comprend alors une étape de régénération du charbon actif granulaire purgé. 7 Avantageusement, l'étape de régénération comprend l'égouttage du charbon actif granulaire purgé puis la régénération directe par voie thermique dudit charbon actif granulaire ainsi égoutté, sans addition d'acide ou de base. Selon une variante particulièrement intéressante de l'ozone est injectée durant 5 toute ou partie de ladite première phase, de façon continue ou intermittente. Ce composé permet d'oxyder la matière organique adsorbée sur le matériau granulaire. Egalement selon une variante, le procédé comprend une étape supplémentaire de filtration de l'eau traitée. L'invention concerne également une installation pour la mise en oeuvre du procédé 10 décrit ci-dessus caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'amenée d'eau dans au moins un réacteur séquentiel discontinu, au moins un réacteur séquentiel discontinu pourvu de moyens d'agitation, des moyens d'évacuation d'eau traitée prévus dans la partie supérieure dudit réacteur séquentiel discontinue et des moyens d'amenée de charbon actif granulaire. 15 Avantageusement ledit réacteur séquentiel discontinu est pourvu de moyens d'amenée d'ozone. 5. Liste des figures L'invention, ainsi que les différents avantages qu'elle présente, seront plus facilement compris grâce à la description qui va suivre d'un mode non limitatif de réalisation 20 de celle-ci donné en référence aux dessins dans lesquels : - la figure 1 représente de façon schématique une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention durant une première phase du procédé ; - la figure 2 représente, également de façon schématique, l'installation selon la figure 1 durant la deuxième phase du procédé ; 25 - la figure 3 représente, également de façon schématique, l'installation selon la figure 1 durant la troisième phase de procédé ; - la figure 4 représente un graphe de la cinétique d'adsorption d'un exemple de charbon actif en micro-grains. - La figure 5 représente schématiquement un « micro-grain » de charbon actif 30 6. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention En référence aux figures 1 à 3, l'installation présente des moyens d'amenée d'eau 1 dans au moins un réacteur séquentiel discontinu (SBR) 2, au moins un réacteur séquentiel discontinu 2 pourvu de moyens d'agitation 3, des moyens d'évacuation 4 d'eau traitée 8 prévus dans la partie supérieure dudit réacteur séquentiel discontinu 2 et du charbon actif granulaire 5. Le tableau 1 ci-après indique différentes références commerciales de charbons actifs pouvant être avantageusement utilisées dans le cadre du procédé selon la présente 5 invention. Type Dénomination commerciale Taille Densité apparente kg/m3 Charbon actif en Carbochem LQ9005 0,8 à 1 mm 450 grains Charbon actif en No rit GAC830 0,9 mm 485 grains Charbon actif CycleCarb305 0,222 mm 450 « micro-grains » Tableau 1 En utilisant le charbon actif en micro-grains du type indiqué au tableau 1 ci-dessus, à raison de 40 mg/I on observe à 20°C la cinétique d'adsorption de la matière organique, 10 partant d'une eau chargée à 8,2 mg/, indiqué à la figure 4. La figure 5 représente schématiquement un « micro-grain » de charbon actif, constitué par l'agglomération de plusieurs particules de charbon actif. Les moyens d'évacuation 4 d'eau traitée pourront être réalisés sous différentes formes connues de l'homme de l'art : collecteur flottant, vanne d'extraction, pompe, etc. 15 Les moyens d'agitation 3, ici mécaniques et constitués par un agitateur à pales, sont mise en oeuvre de façon continue ou intermittente de façon à mettre en suspension le charbon dans l'eau, à favoriser le mélange du charbon actif et de l'eau, et à empêcher durant cette phase le charbon actif de décanter. Dans d'autres modes de réalisation, les moyens d'agitation pourront être non pas 20 mécaniques mais hydrauliques. Ainsi, l'agitation pourra être provoquée par les moyens d'amenée d'eau dans le SBR. Dans ce cas, on pourra par exemple prévoir une arrivée latérale de l'eau dans le SBR de façon à créer un flux d'eau entrant ascendant au sein du celui-ci, à un débit permettant la mise en suspension du charbon actif. 9 On notera également que, dans d'autres modes de réalisation, on pourra aussi prévoir des moyens de distribution d'ozone, par exemple sous forme de poreux, dans la partie inférieure du réacteur séquentiel discontinu. Cet ozone permettra d'oxyder la matière organique adsorbée sur le charbon granulaire. 