Article technique

03. janvier 2022

Filtres à CAG pour l’élimination des micropolluants

Expériences et résultats des études pilotes dans les STEP de Furt/Bülach et Glarnerland

Des études approfondies sur l'élimination des micropolluants au moyen de charbon actif granulé (CAG) ont été menées entre 2014 et 2019 dans les stations d'épuration de Furt/Bülach et de Glarnerland de l'association des eaux usées du Glarnerland (AVG, Bilten). L'objectif était d'évaluer la faisabilité, l'efficacité et la rentabilité du procédé dans des conditions pratiques suisses. La conclusion des deux projets de recherche est que la filtration par CAG convient à l'élimination des micropolluants conformément à la législation suisse. Le procédé est techniquement et économiquement réalisable et s'est avéré adapté à la pratique.

Marc Böhler, Adriano Joss, Christa S. McArdell,

Les études pilotes menées à la STEP de Furt/Bülach (fig. 1 et 2) et à la STEP du Glarnerland (fig. 3 et 4) montrent que le procédé de filtration à lit fixe sur charbon actif granulé (CAG) permet d’éliminer efficacement les micropolluants des eaux usées communales, conformément aux exigences légales suisses. La filtration par CAG est techniquement et économiquement réalisable et s’est avérée adaptée à la pratique. Les performances d’élimination obtenues et les durées de vie ou les volumes de lit atteints montrent que le besoin spécifique en charbon actif est comparable aux procédés d’application CAP. En plus, le procédé a une empreinte carbone nettement meilleure que les procédés du CAP en raison de la possibilité de réactiver le charbon actif utilisé. Une activation est réalisable en Suisse.

Paramètre central - temps de contact

Un paramètre important pour la conception et l’efficacité de la filtration CAG est le temps de contact des eaux usées dans le lit filtrant CAG (empty bed contact time, EBCT; fig. 5). Celui-ci ne devrait pas être inférieur à 20 minutes au débit maximal. Si un filtre CAG est utilisé comme un filtre à sable pendant 10 à 15 minutes, on se trouve très rapidement en dessous du seuil de performance d’élimination requis. Par temps de pluie, la capacité d’épuration peut être réduite (fig. 6). Ce dimensionnement plutôt généreux d’au moins 20 minutes d’EBCT est à l’heure actuelle raisonnable, du moins pour les premières installations à grande échelle en Suisse.

Durées de vie des cellules de filtration

Pour les STEP de Furt et de Bülach, des durées de vie d'environ 20 000 à 30 000 volumes de lit ont étés estimées, soit environ 1,5 à 2 ans pour une seule cellule (fig. 7). Cela tient compte du renouvellement échelonné dans le temps du CAG: les cellules CAG «fraîches» présentent une capacité d'élimination supérieure à 80%, ce qui permet ainsi l'exploitation des cellules déjà partiellement saturées ayant une capacité d'élimination inférieure à l'objectif de qualité. La durée de vie des CAG sur les sites considérés est fortement influencée par la teneur en COD de l’alimentation de la filtration.

Combinaison d'une pré-ozonation avec la filtration CAG

Pour certaines STEP, une pré-ozonation peut s’avérer judicieuse. Une faible dose d’ozone spécifique (par exemple 0,2 gO₃/gCOD en tant que pré-ozonation augmente nettement la durée de vie des CAG par rapport à la simple filtration des CAG. Le délai jusqu’au remplacement des CAG peut ainsi être nettement prolongé. De plus, l’ozonation peut compenser les baisses de performance intermédiaires du CAG (par exemple par temps de pluie), ce qui présente des avantages opérationnels.

Informations complémentaires

Des détails complets sur les expériences et les résultats des projets sont disponibles dans les rapports finaux des projets [8, 9].

Les principales indications pour la planification et la conception de tels filtres à CAG ont été résumées dans un document de synthèse «Notice explicative pour la planification et le dimensionnement de filtres à CAG rétrolavés discontinuellement pour l'élimination des composés traces organiques dans les eaux usées communales» Ce document résume l’état actuel des connaissances sur la base des résultats obtenus dans les études pilotes ainsi que des résultats d'un workshop sur la filtration sur charbon actif en grains qui s’est tenu le 9 décembre 2019 à l’Eawag.

