Le Pulsazur : réacteur haute performance pour l'élimination des matières organiques et des micropolluants

Le Pulsazur™ est un réacteur de contact à charbon actif en poudre (CAP) dans lequel l’eau à traiter percole du bas vers le haut, au travers d’un lit de boue très concentré en CAP. Ce lit de CAP fluidisé est pulsé afin de maintenir en permanence une répartition homogène de l’eau à traiter qui traverse toute l’épaisseur du lit de CAP en écoulement de type piston, grâce à la répartition par ramifications en fond d’ouvrage (figure 1). Le caractère pulsatoire de l’alimentation permet de maintenir le lit de CAP en expan-

Dispersion homogène, et d’éviter ainsi tout courant préférentiel. L’eau épurée est collectée en surface par des goulottes de récupération, après être passée dans des modules lamellaires. L’excellente répartition du flux à traiter qui traverse en filets parallèles le lit de boue chargé en CAP permet d’avoir un contact optimum entre l’eau à traiter et le CAP et ainsi d’obtenir d’excellents abattements des matières organiques et des micropolluants à des doses de CAP réduites. La grande masse de contact concentrée en CAP permet d’avoir un effet tampon face aux pollutions éventuelles. L’apport de CAP neuf avec ajustement possible de la dose permet de répondre à des objectifs de traitement très stricts.

Application et filièresde traitement

Ce réacteur a été développé en particulier pour les eaux difficiles à traiter par les filières classiques « décantation/filtration » ou « décantation/filtration/ozonation/filtration CAG » (Charbon Actif en Grains). C’est par exemple le cas des eaux de surface fortement chargées en matières organiques, et ce d’autant plus que l’objectif final est strict sur le COT (Carbone organique total) de l’eau à distribuer et/ou sur la teneur en sous-produits de désinfection, tels que les THM (Trihalométhanes). En effet, l’adsorption des matières organiques sature rapidement les grains de CAG. L’étape amont d’ozonation permet de promouvoir le phénomène de biodégradation qui peut alors prendre le relais de l’adsorption. Toutefois, le taux d’élimination reste limité et très influencé par la température de l’eau à traiter. Pour un objectif final d’eau traitée à moins de 2 mg/L, l’élimination du COT par voie biologique reste souvent limitée autour de 0,2 à 0,5 mg/L pour un filtre à CAG.

L’intérêt de limiter la teneur en COT de l’eau destinée à la consommation humaine est triple :

• - les matières organiques consomment du désinfectant ; le dosage est moindre pour obtenir un résiduel donné si l’eau est bien traitée en amont,
• - la réaction des désinfectants sur les matières organiques favorise la formation de sous-produits indésirables, mieux vaut donc les réduire,
• - la fraction biodégradable des matières organiques est une source de nutriments pour les germes qui persistent dans le réseau, d’où des phénomènes de reviviscence qu’il faut éviter au maximum.

Le Pulsazur™ permet d’obtenir d’excellents abattements de la matière organique, et aussi des micropolluants. C’est un outil d'affinage qui est placé après l’étape de clarification classique (décantation ou flottation) pour une efficacité optimum de la filière. La séparation des fonctions :

• - de clarification par coagulation, floculation et séparation dans un décanteur ou flottateur et
• - d’élimination de la matière organique résiduelle et des micropolluants par mise en contact optimisée dans le Pulsazur™ avec le CAP