5 L'eau traitée provenant de l'installation pourra faire l'objet d'une filtration (non représentée sur les schémas) par tout moyen classique connu de l'homme de l'art, par exemple sur membranes notamment lorsque l'eau sera destinée à la consommation humaine. En référence à la figure 1, le procédé comprend une première phase durant laquelle 10 une quantité d'eau est introduite dans le réacteur séquentiel discontinu 2 dans lequel une quantité de charbon actif est présente, de façon telle que la concentration de l'eau en charbon actif au sein du SBR soit comprise entre 2 g/I et 100 g/I. On comprendra que le temps de remplissage du SBR sera fonction du volume de celui-ci. Dès que l'eau est en contact avec le charbon actif, le phénomène d'adsorption des 15 polluants qu'elle contient sur celui-ci commence. Cette mise en contact est programmée pour durer entre 3 mn et 60 mn. Ce temps passé, les moyens d'aération 3 sont stoppés et la décantation du charbon actif peut intervenir durant une deuxième phase du procédé dite phase de décantation. Cette phase est programmée pour durer entre 10 mn et 60 mn. En fonction des charbons 20 actifs utilisés, on observe une vitesse de décantation apparente comprise entre 20 m/h et 60 m/h. A l'issue de la phase de décantation, l'eau traitée est évacuée du réacteur séquentiel discontinu par les moyens d'évacuation de l'eau traitée. Dans le présent mode de réalisation, ces moyens d'évacuation incluent un collecteur d'eau traitée qui évacue une 25 quantité prédéterminée d'eau traitée grâce à un capteur de niveau d'eau (non représenté) prévu sur une paroi du réacteur. De temps en temps, périodiquement ou non, du charbon granulaire peut être purgé à l'issue de la deuxième phase ou de la troisième phase du procédé pour être remplacé par du charbon régénéré ou par du charbon neuf. 30 Le charbon en micro-grains présente l'avantage de pouvoir être régénéré par voie thermique simplement après égouttage et sans addition d'acide ou de base. Après l'égouttage, le matériau granulaire peut être simplement stocké en fûts, en vue de son acheminement vers une unité de régénération thermique, pouvant être prise en charge par 10 le fournisseur de ce matériau. Le procédé selon l'invention ne nécessite pas l'apport de coagulant et/ou de polymère et ne produit pas de boues. Le charbon granulaire purgé n'a pas besoin d'être traité à l'aide d'un matériel complexe tel qu'un hydrocyclone, mais peut être régénéré de 5 façon simple avant d'être réutilisé. Cela permet, par rapport aux techniques de l'art antérieur, à la fois de diminuer les coûts d'exploitation REVENDICATIONS1. Procédé de traitement d'une eau, notamment en vue de sa potabilisation, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre dans un réacteur séquentiel discontinu et en ce qu'il comprend : une première phase de mise en contact d'une eau à traiter dans ledit réacteur séquentiel discontinu avec du charbon actif granulaire à raison d'une concentration comprise entre 2 g/I et 100 g/I, ladite première phase étant effectuée sous agitation mécanique ou hydraulique continue ou intermittente ; une deuxième phase de décantation du mélange d'eau et de charbon actif granulaire dans ledit réacteur séquentiel discontinu en absence de toute agitation ; et, une troisième phase de collecte d'eau traitée dans la partie supérieure dudit réacteur séquentiel discontinu.2. 3. 4. 5. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite première phase est mise en oeuvre de façon à observer un temps de contact de ladite eau avec ledit charbon actif granulaire compris entre 3 mn et 60 mn. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ladite deuxième phase est mise en oeuvre de façon à observer une vitesse de décantation apparente comprise entre 20 m/h et 60 m/h. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ladite deuxième phase est mise en oeuvre de façon à observer un temps de décantation compris entre 10 mn et 60 mn. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que ledit charbon actif est du charbon actif en grain de granulométrie comprise entre 0,8 mm et 1,4 mm. 12 6. Procédé l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que ledit charbon actif est sous forme d'agglomérats présentant une granulométrie moyenne comprise entre 0,2 mm et 0,8 mm. 5 7. Procédé selon l'une quelconque des revendication 1 à 6 caractérisé en ce qu'il comprend une étape de purge d'une partie du charbon actif granulaire décanté et un apport de charbon actif granulaire neuf en quantité suffisante pour compenser ladite partie de charbon actif granulaire purgé. 10 8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il comprend une étape de régénération du charbon actif granulaire purgé. 9. Procédé selon les revendications 6 et 8 caractérisé en ce que ladite étape de régénération comprend l'égouttage du charbon actif granulaire purgé puis la 15 régénération directe par voie thermique dudit charbon actif granulaire ainsi égoutté. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que de l'ozone est injecté durant ladite première phase. 20 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire de filtration de l'eau traitée. 12. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'amenée 25 d'eau (1) dans au moins un réacteur séquentiel discontinu, au moins un réacteur séquentiel discontinu pourvu de moyens d'agitation, des moyens d'évacuation d'eau traitée prévus dans la partie supérieure dudit réacteur séquentiel discontinu et du charbon actif granulaire. 30 13. Installation selon la revendication 12 caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'amenée d'ozone dans ledit réacteur séquentiel discontinu.