Les rapports, le document de synthèse ainsi que d'autres documents relatifs à ce domaine sont mis à disposition dans la bibliothèque de l'Eawag et sur le site Internet de la plateforme VSA «Techniques de traitement des micropolluants» (www.micropoll.ch).

Bibliographie

[1] Böhler, M. A. et al. (2019): Kann die Kohle nachhaltig sein? – Einsatz von Aktivkohle zur Elimination von Spurenstoffen aus kommunalem Abwasser. In: M. Wessling & J. Pinnekamp (Eds.), 13. Aachener Tagung Wassertechnologie. Verfahren der Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung (pp. 51–62). Aachen: RWTH Aachen

[2] Gulde, R. et al. (2021): Spurenstoffe in der Ozonung: Bildung von Transformationsprodukten und ihr Verhalten in der biologischen Sandfiltration. Aqua & Gas 12/2021: 20–28

[3] Gulde, R. et al. (2021): Formation of transformation products during ozonation of secondary wastewater effluent and their fate in post-treatment: From laboratory- to full-scale. Water Research 200: 117200.

[4] Fundneider, T. (2020): Filtration und Aktivkohleadsorption zur weitergehenden Aufbereitung von kommunalem Abwasser – Phosphor- und Spurenstoffentfernung. Dissertation, Technische Universität Darmstadt. DOI: 10.25534/tuprints-00012020

[5] Austermann-Haun, U. et al. (2018): Pilotanlage Ozon + BAK (zweite Laufzeitphase) auf der Kläranlage Detmold. Abschlussbericht, gerichtet an das Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen

[6] Benstöm, F. et al. (2016): Leistungsfähigkeit granulierter Aktivkohle zur Entfernung organischer Spurenstoffe aus Abläufen kommunaler Kläranlagen. Ein Überblick über halbtechnische und volltechnische Untersuchungen – Teil 1: Veranlassung, Zielsetzung und Grundlagen. Korrespondenz Abwasser, Abfall 63(3): 187–192

[7] Benstöm, F. et al. (2016): Leistungsfähigkeit granulierter Aktivkohle zur Entfernung organischer Spurenstoffe aus Abläufen kommunaler Kläranlagen. Ein Überblick über halbtechnische und volltechnische Untersuchungen – Teil 2: Methoden, Ergebnisse und Ausblick. Korrespondenz Abwasser, Abfall 63(4): 267–289

[8] Böhler, M. et al. (2020): Elimination von Spurenstoffen durch granulierte Aktivkohle-Filtration (GAK): Grosstechnische Untersuchungen auf der ARA Furt, Bülach. Schlussbericht Eawag, Dübendorf, Schweiz

[9] McArdell, C.S. et al. (2020): Pilotversuche zur erweiterten Abwasserbehandlung mit granulierter Aktivkohle (GAK) und kombiniert mit Teilozonung (O₃/GAK) auf der ARA Glarnerland (AVG). Ergänzende Untersuchungen zur PAK-Dosierung in die biologische Stufe mit S-select®-Verfahren in Kombination mit nachfolgender GAK. Schlussbericht Eawag, Dübendorf, Schweiz

[10] Böhler M. et al. (2020): Notice explicative pour la planification et le dimensionnement de filtres à CAG rétrolavés discontinuellement pour l’élimination des composés traces organiques dans les eaux usées communales. Document de synthèse suite au workshop du 9.12.2019 à l’Eawag, Eawag et VSA, Dübendorf

[11] Böhler, M. et al. (2017): Projekt ReTREAT – Untersuchungen zur biologischen Nachbehandlung nach Ozonung. Aqua & Gas 5/2017: 54-63

[12] Bourgin, M. et al. (2018): Evaluation of a full-scale wastewater treatment plant upgraded with ozonation and biological post-treatments: Abatement of micropollutants, formation of transformation products and oxidation by-products. Water Research 129: 486-498. doi.org/10.1016/j.watres.2017.10.036

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