Elimination des micropolluants organiques dans les eaux résiduaires urbaines par adsorption sur charbon actif : compréhension des processus et implications opérationnelles

• Durée de la thèse : Octobre 2016 à novembre 2019
• Soutenance de thèse : 21 novembre 2019
• Encadrement LEESU : Johnny Gasperi (directeur de thèse) et Julien Le Roux (co-encadrant)
• Collaborateurs SIAAP : Vincent Rocher et Romain Mailler (Direction Innovation)

→ Synthèse de la thèse de Ronan Guillossou
→ Thèse de Ronan Guillossou

Les stations de traitement des eaux usées sont l’une des principales sources de certaines familles de micropolluants organiques dans les milieux aquatiques récepteurs, telles que les résidus pharmaceutiques, les pesticides ou les additifs de formulation. La présence de ces molécules dans l’environnement soulève de nombreuses interrogations en raison de leur persistance et de leur potentiel effet négatif sur la qualité de l’eau, la faune et la flore. L’une des solutions envisagées pour limiter les rejets de micropolluants organiques est l’ajout d’une étape de traitement avancé aux stations de traitement des eaux usées, et parmi les principaux procédés figure l’adsorption sur charbon actif.

Ces travaux de thèse, menés en collaboration étroite avec la Direction Innovation du Syndicat Interdépartemental pour l’Assainissement de l’Agglomération Parisienne (SIAAP) dans le cadre de la phase 4 du programme OPUR, s’intéressent à l’élimination de micropolluants organiques des eaux résiduaires urbaines par adsorption sur charbon actif, avec trois objectifs :

1. examiner la pertinence du traitement avancé vis-à-vis du traitement conventionnel
2. améliorer l’élimination des micropolluants organiques à travers la compréhension fine du processus d’adsorption dans une matrice complexe et le couplage avec l’ozonation
3. évaluer le potentiel de nouveaux outils spectroscopiques pour la prédiction des performances d’adsorption sur charbon actif.

Cette thèse aborde la problématique de l’adsorption des micropolluants sur charbon actif à l’échelle du laboratoire et du pilote industriel. Cette double approche mène à des retombées à la fois d’un point de vue fondamental de compréhension des processus (adsorption sur charbon actif, ozonation) et d’un point de vue opérationnel (pertinence du traitement avancé, sélection d’un charbon actif adéquat, prédiction des performances d’un pilote industriel).

Le premier chapitre porte sur l’évaluation des bénéfices apportés par un traitement avancé par adsorption sur charbon actif par rapport à une filière de traitement conventionnelle. L’étude a été réalisée sur l’usine de Seine-Centre (Colombes, SIAAP) suivie d’un pilote industriel d’adsorption sur charbon actif en micro-grain et lit fluidisé (CarboPlus®, Saur). Les campagnes d’échantillonnage réalisées ont montré que le traitement primaire par décantation physico-chimique lamellaire n’était pas efficace pour éliminer les micropolluants organiques dissouts, tandis que le traitement biologique par biofiltration permettait d’éliminer les molécules biodégradables. Si le gain d’élimination propre au traitement avancé n’a pas été significatif (en proportion) pour les molécules déjà bien traitées sur l’usine, l’adsorption sur charbon actif permet de diminuer de manière significative leurs concentrations et ainsi de limiter l’impact sur le milieu récepteur. L’élimination propre au traitement avancé est importante pour les composés récalcitrants aux traitements conventionnels et permet d’atteindre des abattements globaux satisfaisants pour la majorité des molécules suivies. Ces résultats ont fait l’objet d’une publication internationale (https://hal-enpc.archives-ouvertes.fr/hal-01937641v1 [1]) et nationale (https://hal-enpc.archives-ouvertes.fr/hal-02267952v1 [2])

