le concept de CAB (charbon actif biologique)

Le charbon actif en grains (CAG) est un matériau support très favorable au développement de certaines bactéries répandues dans l’environnement, comme les bactéries nitrifiantes ou les bactéries hétérotrophes métabolisant les matières organiques biodégradables.

Les facteurs favorisant l’accrochage, le développement et le métabolisme de ces bactéries sont multiples :

• sécrétion de polymères extracellulaires par les bactéries ;

• rugosité de la surface des grains, en même temps qu’une capacité d’adsorption de nature physico-chi­mique (comme pour les molécules organiques) ; ces propriétés permettent aux bactéries de rester accro­chées au CAG, même en présence d’une force de cisaillement telle que celle qui se produit lors du lavage du filtre à l’air et à l’eau ;

• protection des bactéries contre le chlore, s’il en existe dans l’eau à traiter ou dans l’eau de lavage, et contre certaines substances toxiques fixées ailleurs sur le CAG au lieu de rester en solution dans l’eau ;

• rétention, dans les pores du CAG, de molécules organiques qui serviront de nourriture aux bactéries.

La fixation initiale des bactéries sur le CAG est donc très rapide ; par la suite, on aboutit à un état d’équi­libre du peuplement bactérien, qu’il faut maîtriser par des lavages suffisamment fréquents (c’est-à-dire avec une périodicité de l’ordre de la semaine), nécessaires également pour qu’une population de micro-inverté­brés, se nourrissant de ces bactéries, ne colonise pas le CAG.

La quantité de biomasse bactérienne fixée, très supérieure à celle d’un filtre à sable sans toutefois attein­dre celle d’un biofiltre utilisant une biolite, explique qu’une action biologique puisse s’ajouter à un effet d’adsorption purement physico-chimique. Cette double action apparaît sur la figure 44, qui montre l’évolu­tion de la concentration en COT de l’eau traitée en fonction du temps ; on distingue :

• un résiduel faible de COT non adsorbable dans l’eau traitée sur CAG neuf ;

• un effet d’adsorption rapide qui parvient rapidement à saturation, mais qui est prolongé par un effet d’adsorption lente (migration des molécules organiques à l’intérieur des pores du CAG) ; ce dernier per­met d’atteindre un plateau de COT dû à la seule physico-chimie ;

• un effet supplémentaire de réduction du COT par voie biologique, aboutissant à un plateau situé nette­ment au-dessous du précédent ; cet effet paraît indépendant du type de CAG, même si ce dernier a été spécifiquement conçu comme substrat d’une activité biologique ; il correspond à l’élimination du CODB.

La cinétique des réactions biochimiques dépend étroitement de la température de l’eau : par exemple, pour un même abattement du COT, il faut approximativement doubler le temps de contact lorsque la tem­pérature passe de 20 °C à 8 °C, bien que la biomasse bactérienne fixée soit en moyenne identique aux deux températures.

Après un temps d’acclimatation suffisant, des composés plus complexes, tels que certains produits orga­nochlorés, peuvent être métabolisés par les bactéries fixées sur un filtre à CAG. Ces actions restent toutefois limitées si l’on admet l’eau sur le CAG sans pratiquer auparavant un prétraitement approprié ; en revanche, l’effet biologique exercé par un filtre à CAG est considérablement amplifié par une ozonation préalable ; en effet :

• l’ozone oxyde les produits à cinétique rapide d’oxydation ; ceux-ci n’ont donc plus à être adsorbés sur le CAG, dont la durée de vie (avant régénération thermique ou remplacement) peut ainsi être sensible­ment augmentée ;

• en outre, l’ozone en « cassant » nombre de molécules complexes (voir les oxydants et désinfectants) les rend biodégradables ; l’élimination par voie biologique des matières organiques est ainsi rendue plus impor­tante que si l’ozonation n’avait pas été appliquée (figure 44) et on peut considérer que le filtre à CAG est en fait devenu, par ce mode de conception et d’exploitation, un filtre à charbon actif biologique ( CAB ).

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Le couplage [O₃ + CAG] permet aussi une meilleure élimination :

• des goûts et odeurs ;
• des molécules organiques qui jouent le rôle de « précurseurs » favorisant la formation de THM après chloration et, plus généralement, de sous-produits d’oxydation après action des différents désinfectants ;
• et de la plupart des micropolluants minéraux (métaux lourds) et organiques (pesticides, phénols, hydro­carbures, détergents, toxines algales…).

C’est pourquoi de nombreuses stations modernes comportent un tel affinage en aval de la clarification (voir l'affinage: élimination des matières organiques.