Étude d'un procédé hybride charbon actif en poudre / ultrafiltration pour le traitement de l'eau potable

Au cours des dernières années, les changements dans la réglementation ont entraînés le développement et l'amélioration constante des connaissances dans le domaine de l'eau potable. Le resserrement des exigences a contribué à accentuer la compétitivité et l'intérêt pour la microfiltration (MF) et l'ultrafiltration (UF) comme alternatives aux procédés conventionnels. Toutefois, quoique très performantes pour l'enlèvement des matières particulaires et la plupart des colloïdes, ces technologies offrent une capacité limitée à éliminer les contaminants dissous tels que la matière organique dissoute (MOD) et l'ammoniac. En réponse à cette limitation, l'utilisation combinée de la filtration membranaire MF/UF et du charbon actif en poudre (CAP) semble être une solution prometteuse. L'avancement majeur de ce procédé hybride repose sur trois mécanismes fondamentaux; l'adsorption par le CAP, la biodégradation par les microorganismes attachés au CAP et l'enlèvement physique par les membranes. À ce jour, plusieurs chercheurs ont publié des résultats de recherche concluants sur les capacités d'adsorption du CAP. La présente étude s'est donc attardée à évaluer à l'échelle réelle les performances du procédé plutôt opéré en mode biologique, c'est-à-dire en favorisant la croissance de biomasse sur les particules de charbon. Les objectifs spécifiques de ces essais-pilotes étaient de vérifier les performances du système au niveau de l'enlèvement de la MOD et de l'ammoniac et l'applicabilité du procédé d'un point de vue opérationnel (flux, perméabilité, nettoyage). Un pilote industriel du CREDEAU a été utilisé pour ces essais. Le pilote était composé de deux bioréacteurs membranaires (procédé commercialisé sous le nom de OpalineB®) alimentés en parallèle à partir d'eau décantée-ozonée. Les modules de fibres creuses Puron en polyéthersulphone (surface spécifique de 10 m² et diamètre des pores de 0,05 µm) étaient installés en configuration immergée et aérés de manière à maintenir le CAP en suspension et minimiser le colmatage des membranes. Les deux bioréacteurs ont été opérés sur une période continue de 100 jours avec une concentration de 20 g/L de CAP PicahydroLP39 (25 µm) et des flux de filtration de 15, 30 et 45 L/m²/h. Pendant la période de suivi des essais, la température de l'eau alimentant les bioréacteurs a varié de 10 à 25°C. Les bioréacteurs ont été opérés à différent temps de rétention des solides (46 vs 100 jours), via le dosage de charbon frais. Les données d'opération du pilote (pression, débit température, pH) ont été enregistrées en continu sur un système SCADA, alors que les données de qualité ont été mesurées au laboratoire (COD, CODB, COA, N-NH3, UV254, THM, AHA) et en continu (COT, température, turbidité). Dans le cadre de ces essais, les résultats ont démontré que les bioréacteurs agissent comme une barrière filtrante très efficace pour l'enlèvement de la turbidité (< 0,04 UTN). En période initiale de fonctionnement, l'adsorption joue un rôle dominant et permet un enlèvement moyen maximal du COD (55%), de l'absorbance UV254 (55%) et du COR (45%). L'épuisement progressif de la capacité d'adsorption du charbon (0 à 30 jours) est compensé par l'acclimatation croissante d'une biomasse à l'intérieur des bioréacteurs. En condition dominante d'enlèvement biologique, on obtient un seuil d'enlèvement moyen minimal du COD (20%), de l'absorbance UV254 (18%) et du COR (12%), ainsi qu'un enlèvement moyen maximal du CODB (74%) et du COA (73%). Une nitrification complète a été observée après 30 jours d'opération en eau chaude. Par ailleurs, les résultats ont démontré que les bioréacteurs étaient également un procédé efficace pour réduire le risque de recroissance bactérienne en réseau de distribution. Autrement, le contrôle de l'âge des particules n'a pas eu d'effet significatif sur les performances du procédé en termes de qualité d'eau. Du point de vue opérationnel, il existe un flux d'opération (probablement compris entre 15 et 30 L/m²/h) pour lequel l'exploitation du procédé est optimale, mais ce flux n'a pas été identifié. Les particules de charbon frais n'ont pas d'impact sur le colmatage des membranes à court terme, mais le charbon colonisé forme des agrégats qui causent un important colmatage physique des membranes. Il apparaît nécessaire d'opérer à une concentration de charbon inférieure à 20 g/L ou de trouver une solution pour diminuer le colmatage physique (ex : amélioration des conditions d'agitation dans les modules) ou d'opérer le procédé à un âge de solides plus faible afin de prévenir la formation d'agrégats de CAP, tel qu'observé en mode biologique. En dernier lieu, le bon recouvrement des propriétés initiales des membranes (perméabilité) lors du lavage physique (>80%) indique que le colmatage est principalement de nature réversible. Le phénomène d'agrégation du charbon à l'intérieur des ballots de membranes apparaît comme la principale cause de ce colmatage et également la raison pour laquelle l'efficacité des lavages chimiques n'a pas pu être évaluée correctement. En conclusion, les systèmes hybrides CAP/membranes sont une alternative de traitement intéressante aux traitements conventionnels en raison de leur flexibilité à opérer dans un mode dominant d'adsorption ou de biodégradation. Combiné à la performance inégalée des membranes pour l'enlèvement de la matière organique particulaire, le procédé opéré en mode biologique semble une stratégie forte intéressante pour éliminer la pollution dissoute, tels que la matière organique dissoute (COD, CODB) et l'ammoniac.