Charbon actif en poudre - lequel convient?

COMPARAISON DES PERFORMANCES DU CAP

Le CAP est une poudre noire très fine. Les différents produits ne peuvent être différenciés visuellement les uns des autres ce qui complique la sélection. Une exigence importante posée envers le CAP est un taux d’épuration des MP élevé dans les eaux usées. Celui-ci ne peut pas, à l’heure actuelle, être déterminé avec l’un des paramètres courants du CAP [6–8].

Tests par agitation

Dans la pratique, des essais par agitation ou vibration dans des béchers avec différents produits de CAP et à différents dosages ont fait leurs preuves pour définir le rendement et procéder à une présélection (fig. 3). Lors des essais par agitation, un échantillon de l’effluent d’une STEP (c’est-à-dire le futur affluent de l’étape CAP) est analysé. Si le traitement biologique devait être fortement modifié lors de travaux au niveau de la STEP, par exemple par la mise en place d’une nitrification complète, la réalisation de ces tests avant la réalisation du projet ne donnera pas de résultats significatifs. Une suspension de CAP est ajoutée à l’échantillon et mélangée pendant une période donnée. Des échantillons sont prélevés pendant ou après l’essai et font l’objet d’analyses MP, du COD et de l’absorbance à une longueur d’onde de 254 nm. Cette dernière est également appelée coefficient spectral d’absorption CAS₂₅₄ et fournit de précieuses informations sur la capacité potentielle du CA à éliminer les MP [6, 12, 13]. Le CAS₂₅₄ peut être déterminé avec des photomètres qui effectuent des mesures dans la plage de l’ultraviolet. Le COD peut également être mesuré après la filtration de l’échantillon à la STEP. L’analyse des MP est plus complexe et coûteuse.

Toutefois, pour effectuer une première sélection des CAP, la détermination de l’élimination des MP n’est pas nécessaire. Les résultats de la diminution de l’absorbance UV (ΔCAS₂₅₄) et de la réduction du COD à certains dosages permettent déjà d’exclure certains CAP. Il est par ailleurs possible d’estimer les quantités annuelles requises. La deuxième série de tests ne comprend plus que quelques produits de CAP, trois à cinq, qui sont analysés de façon plus détaillée (analyses MP supplémentaires). Ces produits de CAP sont commandés de manière ciblée et selon la quantité estimée dans le cadre d’un appel d’offres. Cela permet par ailleurs d’obtenir des informations sur de possibles produits alternatifs en cas de pénuries d’approvisionnement.

Les essais par agitation peuvent être réalisés par le personnel de laboratoire pour les STEP de grande taille. Les STEP de petite et moyenne taille doivent faire appel à des laboratoires reconnus pour ce type de tests. Les «Instructions pour la réalisation de tests par agitation avec du charbon actif en poudre» [14], qui ont déjà été publié en allemand et qui seront prochainement disponibles en français sur www.micropoll.ch, comprendront un descriptif destiné aux exploitants et aux laboratoires pour réaliser ces essais par agitation en laboratoire. Elles pourront également être utilisées pour contrôler la qualité des différentes livraisons de CAP pendant l’exploitation (voir chap. «Exploitation»).

Pour réaliser ces tests, il est nécessaire de disposer d’échantillons de CAP provenant des différents fabricants. Ils serviront également d’échantillons de référence après la livraison de lots plus importants. Il convient donc de demander au moins 100 g aux fabricants. La brochure du Centre de Compétences sur les micropolluants de Rhénanie-du-Nord-Westphalie fournit un aperçu des fournisseurs potentiels de CA [15].

Influence de la matrice des eaux usées 

Lors de la détermination du dosage nécessaire, il convient de tenir compte du fait que le CA n’adsorbe pas seulement les MP, mais également d’autres substances organiques dissoutes provenant de la charge organique de fond. Cette dernière est également appelée «matrice des eaux usées» et entre en concurrence avec les MP pour la surface d’adsorption disponible sur le CA. Cette matrice est influencée par le bassin versant, la part et la composition des rejets industriels, ainsi que par le traitement mécanique et biologique de la STEP. Les MP font partie de la charge organique dissoute. Il est important de connaître la concentration des substances organiques dans les eaux usées car cela permet de faire une première estimation de la quantité de CAP nécessaire. Pour ce faire, il est possible de recourir aux paramètres COD (carbone organique dissous) et CAS₂₅₄. La DCO (demande chimique en oxygène) dissoute fournit également des indications, car elle permet d’estimer le COD. Ainsi, env. 1,5 mg CAP/mg COD est actuellement utilisé à la STEP de Thunersee, ce qui correspond à 0,5 mg CAP/mg DCO_dissous. Le rapport entre le CAS₂₅₄ et le COD varie en fonction de la matrice d’eau usée.

