l'affinage: élimination des matières organiques

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généralités

Après avoir été pendant longtemps le traitement unique des eaux superficielles, la clarification tend de plus en plus à n'être qu'une étape dans une filière de complexité croissante ; en effet :

  • sous la pression conjuguée de l'urbanisme, du développement industriel et d'une agriculture de plus en plus intensive la qualité des eaux brutes s'est progressivement dégradée (détergents, pesticides, nitrates …),
  • les méthodes d'analyses de plus en plus sophistiquées permettent de mettre en évidence des polluants jusqu'alors ignorés (THM, bromates, PCB…),
  • les normes, qui fixent la qualité de l'eau non plus au sortir de l'usine mais au robinet du consommateur, impliquent une eau de grande "stabilité" physico-chimique et biologique (n’évoluant pas dans le réseau de distribution).

C'est donc une vision intégrée de l'ensemble production-distribution que le concepteur et l'exploitant doivent prendre en considération ; sachant que :

  • un réseau de distribution s'avérant être un réacteur biologique et/ou physico-chimique potentiel, le maintien jusqu'au robinet du consommateur de la qualité de l'eau produite par la station ne sera assuré que si les réactions correspondantes ont été achevées au niveau de la station de traitement (élimination du carbone organique biodégradable, de l'ammonium, respect de l'équilibre calco-carbonique…),
  • l'étape d'affinage est pour cela essentielle, mais elle n'atteindra sa pleine efficacité que si la clarification a été optimisée ; c'est également dans ces conditions que l'on pourra réduire au maximum les risques d'apparition de sous-produits indésirables (THM, HAA…) au moment des phases d’oxydation ou de désinfection finale.

Ces considérations impliquent surtout la recherche d'une élimination de plus en plus poussée des matières organiques ; dans la pratique, cela se traduira d'abord par une optimisation des conditions opératoires de la clarification (dose de coagulant, pH de floculation, pré-ozonation, utilisation de charbon actif en poudre…), mais aussi par l'introduction d'étapes complémentaires telles que la mise en place d’une oxydation par l’ozone suivie d’une 2ème filtration sur matériaux particuliers (ex. : CAG, Biolite) pour réaliser, en même temps qu'une filtration physique, une biofiltration et/ou une adsorption, efficace vis-à-vis des formes dissoutes de pollution carbonées et azotées.

La clarification devra aussi être de plus en plus performante vis-à-vis des organismes pathogènes et surtout des protozoaires parasites tels que Giardia et Cryptosporidium, d'où l'objectif de 0,1 NTU souvent rencontré en terme de turbidité : on aboutit ainsi à une conception "multibarrières" combinant les effets de séparation solide-liquide sur la pollution particulaire, l’élimination de la pollution dissoute par l’affinage et la désinfection chimique.

  • Traitement des micropolluants – Filière combinée UF + O3 + CAG (Usine des Moises – 74) 7000 m3/jour

les "outils" de l'affinage (voir lignes 5,6 et 7 figure 2)

Comme pour la clarification, la lutte pour éliminer la pollution dissoute (matières organiques, micro-polluants) fait appel à plusieurs armes que le traiteur d'eau peut utiliser séparément ou associées, mais le plus souvent en plusieurs étapes successives.

Les principaux moyens à mettre en œuvre sont :

  • L'oxydation
  • L'adsorption
  • L'activité biologique

l'oxydation

(voir la section oxydation et réduction et le chapitre oxydation-désinfection) :

C’est essentiellement l’oxydation par l’ozone qui est utilisée en affinage. Elle transforme les molécules de forte masse molaire en molécules de plus petite taille. Une attention toute particulière devra donc être portée aux caractéristiques des sous-produits ainsi générés car ils peuvent être tout aussi "indésirables" que le produit de départ. C'est le cas notamment pour les pesticides de type triazines (atrazine, simazine) dont le cycle formé par les trois atomes d'azote n'est pas coupé par une oxydation conventionnelle (ozone, ozone plus peroxyde) qui par exemple transforme l’atrazine en déséthyl- ou désisopropyl-atrazine, d’où l’interdiction du procédé Perozone (O3 + H2O2) en France pour traiter les eaux contenant des pesticides.

