Essais pilotes à la STEP de Penthaz

RÉSULTATS

Efficacité du traitement des micropolluants

La performance d’élimination des micropolluants par la biologie sur la période des essais était en moyenne de 20% (variation entre 6% et 36%). Durant la phase constante de l’essai n° 1 et sur toute la durée de l’essai n° 2, l’installation pilote a systématiquement atteint ou dépassé un taux d’épuration des micropolluants de 80% (fig. 4). Ainsi, même lors de rendements faibles en biologie, ce procédé est apte à répondre aux exigences légales pour le traitement des micropolluants. La longue durée des essais (1,5 ans) a permis d’appréhender différentes variations saisonnières et météorologiques (fluctuations de température, précipitations, etc.). Les charbons utilisés durant les essais ont tous deux démontré leur bonne capacité d’épuration.
Les causes des rendements insuffisants observés durant les phases de démarrage et d’étude de l’essai n° 1 ont pu être identifiées et des solutions mises en place pour atteindre à nouveau une efficacité optimale. Une combinaison de différents éléments a systématiquement été constatée durant les périodes de basse
efficacité:

– Perturbation de la filière biologique de la STEP
– Dosage effectif inférieur au dosage visé
– Faible masse de charbon actif dans la colonne
– Accumulation de MES dans le lit de charbon
– Vitesses ascensionnelles élevées (> 16 m/h)

Dosage

Dans un premier temps le charbon actif était dosé à environ 15 g/m³ (correspondant à environ 2 g CAG/g COD) dans le pilote. Au vu des bons résultats obtenus lors de la phase constante, le dosage a par la suite été diminué et stabilisé à environ 13 g/m³. À partir d’un dosage effectif d’environ 13,5 g/m³, les rendements obtenus sur le pilote étaient généralement supérieurs à 75%. De même, aucun rendement inférieur à 80% n’a été obtenu pour des dosages de 15 g/m³ ou plus (fig. 5). Le dosage optimal en temps normal, lors de l’exploitation à pleine échelle, se situera donc entre 13 et 15 g/m³ afin de garantir un taux d’épuration des micropolluants de 80% sur l’ensemble de la STEP, étape biologique comprise. En comparaison, les procédés de dosage de charbon actif en poudre avant un filtre à sable ou selon le procédé «Ulm» requièrent un dosage d’environ 2 g CAP/g COD [6]. À la STEP de Bülach (essai pilote avec un filtre à CAG), le dosage de charbon actif se situe entre 1,5 et 2,3 g CAG/g COD [7]. Au début de l’essai n° 1, l’humidité du charbon actif n’avait pas été pris en compte lors de la pesée des injections journalières. Celle-ci s’étant parfois élevée jusqu’à 20%, le dosage effectif était souvent inférieur au dosage visé. Ceci a été corrigé au début de la deuxième phase de l’essai n° 1 avec un effet visible sur l’efficacité du traitement (fig. 4).

Interruption du dosage

Grâce au suivi continu de l’efficacité de traitement par la mesure online de l’absorbance UV à 254 nm, la diminution du rendement d’épuration à la suite d’une interruption du dosage a pu être observée (fig. 6). La masse de charbon présente dans la colonne assure une épuration résiduelle d’environ 55%.

Paramètres de suivi de l'installation

Sonde UV à 254 nm

La relation entre l’abattement de l’absorbance UV à 254 nm et le taux d’élimination des micropolluants est linéaire dans la majeure partie de la gamme des taux d’épuration obtenus (fig. 7). Pour la STEP de Penthaz, une élimination de 80% des micropolluants correspond ainsi à un abattement de l’absorbance UV à 254 nm de 27% ± 2,5%.
Par la mesure online de l’absorbance UV, des pics journaliers d’abattement de l’absorbance ont pu être observés (fig. 8) de manière quasi-instantanée après l’injection des doses de CAG. Les doubles doses du week-end, injectées les vendredis en plus des injections quotidiennes, ont produit des pics plus importants, suivis de rapides diminutions. L’observation de l’évolution hebdomadaire des pics d’abattement de l’absorbance UV a montré une augmentation régulière de l’efficacité de traitement la semaine et une diminution lors des week-ends.
L’inertie du réacteur, avec un âge moyen du charbon maintenu à environ 100 jours par les injections et extractions régulières, permet une certaine flexibilité dans la fréquence des injections et la quantité de charbon actif injectée ainsi qu’une marge de manœuvre en cas de défaillance du système de dosage dans le cas d’une exploitation à pleine échelle (voir aussi «Interruption du dosage»).