Dans la mesure où le COD est plus élevé que la concentration de MP dans les eaux usées épurées, le COD a une influence dominante sur la charge du charbon actif et sa consommation. Des teneurs élevées en COD dans les eaux usées provoquent généralement une consommation spécifique de CA plus élevée.

Unités utilisées pour définir la consommation de CAP 

L’unité de dosage de CAP joue un rôle central pour pouvoir comparer la consommation de CAP pour différentes eaux usées. La dose spécifique est souvent indiquée en mg CAP/l. Si cette indication permet d’évaluer les besoins globaux d’une station d’épuration par rapport au débit entrant de la STEP, elle ne permet pas de comparer la consommation spécifique pour différentes eaux usées différentes [13].

Il serait donc pertinent de toujours indiquer la dose en mg CAP/mg COD. Cela permet de fournir des indications sur le taux d’épuration des CA utilisés en comparant directement différentes eaux usées. Des estimations des doses possibles de CAP en fonction des groupes de substances à éliminer sont fournies dans [3] en g CAP/g COD. De nombreuses études et des essais pilotes ont montré qu’une dose de 1 à 2 mg CAP/mg COD est généralement suffisante pour éliminer un large spectre de MP [3, 13]. La dose effectivement nécessaire dépend par ailleurs du procédé utilisé.

Il serait également souhaitable d’indiquer la consommation de CAP spécifique (mg CAP/l) par rapport au CAS₂₅₄ des eaux usées (E/m) [13]. Au cours du traitement au CA, le COD (fig. 4A) mais aussi le CAS₂₅₄ diminuent car des composés organiques carbonés à liaisons multiples, générant de l’absorbance, se fixent sur le CA. Le ΔCAS₂₅₄ d’une eau usée corrèle généralement très bien avec la diminution des MP [16], ce que confirme la figure 4B.

ÉVALUATION DU CAP APPROPRIÉ

Facteurs d'influence 

Plusieurs facteurs jouent un rôle dans le choix du CAP optimal pour une eau usée spécifique (fig. 5). Les paragraphes suivants traitent de ces questions. L’influence des propriétés physiques du CAP ayant déjà été expliquée dans le sous-chapitre «Propriétés du charbon actif».

Coûts

Les coûts sont un critère important dans le choix du CAP. Lors de l’appel d’offres pour le CAP, l’objectif principal est de trouver celui présentant le meilleur rapport qualité/prix pour les eaux usées concernées (p. ex. prix en francs par MP éliminé). Pour ce faire, le taux d’épuration, les coûts de l’élimination du CAP, la teneur en eau et la teneur en cendres doivent être pris en considération (voir «Évaluation des offres»).

Taux d’épuration

Comme évoqué précédemment, les essais par agitation conviennent à la détermination du taux d’épuration d’un CAP spécifique. En raison de la spécificité de la matrice des eaux usées d’une STEP, différents CAP (appropriés pour l’élimination des micropolluants) peuvent présenter des taux d’épuration différents. Des tests en batch ont montré que l’élimination de certains MP peut varier pour six CAP différents entre 55 et 90% (COD) et 85 à 100% (réduction UV 254 nm) pour une même eau usée (fig. 6). Afin de pouvoir évaluer les rendements d’élimination des différents types de CAP, la dose spécifique choisie ne doit pas être trop élevée, car les différences s’amenuisent avec l’augmentation de la dose. Si l’on choisit des produits bon marché ayant un rendement d’épuration moins élevé et nécessitant donc un dosage plus élevé, cela implique des coûts supplémentaires de transport, de dosage et d’élimination du CAP.

Le rendement d’épuration d’une étape MP à l’échelle industrielle est généralement meilleur que celui obtenu lors de l’essai par agitation. Cela est notamment dû au fait que l’essai par agitation ne peut pas reproduire exactement le procédé mis en place dans les STEP. Lors de l’essai en laboratoire, une petite quantité de CAP frais est mise en contact avec les eaux usées pendant une durée allant de plusieurs heures à plusieurs jours. En revanche, lors d’une application à l’échelle industrielle, les eaux usées sont mises en contact avec une grande quantité de CAP présentant des âges et des états de charge différents pendant une durée relativement courte (15 à 30 minutes). Toutefois, la comparaison avec la pratique montre que les essais par agitation constituent une méthode appropriée à l’évaluation du CAP. Cela est visible dans la figure 7 qui compare l’élimination des MP lors de l’étape CAP à l’échelle industrielle à la STEP de Thunersee avec les résultats obtenus lors des essais par agitation. La transférabilité des résultats des essais par agitation à une application à l’échelle industrielle est également visible dans [18].