On notera cependant l'efficacité de l'ozone vis à vis de molécules organiques comportant des doubles liaisons (solvants chlorés tels que trichloréthylène, tétrachloréthylène) ou des cycles aromatiques, par ex. vis à vis des phénols ou des MON qu'il transforme en molécules plus facilement bio-dégradables ; s’il est suivi par une filtration biologique, il élimine la plupart des précurseurs de THM. Par ailleurs, l’ozone améliore considérablement odeurs et goûts de l’eau mais il faut noter que si le taux de traitement appliqué est trop faible, la dégradation de certains produits organiques conduit à la formation de composés pouvant donner à l’eau une saveur (cétones, aldéhydes). Il importe, dans ce cas, d’augmenter le taux de traitement appliqué et/ou le temps de contact à mettre en œuvre pour aboutir à une eau de bonne qualité.

La dose d’ozone à mettre en œuvre pour le traitement d’une eau donnée peut se déterminer par un essai en laboratoire (voir la section analyses spécifiques).

l'adsorption

L’adsorption met en œuvre des charbons actifs en grain (CAG) ou en poudre (CAP), plus rarement des résines, qui se caractérisent par une très grande surface spécifique (porosité) et par la présence de sites actifs qui vont fixer des molécules dissoutes, les éliminant ainsi du milieu à traiter.

Les phénomènes physico-chimiques de l’adsorption sur CAP ou CAG et les principes de leur mise en œuvre sont décrits dans la section adsorption ; sur un filtre à CAG, il s’ajoute souvent des phénomènes biologiques, surtout après une étape d’ozonation (voir la section le concept de CAB (charbon actif biologique)). Enfin, la technologie des filtres à CAG (Carbazur) est développée dans la section filtres à charbon actif carbazur.

Dans une filière de traitement, le CAP est introduit en amont des décanteurs ; les lits de boues des Pulsator ou de leurs dérivés lamellaires constituent le meilleur support pour son action ; quant aux filtres à CAG, ils peuvent être installés :

  • soit à la place des filtres à sable : « filtration sur CAG en 1er étage » (rôles simultanés de clarification et d’affinage) ; la TE du matériau est alors de l’ordre de 1 mm. Cette disposition est généralement réservée à des cas particuliers de réhabilitation d’anciennes stations où il est difficile de construire une autre batterie filtrante : le CAG remplace le sable existant, mais il faut alors adapter le lavage des filtres à cette nouvelle situation ;
  • soit après une filtration rapide sur sable et si possible une ozonation : « filtration sur CAG en 2ème étage » (rôle d’affinage principalement, de beaucoup préférable pour l’efficacité et la durée de vie du charbon) ; sa TE est dans ce cas de l’ordre de 0,75 mm.

L'efficacité d'un adsorbant s'exprime par sa capacité (masse de micropolluant retenu par unité de masse d'adsorbant) ; on observe cependant une très grande disparité des résultats obtenus entre une détermination faite en laboratoire en utilisant de l'eau distillée, et dans la réalité, lorsque le micropolluant coexiste dans une eau brute avec une matrice organique complexe.

Du fait de la grande différence que l'on peut observer entre les concentrations et les masses molaires des différents polluants (MON, pesticides, molécules génératrices de goût…), il faut tenir compte d'une part des cinétiques d'adsorption, d'autre part des phénomènes de compétition. Ceci conduit le traiteur d'eau à séparer les opérations, avec une élimination aussi complète que possible du COD par coagulation en milieu acide et adsorption sur l’hydroxyde métallique (floc), suivie d'une fixation des molécules résiduelles sur le CAP ou le CAG.

La durée de vie du CAG dépend des caractéristiques de fonctionnement et surtout des composés adsorbés. Les produits peu polaires sont bien adsorbés. Les macromolécules de grandes dimensions ont tendance à colmater les pores et à diminuer la durée de vie, car toute la surface n’est pas utilisée. La structure du charbon intervient aussi : un charbon à pores de petites dimensions (type noix de coco) se saturera vite, même si sa capacité mesurée en laboratoire avec de petites molécules (ex. indice d’iode) est élevée.

En pratique, pour un taux de travail de 4 à 6 vol/vol.h, la "durée de vie" (durée entre 2 régénérations du charbon) dépend fondamentalement du critère d’efficacité retenu pour celui-ci, par exemple :

  • 3-6 mois pour les MON si l’on doit garantir plus de 15% d’élimination de celles-ci,
  • 12-18 mois pour les pesticides,
  • 3-4 ans pour les goûts et odeurs.

