SPAC – Micropoudre pour STEP (Couplage de charbon actif en poudre superfine à l'ultrafiltration pour une élimination efficace des micropolluants dans les eaux usées)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 566.24.17

Schlüsselwörter (Französisch)

Micropoudre, STEP, charbon actif, poudre superfine, ultrafiltration, micropolluants, eaux usées, SPAC

Kurzbeschreibung (Französisch)

Lorsqu’ils parviennent dans les rivières et les lacs, les résidus de composés chimiques organiques peuvent s’avérer nocifs pour les organismes aquatiques et polluer les ressources en eau potable. Afin de réduire la charge des micropolluants qui proviennent des eaux usées, certaines stations d’épuration seront équipées d’une étape de traitement supplémentaire. A ce jour, deux méthodes conviennent plus particulièrement pour éliminer les micropolluants : l’une recourt à l’ozone, l’autre au charbon actif en poudre.

Le charbon actif granulaire et en poudre est ainsi utilisé après le traitement biologique conventionnel des eaux usées pour l’adsorption des micropolluants mais aussi pour le traitement des divers composés indésirables de l'eau potable. Cependant, la production et la réactivation du charbon actif étant relativement énergivores et coûteuses, l'optimisation de l'utilisation du charbon actif est un élément clé pour réduire les coûts d'exploitation et la charge environnementale. Afin de limiter la dose de charbon actif, d’améliorer la cinétique d’adsorption des micropolluants, et d’optimiser le dimensionnement des bassins de contact, l’utilisation de poudre superfine de charbon actif (SPAC) en couplage à l’emploi de membranes à ultrafiltration s’avère comme un procédé prometteur. Après des essais en laboratoire performants, la faisabilité d’un tel système doit être démontrée à l’échelle d’un pilote industriel.

Le projet a été accepté sur la base de la demande de subside du 16.10.2017 à l’occasion de la séance de la Koko UT du 14.11.2017.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Französisch)

1     Construction de l'installation de broyage pour la production de poudre de charbon actif superfine (SPAC) et détermination de la méthode de broyage limitant l’agrégation des particules de charbon actif pour permettre l'adsorption optimale des micropolluants dans les eaux usées.

2     Construction du système complet de dosage par poudre de charbon actif superfine couplé à l’ultrafiltration par membranes à la STEP de Sion et tests pour minimiser la dose de carbone et le temps de contact et maintenir une filtration stable tout en respectant l'élimination ciblée de 80% des micropolluants indicateurs.

3     Vérification de la stabilité opérationnelle du pilote dans des conditions de débit variable et de variations de températures saisonnières. Analyse économique et environnementale du pilote industriel en comparaison aux technologies actuelles.

4     Rédaction d’un rapport final présentant les résultats des points 1 à 3.

5     Eléments de textes, illustrations et au moins 3 photos pour l’impression des publications  à l’adresse du public.

6     Une présentation Power-point des résultats est mise à disposition de l’OFEV et sur demande, peut être faite sous forme d’un exposé à l’OFEV.

Projektziele (Französisch)

Le présent projet a pour but de construire et de piloter un système de dosage de poudre de charbon actif superfine (SPAC) couplé à un module d’ultrafiltration par membranes pour tester la faisabilité et l’efficacité à l'échelle d’un pilote industriel de l’élimination des micropolluants dans eaux usées.

Beschreibung der Resultate (Französisch)

Le projet a étudié à l’échelle d’une pilotage industriel la faisabilité d’une technologie innovante, utilisant du charbon actif en poudre superfin (SCAP) couplé à l'ultrafiltration (UF), pour une adsorption et une élimination optimisée des micropolluants (MP) des eaux usées. Le SCAP (d₅₀=1μm) est produit par broyage en phase aqueuse d’une solution de CAP (d₅₀=20-50μm). Les particules SCAP en solution sont dosées dans l’effluent de STEP puis retenues par UF.
Après une période de construction et d’optimisation de 6 mois, un pilote industriel de SCAP-UF a été exploité sur une période de 18 mois à la STEP de Châteauneuf-Sion.
Les performances d’abattement des MP mesurés sur le pilote valident des études préliminaires, notamment la cinétique d’adsorption extrêmement rapide des MP sur le SCAP et des performances d’abattement supérieurs de 25% au CAP. Ces meilleures performances se traduisent par une réduction d’environ 20% de la dose de charbon nécessaire pour atteindre l’élimination de 80% des MP avec le SCAP.
L’exploitation du pilote sur une longue durée a permis de démontrer et d’optimiser la production automatique du SCAP in-situ, et de démontrer la stabilité de l’ultrafiltration à des flux de production élevés (100 l/hm²) et avec une qualité d’eau variable.
Une comparaison économique a été réalisée entre le procédé SCAP-UF et deux autres procédés standards. L’étude a révélé que la technologie SCAP-UF est légèrement plus chère avec un coût de 7.7 ct par m³ d’eau traitée (CAPEX amorti sur 15 ans + OPEX). Toutefois, les temps de contact très courts et la rétention complète des particules de SCAP par ultrafiltration rendent cette technologie compacte (-65% surface au sol) et améliorent substantiellement la qualité de l’effluent.

