INTRODUCTION
Le charbon actif est une substance poreuse composée principalement de carbone et possédant une très grande surface interne (500 à 1500 m² par gramme). Cette grande surface, associée à sa nature et à sa faculté de se lier à d’autres substances, confère à ce produit de grandes qualités d’adsorption. Ici nous ne traiterons pas de sujets tels que la préparation du charbon actif, ses caractéristiques, la structure des pores, etc. (voir réf. 1). Nous aborderons, par contre, directement notre sujet essentiel : l’application du charbon actif à la préparation de l'eau potable.
Il existe de nombreux termes empruntés à la technologie de l'adsorption. Deux de ces notions, l'isotherme d’adsorption et la vitesse d’adsorption, sont très importantes au point de vue rentabilité du procédé. L'isotherme d'adsorption peut en principe être utilisée pour estimer la quantité de charbon nécessaire à l’obtention d’un certain degré de purification. De son côté la vitesse d’adsorption donne une idée du temps nécessaire pour l’établissement de l'équilibre. Une faible capacité d’adsorption conduit à une importante consommation de charbon, et une faible vitesse d’adsorption entraîne une installation importante (frais d’investissement élevés).
par Laboratoire Recherche de NORIT N.V. - Amersfoort (Pays-Bas) avec la collaboration de NORIT-FRANCE - Paris.
Il s’agit, cependant, de considérations qualitatives. Dès que l'on utilise du charbon actif pour la purification des eaux, les problèmes suivants se posent la plupart du temps :
1. Pour chaque combinaison adsorbat-type de charbon, les isothermes et vitesses d’adsorption sont différentes ;
2. Le dimensionnement d'une installation de purification au charbon actif basé sur les isothermes et vitesses d’adsorption n’en est qu’à ses débuts, même pour les systèmes avec un seul composant adsorbable ;
3. Il n’existe pour ainsi dire aucune connaissance (quantitative) de l’influence mutuelle lorsque plusieurs composants adsorbables sont présents (situation qui se présente souvent dans la pratique) ;
4. La composition de l’eau à traiter est fréquemment inconnue et quand elle est exprimée en paramètres tels que DBO, DCO, demande en KMnO₄, TOC (total organic carbon), etc., ces paramètres varient dans le temps ;
5. Il n’existe pas de relation entre ces paramètres, tels que DBO, DCO, etc., et la capacité d’adsorption.
LES FACTEURS DÉTERMINANTS
En raison des problèmes cités ci-dessus, des recherches expérimentales seront souvent nécessaires pour pouvoir juger, avec une certaine rigueur, si le charbon actif est techniquement et économiquement applicable dans un cas donné.
En établissant un projet de purification basé sur l'emploi du charbon actif, on doit tenir compte d’un grand nombre de facteurs.
Dans le cas de charbon en poudre, il y a lieu de considérer :
- — le choix du procédé (dosage à un ou à deux niveaux à contre-courant),
- — les dimensions du bassin de sédimentation,
- — la dose de charbon,
- — l'énergie relative à l'agitation et le temps de contact.
De plus, il faut choisir pour le charbon entre :
- — le type de charbon (le degré d’activation qui détermine les capacités et vitesses d’adsorption),
- — la dimension des particules (importante pour la vitesse d’adsorption, ainsi que pour la vitesse de sédimentation, cette dernière déterminant les dimensions des décanteurs).
Avec le charbon en grains, les facteurs les plus importants sont :
- — le choix du type d’adsorbeur (lits fixes,...),
- — le choix de la disposition des adsorbeurs (en série, en parallèle, en combinaison),
- — le choix entre adsorbeurs ouverts ou fermés,
- — le temps de contact entre l'eau et le charbon,
- — la vitesse de l'effluent ou la hauteur du lit.
L’ensemble de ces facteurs fait du dimensionnement une affaire délicate, pour lequel on ne peut établir aucune règle générale. Dans le cas de l'emploi d’un charbon en grains réactivable, une question supplémentaire se pose : où la réactivation sera-t-elle réalisée, chez le fournisseur du charbon ou sur place ?
LE BUT DE L’UTILISATION DU CHARBON ACTIF
Il nous paraît utile de souligner d’abord les objectifs poursuivis avec l'utilisation du charbon actif dans la production de l'eau potable. On peut les énumérer comme suit :
- 1. L’amélioration de l’odeur et du goût ;
- 2. La réduction de la couleur ;
- 3. L’élimination du chlore libre ;
- 4. L’élimination de substances toxiques ;
- 5. Une barrière de protection en cas de pollution accidentelle ;
- 6. L’élimination de substances organiques assimilables.