Procédés, séparation du CAP et comportement durant l’exploitation

Il existe actuellement une multitude de procédés différents utilisant du CAP dans les STEP [19–21]. Ces procédés peuvent influencer le choix d’un CAP approprié. Le procédé de séparation détermine quelles granulométries de CAP peuvent être retenues. Une membrane permet, par exemple, d’utiliser du CAP ultrafin, qui réagit plus rapidement avec les MP. Il est par ailleurs important que le CAP réagisse le plus complètement possible avec les produits chimiques tels que le coagulant et le floculant, pour garantir une bonne rétention du CAP lors de la sédimentation et de la filtration. Les pertes de CAP doivent toujours être minimales.

L’influence du CAP sur certains paramètres d’exploitation de l’installation, tels que la floculation et la turbidité, ne peut être déterminée que lors d’un essai pilote ou lors de l’exploitation d’une installation à échelle industrielle. Cela vaut également pour le comportement du CAP au niveau du poste de dosage et lors du remplissage du silo influençant énormément la charge de travail du personnel d’exploitation.

Développement durable

Actuellement, une grande partie du CA est produite dans la zone asiatique, en Australie et aux États-Unis [2, 3]. Le processus de fabrication nécessite beaucoup d’énergie et génère des émissions qui représentent plus de la moitié de l’empreinte CO2 totale des applications au charbon actif dans les STEP [22]. Comparé à l’ozonation, un procédé alternatif d’élimination des MP, le potentiel de réchauffement global du CAP est généralement plus élevé [22], notamment dans le cas du mix électrique suisse relativement neutre en CO₂. Si une STEP souhaite utiliser un CAP durable, elle a deux possibilités: opter pour une matière première renouvelable (encadré 3) ou un produit possédant une part élevée de charbon actif réactivé.

L’aperçu de l’empreinte CO₂ en fonction de la matière première utilisée et avec une distinction entre charbon frais et charbon réactivé, présenté à la figure 8, confirme ce constat [2]. Comparée aux produits réactivés, la production de charbon frais implique une empreinte CO2 env. cinq fois supérieure. La part de charbon réactivé dans le produit est donc un paramètre important pour déterminer l’influence environnementale. Malheureusement, ces données ne sont pas toujours communiquées de manière transparente par les fabricants.

Les STEP qui souhaitent utiliser du charbon frais durable doivent généralement accepter de payer des prix plus élevés pour une matière première renouvelable. Lors d’une évaluation complète des impacts environnementaux, les particularités locales liées à la fabrication du charbon actif peuvent également jouer un rôle important dans certains cas.

Le développement durable englobe par ailleurs des aspects sociaux tels que des conditions de travail équitables et le fait de ne pas recourir au travail des enfants. Dans la plupart des cas, il est difficile de vérifier ces aspects pour un produit.

Conditions de livraison et de transport

Pour un bon déroulement de l’exploitation d’une étape CAP, il est important que le délai de livraison ne soit pas trop long et que la quantité convenue puisse être livrée. Toute contamination doit par ailleurs être évitée au moment du chargement et du Transport

Références

De nombreux CAP ont déjà fait leurs preuves dans d’autres STEP. Des informations plus précises peuvent être obtenues auprès du groupe d’échange d’expériences suisse «Charbon actif» ou du groupe d’échange entre exploitants «Composés traces dans le Bade-Wurtemberg». La plateforme «Techniques de traitement des micropolluants» vous fournira volontiers les contacts nécessaires.

Évaluation des offres 

Lors de l’évaluation des offres, les facteurs susmentionnés peuvent être intégrés dans les critères d’évaluation. Mais ils devraient déjà être communiqués de manière transparente dans les documents de l’appel d’offres.

Dans les appels d’offres publics, les coûts constituent le critère le plus important. Selon les directives cantonales, ils doivent être pondérés à au moins 30–50%, un taux de 50% étant généralement la norme. Il est donc important que les coûts d’élimination du CAP soient intégrés dans la comparaison des coûts. Le choix de la formule de prix a également une très grande influence. Pour faire un choix pertinent, il est intéressant d’envisager différentes situations lors de l’élaboration des documents de soumission. Dans certains cantons, la formule de prix est plus ou moins définie.