permet d’atteindre d’excellents abattements avec des doses de CAP réduites. L’optimisation de la coagulation en première étape et le fait de faire ensuite travailler le CAP en affinage sur une eau avec une teneur en matières organiques plus faible, permet d’utiliser une dose plus faible de CAP pour un même objectif donné d’élimination en matières organiques et/ou en micropolluants. Ceci est dû au fait que les phénomènes de compétition sur les sites d’adsorption sont alors amoindris (Campos et al., 2003). Comme chaque eau est différente, il est toujours intéressant d’avoir des résultats de type jar test pour connaître l'abattement optimal par la coagulation. L’étude de ces résultats permet de sélectionner le coagulant le plus adapté, son dosage et le pH optimal en fonction de l’objectif recherché. N’oublions pas que des étapes de traitement complètent ensuite la filière : il vaut mieux ainsi rechercher pour cette étape une meilleure élimination des matières organiques, même si elle se fait légèrement au détriment de la turbidité. En effet, les étapes de filtration en aval élimineront facilement la turbidité (et n’élimineront quasiment pas de matières organiques).

Une étape additionnelle de filtration membranaire peut aussi parfaire cette filière pour débarrasser l’eau de toutes ses particules et de ses microorganismes ; ou une étape de désinfection aux ultraviolets pour améliorer l'abattement des microorganismes, en particulier ceux résistants aux doses habituelles de chloration finale, comme les Giardia ou les Cryptosporidium (cf. figure 2).

Pour les eaux moyennement chargées en COT, ou de manière exceptionnelle (quelques pics ponctuels peu élevés), le Pulsazur™ peut éventuellement être placé directement sur l’eau brute à traiter. Le dosage de CAP à mettre en œuvre pour un objectif de traitement donné est alors un peu plus élevé que lorsque le Pulsazur™ est précédé d'une étape de clarification. Pour des eaux moyennement chargées, l’investissement dans une étape spécifique de réacteur à CAP en aval d'une pré-étape de clarification n’est pas forcément nécessaire. Pour des objectifs d’élimination moyenne, le Pulsazur™ peut cumuler les fonctions de clarification et de contact avec le CAP de manière optimisée grâce à son lit de boue pulsé que traverse de bas en haut l’eau à traiter. Dans cette application, Griffini et al. ont montré l’intérêt du lit de boues pulsé sur l’élimination des pesticides tels que métolachlore et terbutylazine et sur l’abattement du COT, en comparant les résultats obtenus sur deux décanteurs différents de l’usine de traitement d’eau potable d’Anconella qui alimente la ville de Florence en Italie. À dose de CAP identique (5 mg/L), le décanteur à lit de boue pulsé élimine plus de métolachlore et de terbutylazine que le clarifloculateur. Il élimine respectivement 60 % et 78 % de métolachlore et de terbutylazine, quand le clarifloculateur n’en élimine que 40 % et 50 %. Il permet aussi une meilleure élimination du carbone organique total : de 10 à plus de 20 % d’élimination en plus.

Le rôle essentiel du traiteur d’eau est de proposer la filière de traitement la mieux adaptée à chaque ressource, en intégrant les objectifs de traitement définis par le client et ses attentes particulières. Degrémont, avec plus de 40 ans de données

Tableau 1 : Références Pulsazur™ en affinage

générées sur de très nombreuses usines en France et à travers le monde, utilise son savoir-faire pour définir la combinaison optimale des procédés de traitement à chaque nouveau projet.

À ce jour le Pulsazur™ compte une dizaine de références en affinage. Dans le tableau ci-dessus ne sont indiquées que les références récentes où le Pulsazur™ est utilisé en étape d’affinage après une première étape de clarification.

Performances et résultats d’exploitation

La figure 4 présente les résultats obtenus sur l'usine de Gorron en Mayenne, avec un dosage de CAP entre 3 et 5 mg/L. Pour un COT moyen de 4,2 en eau brute, le COT moyen de sortie est de 1 mg/L. Les THM formés par la chloration finale sont particulièrement bas : 4 µg/L en moyenne (entre 2 et 6 µg/L). Les valeurs de CODB (carbone organique dissous biodégradable) sont en dessous des seuils de détection.