La liste des applications ci-dessus a été établie plus ou moins chronologiquement. On a utilisé d’abord (et on continue toujours d'utiliser) du charbon actif pour la réduction de l’odeur et du goût et, à un degré moindre, pour la réduction de la couleur. En raison du grand développement de l’industrialisation et de la forte consommation d'eau qui en découle, le rôle joué par l’eau de surface dans la préparation d’eau potable est devenu de plus en plus important au cours des dernières décennies. Dans le même temps, la pollution de l'eau de surface a sérieusement augmenté, de sorte que l’importance du charbon actif dans les cas 1 et 2 n’a cessé de croître.
De plus, l'eau de surface contient un grand nombre de substances toxiques pour l’homme, provenant de l’industrie (évacuation des eaux résiduaires) et de l’agriculture (pesticides), ce qui explique les cas 4 et 5.
Ces exemples peuvent être considérés comme suffisamment connus. L’application mentionnée en 6 provient du fait que l’eau potable doit être pompée à des distances plus grandes avant de parvenir aux consommateurs. Lorsque l'eau traitée contient des substances organiques assimilables, celles-ci peuvent être absorbées par des bactéries produisant des composés donnant un goût indésirable à l’eau. Une dose trop importante de chlore est considérée comme non souhaitable (en Europe du moins), afin d’éviter aux utilisateurs, proches de la station, une eau fortement chlorée. De plus Rook (réf. 2) a démontré que, si l'on introduit du chlore dans l’eau, il se forme des halométhanes provenant des acides humiques présents dans l'eau (chloroforme,...), ce qui peut être nuisible.
La présence de petites quantités de substances organiques toxiques, dans la plupart des eaux de surface des pays industrialisés, pose d’importants problèmes aux chimistes. Cette présence a pour conséquence d’augmenter l’importance du rôle joué par le charbon actif dans la production d'eau potable, car la décomposition biologique de la plupart de ces substances est difficile ou impossible et les autres techniques de purification classiques souvent incomplètes. Au cours de ces dix à quinze dernières années, des recherches systématiques sur les micropolluants contenus dans l'eau de surface ont été entreprises en France et dans un certain nombre d'autres pays, R.F.A., États-Unis et Pays-Bas (réf. 3). Ces recherches ont abouti à l'isolement et à l'analyse qualitative et quantitative d’un grand nombre de ces substances. Pour la plupart de celles-ci on peut affirmer que le charbon actif représente un des procédés les plus efficaces de purification.
RÉSULTATS OBTENUS AUX PAYS-BAS AVEC DU CHARBON ACTIF EN GRAINS
Le charbon actif en grains, utilisé déjà en France et en R.F.A. depuis de nombreuses années, a fait l'objet d’études intensives dans diverses stations de traitement d'eau.
potable aux Pays-Bas avec la collaboration de la Société NORIT. L'auteur de cet exposé a publié, en collaboration avec trois autres auteurs, un rapport à ce sujet (réf. 4). Nous donnerons ici un résumé de ce rapport. Les recherches ont été effectuées dans trois stations : Amsterdam (eau du Rhin après infiltration dans les dunes), Andijk (eau provenant de l'Ijsselmeer) et Rotterdam (eau de la Meuse).
Dans ces stations les filtres de charbon utilisés recevaient une eau ayant déjà subi divers stades de purification.
Les recherches furent axées sur les points suivants :
- 1. L'influence des paramètres : vitesse linéaire apparente (v), temps de contact apparent (G), hauteur du lit de charbon (h) ;
- 2. Le type de charbon (Andijk) ;
- 3. L'influence des autres procédés de purification avant et après le charbon (Amsterdam) ;
- 4. L'influence des saisons (Andijk) ;
et dérivés des points ci-dessus :
- 5. L'influence du niveau de qualité demandé à l'effluent ;
- 6. L'influence du type d’eau brute.
Les principaux critères de qualité retenus ont été : le carbone organique dissous (DOC), la demande en KMnO₄ et l’adsorption d’UV. Le charbon actif NORIT ROW 0,8 SUPRA (un charbon actif dur et thermiquement réactivable) a servi de charbon de référence pour ces essais.