Le deuxième chapitre s’intéresse à l’influence des propriétés des charbons actifs et des micropolluants organiques et de la présence de matière organique dissoute (MOD) sur le processus d’adsorption. L’influence des propriétés chimiques, physiques et texturales de sept charbons actifs en micro-grain sur l’adsorption des micropolluants a tout d’abord été examinée. Un pourcentage de volume microporeux trop élevé s’est avéré défavorable à l’élimination de plusieurs molécules en raison d’un blocage de pores plus important engendré par l’adsorption de la MOD. L’adsorption des micropolluants ne dépend pas d’une seule de leurs propriétés mais plutôt d’une combinaison de propriétés incluant leur charge, leur hydrophobicité et leur aire de projection minimale. Le processus d’adsorption est défavorisé en présence de MOD, et le blocage des pores est le principal effet négatif engendré par l’adsorption de la MOD plutôt que la compétition pour les sites d’adsorptions. La charge des molécules a influencé leur abattement, les molécules négatives étant moins bien adsorbées que les molécules positives, en raison de la présence de MOD chargée négativement. Les micropolluants organiques et la MOD sont capables d’interagir en solution par la formation de complexes MOD-micropolluant, ce qui favorise indirectement l’élimination des micropolluants et permet de réduire les effets négatifs engendrés par la présence de MOD. Ces résultats ont fait l’objet de deux publications :
https://hal-enpc.archives-ouvertes.fr/hal-02394590v1 [3]
https://hal-enpc.archives-ouvertes.fr/hal-02433266v1 [4]

Le troisième chapitre porte sur l’étude du couplage entre l’ozonation et l’adsorption sur charbon actif en vue d’améliorer l’élimination des micropolluants organiques, particulièrement ceux réfractaires à l’adsorption. L’ozonation permet d’améliorer l’adsorption des micropolluants en diminuant l’adsorbabilité de la MOD, et donc le blocage des pores du charbon et la compétition pour les sites d’adsorption, mais seulement à de fortes doses. Ces fortes doses d’ozone sont cependant suffisantes pour éliminer la plupart des micropolluants à 99%, ce qui rend inutile l’utilisation ultérieure de charbon actif (mise à part l’élimination des sous-produits d’oxydation). A des doses d’ozone spécifiques moins élevées, les deux procédés sont apparus très complémentaires : l’ozonation est efficace pour éliminer les molécules peu adsorbables, tandis que les molécules réfractaires à l’ozone sont bien adsorbées. Un abattement satisfaisant (> 65% en moyenne) a été obtenu pour chaque micropolluant avec une dose d’ozone spécifique de 0,22 gO3/gCOD et une dose de charbon actif de 10 mg/L, mais les performances de l’étape d’ozonation sont très dépendantes de la qualité de l’effluent à traiter (présence de nitrite ou de MES). Ces résultats ont fait l’objet d’une publication : https://hal-enpc.archives-ouvertes.fr/hal-02400040v1 [5]

Le dernier chapitre de ce travail, de portée opérationnelle, a été consacré au développement d’outils de suivi des performances en examinant le potentiel de l’UV254 et de la fluorescence 3D pour la prédiction des performances d’élimination des micropolluants par adsorption sur charbon actif. Des indices de fluorescence issus de la littérature ainsi que des indices spécifiques au pilote industriel utilisé dans cette étude, développés à l’aide de l’algorithme PARAFAC, ont été utilisés pour interpréter les données de fluorescence. Des corrélations positives ont été trouvées entre l’abattement des micropolluants organiques et de certains indices de fluorescence, et le développement de régressions linéaires multiples a permis d’améliorer significativement la prédiction de l’élimination de la majorité des molécules suivies. Les indices spécifiques au pilote industriel se sont avérés plus précis que ceux de la littérature. Ces résultats ont démontré que la prédiction des performances d’élimination des micropolluants organiques par adsorption sur charbon actif est possible à l’aide de la fluorescence 3D. Une mesure de ce paramètre spectrométrique offre le potentiel d’un suivi en ligne pour le pilotage d’ouvrages de traitement.