La figure 5 présente les résultats obtenus sur l'usine d’Apremont en Vendée. Pour un COT moyen très élevé de 11,2 mg/L en eau brute, le COT moyen de sortie est de seulement 1,5 mg/L (valeur max 1,8 mg/L), soit un abattement supérieur à 85 %. L'abattement moyen sur l’absorbance UV à 254 nm est supérieur à 90 %. À noter que ces résultats sont obtenus avec un dosage faible de CAP : en moyenne de 5,8 mg/L sur la période (entre 5 et 10 mg/L au maximum pendant 10 jours sur l'année). La figure 6 présente un zoom des résultats en période estivale avec des COT très élevés.

Fin juillet, la mise en place du recyclage des boues de CAP en amont de la première étape de clarification a permis de baisser le dosage de CAP de 7 mg/L à 5 mg/L tout en conservant le même niveau de COT en sortie. Lorsque le COT de la ressource a augmenté fin août, l’ajustement du dosage de coagulant a suffi pour maintenir le COT de l’eau traitée entre 1,5 et 1,6 mg/L. Ce recyclage permet une utilisation optimale du CAP sans risque de relargages non maîtrisés. La teneur en THM est en moyenne de 33 µg/L (entre 16 et 60 µg/L). Pendant la période d’observation d’un an de l'usine d’Apremont, deux laboratoires ont effectué des analyses de CODB sur l'eau traitée, avec deux seuils de détection différents, respectivement 0,1 et 0,3 mg/L. Les analyses mensuelles étaient inférieures au seuil de détection des deux laboratoires.

En termes de pesticides, toutes les analyses de Gorron et Apremont ont été conformes. Ainsi par exemple AMPA (acide aminométhylphosphonique), glyphosate, diuron, isoproturon, aminotriazol et oxadixyl ont été bien éliminés.

plus de 1 µg/L d’AMPA, l'eau en sortie Pulsazur™ était inférieure à 0,1 µg/L. En pilote, le Pulsazur™ a aussi montré que le dosage de 5 mg/L de CAP permettait d’atteindre près de 95 % d’élimination de l’atrazine. Des antibiotiques tels que sulfaméthoxazole et roxithromycine peuvent être éliminés jusqu'à près de 90 % et l’antiépileptique carbamazépine jusqu'à 95 %. Le traitement efficace des matières organiques dans le Pulsazur™ permet l’élimination concomitante et performante de nombreux micropolluants.

Conception du réacteur Pulsazur™ pour des performances optimales

Degrémont a choisi de développer le Pulsazur™ comme réacteur de contact, car le contact eau/CAP y est assuré de manière optimale par la répartition homogène de l’eau à traiter qui traverse en écoulement de type piston toute l’épaisseur du lit de CAP. La conception du Pulsazur™ assure une répartition idéale à la fois du courant d’eau et de celui du CAP : l'eau brute est répartie de façon uniforme au fond du bassin, cette équipartition est conservée par le trajet vertical et parallèle des filets fluides sous les modules lamellaires. Toute la surface du décanteur est ainsi utilisée en mode écoulement piston, pour la mise en contact de l'eau à traiter avec le CAP maintenu en concentration bien plus élevée que la dose injectée (facteur de concentration de 40 à 100), et ce sur une hauteur de près de 3 m de lit de CAP.

La distribution des temps de contact eau/CAP est optimale en écoulement piston, contrairement à la mise en contact dans des cuves agitées en amont des réacteurs type décanteurs à recirculation de boues. En effet, dans un réacteur de type piston, 100 % de l'eau à traiter y reste réellement le temps de séjour indiqué, qui est ici égal au temps de séjour théorique calculé par le rapport du volume du réacteur sur le débit d’eau à traiter. Par contre, dans un réacteur agité, la distribution des temps de séjour est très étalée : toute l'eau n’est pas réellement en contact avec le CAP pendant le temps de séjour théorique indiqué. Une partie importante de l'eau à traiter sort de la cuve agitée en un temps inférieur à ce temps de séjour théorique. Des phénomènes de court-circuits abaissent la performance.