— 1) Pour une valeur donnée de v, l'influence de v sur le temps de service du charbon est faible, du moins pour 2 < v < 30 m³/m²/heure et 2 < G < 30 minutes. Le temps de service est défini comme étant la période pendant laquelle l'effluent après passage sur charbon actif satisfait à un certain niveau de qualité (DOC, KMnO₄ ou UV). Le tableau I doit être lu comme suit :
Pour, par exemple, G = 4 minutes, le tableau indique le temps de service de trois filtres contenant la même quantité de charbon et devant traiter la même quantité d’eau par heure. C est la valeur moyenne demandée pour la DOC de l'effluent, et S est la réduction demandée de la DOC par le charbon actif. Pour une vitesse v donnée, l'influence de G sur le temps de service du charbon est relativement grande. Ceci est valable pour les valeurs de v et G mentionnées ci-dessus.
— 2) Les essais ont été réalisés avec divers types de charbon NORIT de même granulométrie mais se différenciant par leur fabrication et leur degré d’activation. La principale constatation est qu’aucune relation ne peut être établie entre les performances du charbon, eu égard aux trois critères de qualité précités (DOC, KMnO₄, UV), et les caractéristiques couramment retenues pour l’appréciation de la qualité des charbons actifs (isothermes d'adsorption, répartition des pores, densité, etc.). Conclusion déjà soulignée par d'autres auteurs (réf. 6).
— 3) À Amsterdam, les filières suivantes ont été étudiées en parallèle :
- I. ozonation – filtration rapide – charbon actif – filtration lente sur sable,
- II. filtration rapide – charbon actif – filtration lente sur sable,
- III. charbon actif – filtration lente sur sable.
Il en ressort que le nombre de germes bactériens dans l'effluent du système I est plus élevé que celui des deux autres systèmes. D’autre part, l'amélioration de la qualité (en ce qui concerne KMnO₄ et UV — le DOC n’a pas été mesuré) est plus grande dans le système I que dans les deux autres systèmes qui ne présentent que peu de différence. Une différence significative entre le système III et les deux autres systèmes est à noter dans la fréquence de nettoyage des filtres lents à sable (en un an et demi 5 nettoyages pour le système II et 16 nettoyages pour le système III). Dans ce cas, le remplacement du sable des filtres rapides par du charbon actif ne semble pas intéressant.
— 4) La figure 2 met en évidence l'influence des saisons, c’est-à-dire l’influence de la température de l'eau sur les performances du charbon. La quantité totale de DOC éliminée par le charbon actif est indiquée comme une fonction de la quantité totale de DOC apportée et cela pour une expérience réalisée en hiver (température de l'eau 0-10 °C), et pour une expérience réalisée en été (température de l'eau 15-24 °C). La bien plus grande adsorption durant l’été peut être attribuée à des processus de dégradation biologique dans le lit de charbon, par suite de la différence relativement importante dans la consommation d’oxygène de celui-ci :
— hiver : 6 × 10⁻³ g O₂ par kg charbon par heure,
— été : 24 × 10⁻³ à 30 × 10⁻³ g O₂ par kg charbon par heure.
(résultats Andijk, pour θ = 30 minutes).
» Ces résultats ne doivent pas être généralisés car cette consommation d’oxygène n’a pas toujours été remarquée lors d’essais avec d'autres types d'eau.
..— 5) Ainsi qu'on pouvait s’y attendre, le niveau de qualité demandé à l'eau traitée a une assez grande influence sur le temps de service du charbon utilisé (voir tableaux I et II). Il ne faut pas oublier que les exigences de qualité relativement basses, dans le tableau I, ne sont valables que pour l'effluent d'un seul filtre. Dans la pratique, on travaille avec plusieurs filtres en parallèle. Si un certain dépassement peut être toléré, il est possible de prolonger considérablement le temps de service des filtres en les mettant alternativement en service, comme cela a été démontré (réf. 4).
— 6) La figure 3 montre l’influence du type de l’eau brute et des divers traitements préliminaires (avant traitement au charbon) sur le temps de service. Ce temps de service est donné en fonction du niveau de qualité fixé à l'absorption d’UV. Nous voyons qu’une généralisation directe des résultats trouvés dans les trois stations mentionnées est une affaire difficile et délicate.
ASPECTS ÉCONOMIQUES
Les résultats obtenus sont utilisés pour calculer le coût du traitement au charbon actif en fonction du temps de contact sur charbon. Les résultats sont exprimés dans la figure 4, empruntés à la réf. 5, ainsi que le tableau III (données de base). Tous les prix sont ceux qui étaient en vigueur en août 1975. D’autres calculs ont montré que l'inflation monétaire influence à peine la valeur optimale du temps de contact. Cette valeur optimale dépend cepen-
Les points suivants retiennent l’attention :
- À des valeurs plus élevées du temps de contact, l’utilisation de filtres ouverts en béton conduit à des coûts plus bas que les filtres fermés en acier sous pression.