Umsetzung und Anwendungen (Französisch)

La filière SCAP-UF est un procédé intéressant pour une implémentation sur des STEP déversant leur eau dans un milieu récepteur particulièrement sensible ainsi que lorsque le terrain à disposition pour la mise en place du traitement des MP est limité.
Dans le procédé SCAP-UF, l’étape finale par séparation membranaire permet d’assurer une qualité d’eau améliorée. En effet, la filière SCAP-UF permet, outre l’élimination des MP, de réduire 30% du carbone organique dissous, une partie substantielle du phosphore total résiduel et de produire une eau totalement exempte de matières en suspension et substantiellement désinfectée.
De plus, la combinaison de la cinétique rapide d’adsorption rapide sur le SCAP, qui nécessite < 2min. de temps de contact, et la séparation avec les membranes d’ultrafiltration, se traduit en une installation très compacte. L’espace au sol représente le tiers de l’espace requis par les autres procédés standards (en comparaison à l’ozone-filtre à sable et CAP-filtre à sable).

Weiteres Vorgehen (Französisch)

Les axes futurs de développement sont les suivants :
Evaluer d’autres matériaux de départ pour la production de SCAP : dans notre pilotage, le CAP de départ est un charbon en poudre commercial prêt à l’emploi, ce qui renchérit le produit. L’utilisation d’un produit CAP « tout-venant », d’un charbon actif en grain usagé ou un charbon à base de bois permettrait de réduire sensiblement les coûts d’exploitation et/ou l’empreinte CO2 du procédé SCAP-UF.
Evaluer d’autres méthodes de séparation du SCAP : le pilotage a mis en évidence la contribution importante de l’ultrafiltration sur les CAPEX et OPEX du SCAP-UF. Les avantages apportés par l’ultrafiltration sont nombreux, mais ne se justifient pas pour toutes les situations. Il est souhaitable d’évaluer d’autres options de rétention du SCAP, afin d’appliquer la technologie SCAP sur un spectre plus large d’installations.
Pilotage comparatif : le pilotage a montré l’importance d’avoir une bonne qualité d’eau pour l’étape de traitement des MP, ainsi que le défi des comparaisons inter-STEP et inter-procédés qui découle de l’incertitude sur la mesure COD. Un deuxième pilotage du SCAP-UF dans un STEP équipée d’un traitement biologique nitrifiant et d’un traitement des MP à base de CAP permettrait d’établir une comparaison directe entre le SCAP et la CAP, de s’affranchir des incertitudes liées à la mesure COD et de renforcer les estimations actuelles de dose spécifique et de gain de charbon attendu avec le SCAP-UF.

Publikationen / Ergebnisse (Französisch)

Plusieurs publications présentent les résultats de ce projet :
• Decrey, L.; Bonvin, F.; Bonvin, C.; Bonvin, E.; Kohn, T. Removal of Trace Organic Contaminants from Wastewater by Superfine Powdered Activated Carbon (SPAC) Is Neither Affected by SPAC Dispersal nor Coagulation. Water Res. 2020, 185, 116302. https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.116302.
• Decrey, L., Bonvin, F., Bonvin, C., Bonvin, E. & Kohn, T. Présentation des résultats de ce pilotage à la conférence KOMs sur les micropolluants à Friedrichshafen, DE, 09.10.2020.
• Bonvin, F., Decrey, L., Bonvin, C., Bonvin, E. & Kohn, T. Charbon en poudre super-fin (SCAP) pour un abattement optimisé des micropolluants des eaux usées - Pilotage à la STEP de Châteauneuf-Sion, Aqua & Gaz, 01.2021.
• Bonvin, F., Bonvin, C., Decrey, L., Mota, J., Dessimoz, J.-J., Lochmatter, S., Bitz-Ballestraz, S., Kohn, T. & Bonvin, E. Couplage de charbon actif en poudre superfin à l’ultrafiltration pour une élimination efficace des micropolluants des eaux usées - Projet pilote à la STEP de Châteauneuf-Sion, Rapport final OFEV, 11.2020.
• En préparation- Article scientifique sur les résultats de pilotage