Recyclage du CAP du Pulsazur™ en tête de filière

Performance de traitement.

C'est un des éléments qui a conduit Degrémont à ne pas retenir le Densadeg', pour développer un contacteur à CAP, alors qu'il présente l’avantage d’une moindre emprise au sol puisque les vitesses de décantation y sont plus élevées. En effet, dans les appareils à recirculation de boues, le contact eau/CAP se fait dans la première cuve de mélange avec une agitation assez faible pour ne pas risquer de casser les flocs recirculés et limiter la consommation énergétique. La dernière partie, zone de séparation, où se fait la décantation ne participe pas au contact eau/CAP puisque l'eau floculée chargée en CAP arrive par le haut de l'ouvrage. L'eau passe au-dessus du lit de boues mais ne traverse pas l'épaisseur du lit de boues. Les flocs de CAP décantent rapidement en fond d’ouvrage tandis que l'eau traitée remonte le long des modules lamellaires et est collectée en surface (voir figure 7). Ainsi, à temps de contact théorique égal, l’abattement est meilleur en réacteur piston type Pulsazur™ pour une même dose injectée de charbon neuf.

Dans un Pulsazur™, le temps de contact entre l'eau à traiter et le lit concentré de CAP est généralement compris entre 25 et 40 minutes. La figure 8 présente un exemple d’étude d’eau montrant que ce temps de contact est dans la gamme d’élimination optimum en cinétique d’adsorption. À noter aussi que les vitesses moyennes de décantation utilisées dans l’ouvrage permettent l'utilisation de CAP de faible granulométrie qui sont souvent les plus efficaces puisqu'ils présentent une surface spécifique d’adsorption plus grande.

Un deuxième élément de choix du Pulsazur™ est le temps de séjour du CAP dans l'ouvrage qui est généralement compris entre 2 et 5 jours en fonction des conditions opératoires. Il est bien connu que plus le CAP reste en contact longtemps avec une eau, plus sa capacité d’adsorption baisse. Le CAP peut même se saturer au bout d’un certain temps si sa concentration n'est pas suffisante.

En termes de temps de séjour du CAP dans l'ouvrage (similaire à un « âge de boues »), les contraintes à respecter ont des tendances antagonistes : d’une part le CAP doit rester le plus longtemps possible pour utiliser sa capacité d’adsorption au maximum, mais d’autre part le CAP doit être suffisamment peu saturé pour avoir une réactivité vis-à-vis des composés à éliminer tels que les micropolluants, et éviter les relargages possibles. Lorsque les temps de séjour s’allongent, la capacité d’adsorption du charbon diminue très sensiblement. La figure 9 montre que pour un CAP mis en contact pendant 7 jours avec l'eau à traiter, sa capacité d’adsorption mesurée par isothermes d’adsorption diminue d’un facteur plus élevé que 10. Sur un charbon proche de la saturation, des composés plus adsorbables peuvent aussi déplacer certains composés moins adsorbables qui peuvent alors être désorbés et relargués dans l'eau traitée. Le fait d’avoir une plus forte concentration de CAP dans le réacteur agité d’un appareil à recirculation de boues n’est donc pas forcément bénéfique puisque le temps de séjour plus long du CAP (plusieurs dizaines de jours) baisse sensiblement sa capacité d’adsorption.

Un autre élément qui va dans le sens du choix du Pulsazur™ est le fait que cet appareil ne nécessite pas d’adjuvant de floculation (polymère) pour sa mise en œuvre. Pour augmenter la vitesse de décantation, il peut fonctionner avec de faibles doses d'adjuvants comprises entre 0,05 et 0,2 mg/L. Mais il peut aussi fonctionner sans, ce qui n'est pas le cas des appareils à recirculation de boues. Or les polymères utilisés pour permettre l’accélération de la décantation présentent plusieurs inconvénients, et c’est pourquoi le Pulsazur™ est souvent proposé sans adjonction de polymère. Le premier inconvénient des polymères de floculation est qu'ils ont tendance à diminuer les cinétiques et les capacités d’adsorption du charbon en venant se fixer dessus (voir les exemples de mesures d’élimination du COD du tableau ci-après).