- La valeur optimale de G (temps de contact) augmente dans le même sens que le niveau de qualité de l’eau traitée.
- Le coût du traitement au charbon actif varie beaucoup avec le niveau de qualité de l’eau demandé (voir réf. 4).
- Quand le niveau de qualité de l’eau traitée est élevé, les frais de réactivation et de complément en charbon (pour compenser les pertes de la réactivation) représentent une part assez conséquente du coût du traitement.
QUELQUES REMARQUES D’ORDRE PRATIQUE
Tous les fabricants de charbon actif utilisent des spécifications pour définir leurs diverses qualités. Parfois ces spécifications sont établies en étroite relation avec une certaine application ; dans d’autres cas, aucune relation de ce type n’existe. Divers organismes ont défini des spécifications pour le charbon actif utilisé dans la préparation de l’eau potable (réf. 7-9).
Une trop grande importance ne doit pas être donnée à ces tests. Dans des recherches menées en parallèle sur une installation pilote avec différentes qualités de charbon NORIT, aucune relation n’a pu être établie entre les performances pratiques et une série de tests d’adsorption (benzène, phénol, mélasse, etc.).
A fortiori, les différents tests d’adsorption (du moins ceux qui existent présentement) ne doivent pas être employés pour comparer des qualités de charbon provenant de fabricants différents. Néanmoins, la plupart des fabricants de charbon (dont NORIT) utilisent des tests d’adsorption pour leurs propres qualités produites à partir d’une même matière première parce que, dans certains cas, des relations qualitatives existent entre les tests de laboratoire et la pratique.
Les divers tests pour définir la dureté du charbon en grains sont aussi discutables. Une relation quantitative n’a jamais été établie entre la résistance à l’attrition et les pertes par attrition durant le transport hydraulique et la réactivation thermique. La comparaison de la dureté de différentes qualités d’un même fabricant de charbon donne seulement une relation qualitative.
Le principal intérêt des tests susmentionnés réside dans leur rôle de contrôle.
De tels tests permettent à l’acheteur de vérifier si les livraisons de charbon sont conformes aux normes convenues. Ceci est valable non seulement dans le cas de l’achat de charbon frais, mais également dans le cas de la réactivation de charbon épuisé (que cette réactivation s’effectue ou non chez le client).
Deux caractéristiques du charbon en grains, liées à sa granulométrie, sont de grande importance en pratique : la perte de charge et l’expansion du lit au lavage à contre-courant.
La perte de charge joue un rôle important dans les filtres ouverts (lits fixes), comme celle-ci est limitée à un certain maximum. Dans les filtres fermés à pression, la perte de charge détermine les frais de pompage.
L’expansion du lit détermine la consommation d’eau de lavage.
En pratique, l’eau produite étant généralement utilisée pour le lavage à contre-courant, à une valeur élevée de l’expansion du lit correspond une perte en eau traitée plus importante. D’autre part, la dimension des particules du charbon étant susceptible de modification au cours de la réactivation thermique (réf. 10 et 11), la perte de charge de même que l’expansion du lit peuvent changer.
W. van LIER (avec la collaboration de NORIT-FRANCE)
BIBLIOGRAPHIE
(1) Nous recommandons les manuels suivants :
HASLER J. W., Activated Carbon, New York.
MISEK M. — CERNY S., Active Carbon – Manufacture, Properties and Applications, Amsterdam, 1971.
FONDRY H., Water Treatment and Adsorption from Solutions, New York, 1971.
(2) ROOK J. J., Water Treatment Exam., 23 (1974) 234.
(3) SONTHEIMER H., Veröffentlichungen des Lehrstuhl für Wasserchemie, Heft 9, 1975.
(4) GRAVELAND A., ROOK J. J., Arbeitsstagung IAWR, Karlsruhe, 1974.
(5) ENGLER-BUNTE-INSTITUT DER UNIVERSITÄT KARLSRUHE, Veröffentlichungen des Bereichs Wasserchemie, 1974.
(6) ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY, Preliminary Assessment of Suspected Carcinogens in Drinking Water, Interim Report, Cincinnati, 1975.
(7) DEUTSCHE NORMEN, DIN 19063, 1969.
(8) AWWA B 600-66, Standard for Powdered Activated Carbon, 1968.
(9) AWWA B 604-74, Standard for Granular Activated Carbon, 1974.
(10) POGGENBURG W., réf. 5, p. 75.
(11) STRACK W., réf. 5, p. 248.