Hauteur de lit et expansion

Durant les essais, il a été observé que l’accumulation de MES dans le lit est critique pour l’hydraulique du système puisqu’elle influence l’expansion du lit [8]. Lors d’une perturbation de la filière biologique causant une arrivée excessive et exceptionnelle de boues dans le pilote, un débordement de la colonne a eu lieu et du charbon actif a été perdu (retour de l’effluent du pilote en entrée de STEP). À pleine échelle, une sonde radar permet d’automatiser la surveillance de la hauteur du lit et de déclencher les alarmes lorsque le niveau du lit de charbon dépasse un seuil critique.
L’accumulation des MES dans le lit a également été défavorable à l’efficacité du procédé car les quantités de charbon extraites ont été faussées par les MES. Des mesures de contrôle ont été mises en place, notamment par le relevé ponctuel des hauteurs de lit en expansion et au repos par l’exploitant. En effet, une augmentation de la concentration en MES influence la hauteur du lit en expansion mais pas la hauteur du lit au repos. Le calcul du rapport entre les deux hauteurs de lit (ratio d’expansion) permet ainsi de suivre l’évolution de la concentration en MES dans le lit de CAG.
Un lavage à l’eau effectué de manière routinière (environ tous les mois) permet de limiter l’accumulation des MES dans le lit de CAG. Le ratio d’expansion permet de vérifier la stabilité du lit et de déclencher un lavage à l’air lorsque les lavages à l’eau ne sont pas suffisants.
Le charbon Norit utilisé durant l’essai n° 2 possède une densité plus faible que le charbon Chemviron de l’essai n° 1. Cela s’est traduit par une expansion plus importante pour une même vitesse ascensionnelle (jusqu’à 170% d’expansion pour le CAG Norit et 150% pour le CAG Chemviron à 15 m/h). Cela n’a toutefois pas impacté négativement l’hydraulique du système, et les deux charbons ont pu être utilisés dans des conditions opérationnelles similaires.

Pertes diffuses de charbon actif vers l’exutoire

Les résultats des analyses thermogravimétriques indiquent que le charbon actif représente en moyenne 11% des MES en sortie du pilote (valeurs entre 1% et 18%). Les concentrations en charbon actif sont donc comprises entre 0,1 mg/l (limite de détection de la méthode) et 0,48 mg/l, soit 1 à 5% du charbon actif dosé. Ces résultats témoignent de la capacité de séparation dans le réacteur entre l’eau et le charbon actif (voir aussi fig. 2).
Compte tenu des faibles concentrations en MES mesurées en sortie de la STEP de Penthaz et de la part relativement faible de charbon actif dans les MES, les pertes en charbon actif vers l’exutoire sont considérées comme minimes selon l’état actuel des connaissances.

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

Dans une réalisation à pleine échelle, la majeure partie des tâches liées à l’exploitation sont automatisées, notamment les injections et extractions de CAG. Le stockage du charbon frais en milieu confiné limite les variations d’humidité et améliore la fiabilité du dosage. Le contrôle des hauteurs de lit et la gestion des lavages peuvent également être intégrés de manière semi-automatique par le biais de sondes et la mise en place d’alarmes. Le procédé de traitement, alliant la réactivité par les dosages réguliers et l’inertie grâce à la masse présente dans le réacteur, permet également une certaine flexibilité dans l’exploitation.
En conclusion, ces essais pilotes ont montré que le procédé CarboPlus® permet d’éliminer les micropolluants des eaux usées selon les bases légales suisses et se révèle pertinent pour une STEP comme celle de Penthaz. Ils ont de plus permis de développer des mesures pertinentes pour le suivi de l’installation. La sécurité au niveau de la filière d’approvisionnement est renforcée par la bonne performance des deux charbons actifs de Chemviron et Norit. Compte tenu de ces résultats, ce procédé a été recommandé par Triform pour le traitement des micropolluants à la STEP de Penthaz. La DGE et l’OFEV ayant validé le projet d’ouvrage, l’installation à pleine échelle est en cours de réalisation et sera mise en service en automne 2018.