1 Densadeg : appareil utilisé en décantation classique, décanteur lamellaire et de boues avec recirculation de boues en tête

Réacteur à recirculation

Fonctionnement type : Pulsazur

Réacteur à recirculation de boues

Les polymères de synthèse présentent aussi le risque de relarguer des monomères parfois nocifs comme l’acrylamide, d'où la limite de qualité à 0,1 µg/L dérivant de la Directive Européenne 98/83/CE sur l’eau potable et le fait de devoir respecter en France une dose maximale de 0,4 mg/L de polymère contenant moins de 250 mg/kg d’acrylamide monomère sur l'ensemble d'une filière de traitement d’eau potable, y compris les recyclages éventuels en tête de filière (ex. eaux de rétrolavage de membranes d'ultrafiltration). À noter qu’en Espagne, un décret de 2005 (Décret ORDEN SCO/3719/2005) impose un dosage en polyacrylamides et autres polymères de l'acide acrylique limité à 0,05 mg/L pour des produits commerciaux contenant moins de 200 mg/kg d’acrylamide monomère résiduel. À noter aussi que l'utilisation de polymères dans les étapes de traitement en amont d’éventuels traitements membranaires a tendance à générer des problèmes de colmatage qui peuvent nécessiter des lavages chimiques plus fréquents et des durées de vie des membranes plus courtes. Quant aux polymères d'origine naturelle qui sont connus pour leurs moins bonnes propriétés puisque les polymères de synthèse les avaient remplacés, ils peuvent générer du CODB à l'origine de phénomènes de reviviscence dans les réseaux de distribution. Leur efficacité limitée implique des dosages très élevés (ex. 1 à 3 mg/L), en particulier sur eau froide, ce qui réduit d’autant la performance du CAP pour éliminer les matières organiques et les micropolluants.

Coûts d’exploitation minimum

Un des grands avantages du Pulsazur™, en plus de sa haute performance en terme d’efficacité de traitement, est sa simplicité d’exploitation et son coût d’exploitation minimal. Son fonctionnement s’adapte facilement aux variations de qualité et de débit de l’eau à traiter. Cet appareil comporte très peu d’équipement. Aucun organe mécanique n'est immergé, ce qui facilite sa maintenance et accroît sa fiabilité. Il n'y a pas d’abrasion ni de corrosion possibles. Ce procédé est très peu énergivore car il ne nécessite qu'un seul moteur : la soufflante de mise en dépression de la cloche pour la création des pulsations. Le coût énergétique est minimal : 0,005 à 0,008 kWh/m³. Le Pulsazur™ fonctionnant avec seulement 2 réactifs : un peu de coagulant et un peu de CAP (le dosage de CAP étant optimisé par la conception du réacteur), le coût d'exploitation en réactifs est réduit. Le Pulsazur™ permet donc de limiter nettement l’impact sur le prix de l’eau des coûts d’exploitation qui sont des charges lourdes et non financées sur les usines de traitement eau.

Conclusion

Le Pulsazur™ est un réacteur haute performance de contact à CAP pour l’élimination poussée des matières organiques et des micropolluants. Sa conception hydraulique privilégie les écoulements de type piston et optimise le temps de contact eau/CAP ainsi que le temps de séjour du CAP dans l'ouvrage. Ainsi, les doses de CAP à mettre en œuvre sont réduites par rapport aux autres réacteurs, tout en minimisant les risques sanitaires (pas de phénomènes de relargages, pas d'utilisation d’adjuvants de floculation). Le Pulsazur™ permet donc un traitement optimal de l’eau par le CAP avec un coût d’exploitation minimum.