Au cours de son fonctionnement, un lit de CAG doit être lavé périodiquement pour éliminer les MES et les bactéries (voire les animalcules tels que Rotifères, Nématodes, Oligochètes…) qui sans cela pourraient s’accumuler entre les grains (1er étage : 1 lavage toutes les 24 à 48 h – 2ème étage : 1 lavage toutes les 1 à 2 semaines).

l'activité biologique

L’activité biologique régnant sur les matériaux filtrants (voir la section applications du génie biologique en traitement des eaux potables) transforme les molécules ou ions indésirables en sous-produits généralement sans incidence sur la qualité de l'eau. C'est le cas pour les sels d'ammonium (NH4+) qui sont transformés en nitrates (NO3-) ; nitrates qui sont réduits éventuellement en azote (N2) ; le carbone organique dissous biodégradable (CODB) qui est métabolisé par les bactéries hétérotrophes sur le CAB.

Chaque traitement requiert des conditions de pH / potentiel Redox / Oxygène dissous / Température / Temps de contact, ainsi qu'un matériau support des bactéries, qui lui sont spécifiques (voir la section applications du génie biologique en traitement des eaux potables). Le CAB (voir ci-après), en particulier, exerce toujours une double action : d’adsorption et d’élimination biologique du CODB, parfois aussi décrite comme une adsorption suivie d’une régénération biologique du charbon.

exemples d'applications

Parmi les filières les plus couramment utilisées en production d'eau potable à partir d’eau de surface polluée, on utilise assez souvent une étape de dégradation biologique du carbone sur des filtres à charbon actif ; cette étape est généralement précédée d'une ozonation "contrôlée" (voir la section le concept de CAB (charbon actif biologique)) : ce terme est très important car il convient lors de ce processus de ne pas engendrer de sous-produits indésirables (bromates) grâce à un contrôle du pH, du temps de contact et du taux d'oxydant résiduel, tout en favorisant l'action du réacteur biologique installé à l'aval (oxygénation, désinfection évitant la prolifération des germes pathogènes, amélioration de la biodégradabilité…).

Les installations de Morsang I-II et III (voir photo 9 et figure 9) montrent l'évolution de ce type de filière ; à l'origine l'ozone n'était utilisé que comme simple désinfectant et constituait l'étape ultime du traitement ; pour faire face à une dégradation de la qualité de la ressource et à une exigence plus poussée en terme de stabilité de l'eau traitée dans le réseau, une étape de filtration sur charbon actif en grains a été ajoutée après l’ozonation dans les phases II et III..

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Photo 9. Installation de Morsang-sur-Seine – Débit : 225 000 m3 · j–1
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Figure 9. Installation de Morsang-sur-Seine tranches I, II, et III – Débit : 225 000 m3 · j–1

C'est également le cas de nombreuses usines construites dans les années 60-70 qui ont été ainsi complétées : comme par exemple en France, Limoges, Metz, Orly…, ainsi que d’usines plus récentes dont la qualité de l’eau traitée devait satisfaire des exigences encore plus poussées, ex. Kota Tinggy (Malaisie) (voir photo 13 dans les décanteurs à lit de boues, le décanteur Pulsatube (ou Pulsator T)), (obtention d’une turbidité < 0.1 NTU) ; Grafham (U.K.) (garantie pesticide). La plupart de ces stations comportant un affinage par ozone + CAG intègrent aussi une préozonation en amont de la clarification.

La station du Mont-Valérien (1985) près de Paris, alimentée par de l’eau de Seine brute, a été l’une des premières à adopter cette filière (voir figure 10) qui est maintenant représentative du traitement-type des eaux polluées (hors traitements membranaires). Cette filière a d’ailleurs été reprise pour la 2ème tranche (1995) de cette installation mais en y incluant une décantation sur Densadeg (place restreinte) et une nitrification (voir élimination de l'ammonium) sur biolite en lieu et place de la filtration sur sable : les résultats sont remarquables malgré la pollution de l’eau brute (eau de Seine à l’aval de Paris), voir tableau 5.

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Photo 10. Installation de Grafham (UK) – Débit : 360 000 m3 · j–1
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Figure 10. Schéma général de l’installation du mont Valérien (Hauts-de-Seine) – Débit : 53 000 m3 · j–1
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Tableau 5. Usine Eau & Force du mont Valérien à Suresnes – Résultats analytiques 2000-2003