Le maître d’ouvrage peut intégrer des exigences supplémentaires en matière de CAP dans les critères d’attribution ou les spécifications techniques, comme décrit dans les paragraphes suivants.

Le document [4] expose les résultats d’un sondage effectué par le Centre de compétences des composés traces du Bade-Wurtemberg (KomS) et le VSA auprès des exploitants d’étapes CAP. Différentes approches sont abordées, comme l’intégration du rendement d’épuration dans l’évaluation en plus du prix. Dans le cas d’un appel d’offres public, il serait envisageable de mettre le CAP au concours de manière sélective. Le critère de sélection pourrait par exemple être une exigence minimale envers le ΔCAS₂₅₄.

Il est également pertinent de baser le prix sur la teneur garantie en eau, afin de prendre en compte de manière appropriée la fluctuation de celle-ci. En effet, les expériences réalisées à la STEP de Thunersee montrent que la teneur en eau de l’échantillon de CAP n’est pas forcément représentative des livraisons ultérieures.

Dans son appel d’offres, la STEP de Thunersee a exigé dans les spécifications techniques que le fournisseur garantisse l’absence d’impuretés ou utilise un tamis (doté de mailles de 5 mm, par exemple) entre le camion et la conduite de remplissage lors de l’injection du CAP.

Des indications concernant la livraison et les références peuvent également être intégrées dans les critères d’attribution. Des indications sur la matière première utilisée et la part de produit réactivé et donc l’empreinte CO₂ peuvent également être utilisées pour évaluer l’influence environnementale, dans la mesure où elles reposent sur une base comparable (p. ex. fig. 8). Chaque STEP doit décider individuellement quelle importance et par conséquence quelle pondération donner au critère de développement durable. Le VSA et l’Eawag saluent une prise en compte adéquate de ce critère compte tenu de l’objectif fixé pour le traitement par CAP dans les STEP qui est de protéger les eaux, et donc de protéger l’environnement,.

Lors de l’appel d’offres pour le CAP, il est difficile d’intégrer les critères sociaux car il n’y a pas de lien suffisant entre les conditions sociales garanties lors de la production et le produit en lui-même, comme c’est généralement le cas dans la plupart des marchés publics [25]. Selon [26], il est toutefois possible d’exiger le respect des conventions fondamentales de l’Organisation internationale du travail (OIT) comme condition de participation.

Jusqu’à présent, les exploitants ont soit lancé un appel d’offres à chaque livraison soit souscrit un contrat de livraison pour une durée d’un an. Cela dépend de leur consommation de CAP [4]. Selon le volume commandé, l’attribution de livraisons individuelles n’est pas autorisée et un contrat annuel ou pluriannuel doit être souscrit. Afin de réduire autant que possible la charge de travail engendrée par l’appel d’offres, les exploitants peuvent inclure une possibilité de prolongation dans le contrat annuel.

EXPLOITATION – CONTRÔLE DU CAP LIVRE

Dès que l’exploitant a choisi un produit, il devra alors mettre l’accent sur le contrôle qualité des différentes livraisons effectuées.

Observations des exploitants de STEP concernant la qualité du CAP 

Dans le Bade-Wurtemberg, de nombreuses STEP utilisent du CAP depuis plusieurs années déjà. Leurs expériences montrent qu’il est pertinent de procéder à un contrôle qualité des différentes livraisons de CAP. En effet, ils ont parfois observé des indices laissant penser que le CAP était de qualité variable. En voici quelques exemples: augmentation de la teneur en eau, différences visuelles au niveau de la couleur et rendements d’épuration variables. Des pénuries de livraison sont également survenues. Parfois, des quantités moins élevées que convenu étaient livrées. Dans certains cas, des substances perturbatrices présentes dans le CAP livré ont endommagé l’installation de dosage.

La durée de remplissage peut également varier de manière significative en fonction du CAP. Des temps d’attente sont parfois nécessaires entre le remplissage et le tassement du CAP dans le silo pour pouvoir introduire dans le silo la quantité de CAP souhaitée . Une masse volumique tassée élevée du CAP est avantageuse, car elle permet une meilleure utilisation du volume de stockage disponible.

Possibilités de contrôle qualité 

Le sondage sur les expériences d’exploitation faites avec le CAP [4] permet de formuler les recommandations suivantes:

• La teneur en eau doit être contrôlée dans tous les cas pour vérifier la qualité du CAP. Pour ce faire, la valeur doit être déterminée à 150 ° (conformément la norme DIN EN 12902) et non pas à 105 °C comme pour la détermination de la teneur en matière sèche des boues activées. Par ailleurs, la mesure de la teneur en cendres ou des résidus de calcination est utile car elle indique si  le produit est un charbon frais (5– 10%) ou réactivé (< 15%). Dans ce cas, il convient d’appliquer la norme DIN EN 12902 [4, 9].
• La principale mesure que nous recommandons est le contrôle du rendement d’épuration du CAP livré à l’aide d’un nouvel essai par agitation comparé au rendement de l’échantillon de CAP utilisé lors de l’essai par agitation initial. Cette comparaison demande du temps et ne peut pas être effectuée avant le déchargement du CAP. Il est donc généralement difficile de restituer du CAP de mauvaise qualité.
• Certains exploitants du Bade-Wurtemberg ont donc convenu par voie contractuelle des mesures de compensation pour le cas où les valeurs garanties ne seraient pas respectées. De cette manière, les résultats obtenus lors des essais par agitation peuvent entrainer des conséquences. Par souci d'équité, des rendements d’épuration du CAP plus élevés seraient également rémunérés [4].
• Les exploitants de la STEP de Herisau ont prélevé des échantillons de contrôle à chaque livraison et les ont comparés à l’échantillon initial à l’aide d’un essai par agitation en collaboration avec l’eawag. Dans l’exemple exposé dans la figure 9, la qualité des différents lots livrés est très similaire. Aucune valeur aberrante concernant la réduction du COD ou du ΔCAS₂₅₄ n’a été constatée.
• Pour les essais par agitation, un échantillon composite représentatif du nouveau CAP livré est nécessaire. Selon [4], l’installation d’un piquage à partir de la conduite de remplissage a fait ses preuves. Il serait également possible de prendre un échantillon de CAP avec un préleveur directement dans le camion ou au niveau de la vanne du camion.

BILAN

Le CAP permet d’éliminer les MP en toute fiabilité. Pour déterminer le rapport qualité/prix d’un produit, il est primordial d’estimer la quantité de CAP nécessaire pour atteindre le rendement d’épuration pour une eau usée spécifique. Par ailleurs, d’autres exigences telles que l’élimination du COD ou de substances isolées peuvent également jouer un rôle selon les STEP. Cela vaut donc la peine d’effectuer un essai par agitation avec les eaux usées concernées afin de déterminer le CAP optimal. Ce test fournira des informations sur le rendement d’élimination et donc également sur le dosage nécessaire, les coûts d’exploitation effectifs et les impacts environnementaux. Il est difficile de choisir un produit, lorsque la composition des eaux usées varie fortement en raison de déversements importants.

D’autres facteurs peuvent influencer la sélection du CAP tels que le prix, la rétention de CAP, le développement durable, les références, les conditions de livraison et la manipulation du CAP. Lors de l’appel d’offres, ces critères doivent être communiqués de manière transparente et claire.

Les observations faites par les exploitants de STEP dans le Bade-Wurtemberg montrent que la qualité d’un CAP peut varier d’une livraison à l’autre. Ils ont développé, notamment avec le soutien du KomS, des méthodes permettant de simplifier le contrôle qualité sur site et d’en réduire les coûts. Dans tous les cas, il est recommandé de prélever des échantillons de contrôle à chaque nouvelle livraison afin de vérifier les paramètres de qualité convenus par contrat, tels que la teneur en eau ou en cendres et, le cas échéant, de mesurer le taux d’épuration. Les exploitants de STEP suisses peuvent s’appuyer sur ces expériences grâce à des réseaux d’échange d’expériences désormais bien établis.

PERSPECTIVEs

Même s’il existe déjà des méthodes opérationnelles pour le maniement au quotidien du CAP, de nombreuses questions demeurent. Faut-il, par exemple, une description plus détaillée des exigences posées envers le CAP, peut-être même une sorte de certification analogue à celle du charbon végétal [27]? Quels sont les critères importants pour les exploitants de STEP lors de la sélection d’un CAP? Quelle importance les décideurs attachent-ils à un CAP issu de matières premières renouvelables? Ou seul le prix compte-t-il?

Ces questions et d’autres feront partie intégrante de discussions entre exploitants de STEP, fournisseurs, ingénieurs et chercheurs. La première réunion du groupe d’échange d’expériences «Charbon actif» qui s’est tenue en juin 2018, pose les bases d’un échange entre exploitants et ingénieurs en Suisse. Des réunions annuelles sont prévues durant lesquelles un espace sera prévu pour des exposés techniques de fabricants . Les personnes intéressées peuvent s’adresser à la plateforme «Techniques de traitement des micropolluants». Le réseau d’exploitants doit garantir un échange actif de connaissances.