Comment le charbon actif élimine la DBO et les TSS
Le charbon actif réduit la DBO et les MES grâce à deux mécanismes distincts mais complémentaires qui opèrent simultanément au sein d'un lit de charbon garni :
- Élimination de la DBO – adsorption. Les composés organiques dissous qui contribuent à la DBO (acides humiques, protéines, glucides, acides gras et produits chimiques organiques résiduels) sont capturés dans la structure des pores du carbone par adsorption physique. Ces molécules diffusent dans le réseau des micropores et des mésopores et y sont retenues par les forces de Van der Waals. La force motrice de l’adsorption est le gradient de concentration entre le liquide en vrac et la surface du carbone ; car les molécules organiques se lient aux sites actifs du charbon, plus diffusées depuis la phase liquide. Une réduction de la DBO de 60 à 90 % dans un lit CAG est typique pour les effluents secondaires, en fonction de la composition organique et de la dose de carbone ou du temps de contact du lit vide (EBCT).
- Élimination des TSS – filtration physique. La taille des matières en suspension dans les effluents d’eaux usées varie de 1 à 100 μm. Lorsque l'eau traverse le lit de carbone granulaire, ces particules sont piégées dans les espaces interstitiels entre les granules de carbone par contrainte mécanique (pour les particules plus grosses > 20 μm) et capture par contact avec la surface (pour les particules plus petites qui suivent les lignes d'écoulement proches de la surface des granules). L'élimination des TSS de 70 à 95 % est facilement réalisable dans un filtre GAC bien conçu, l'extrémité supérieure de la plage dépendant de la profondeur du lit et de la vitesse de filtration.
Une considération opérationnelle importante est qu'au fil du temps, les MES capturées s'accumulent dans le lit, augmentant la perte de charge et nécessitant éventuellement un lavage à contre-courant pour éliminer les solides accumulés de la couche de carbone. Un système GAC bien conçu pour le traitement tertiaire intégrera des cycles de lavage à contre-courant réguliers (généralement toutes les 24 à 72 heures, en fonction de la charge en solides) pour maintenir la capacité hydraulique tout en préservant la fonction d'adsorption du carbone pour l'élimination de la DBO.
Types de charbon actif recommandés pour l'élimination de la DBO/TSS
Pour le traitement tertiaire des eaux usées municipales et industrielles, le choix du charbon actif dépend de la configuration du système de polissage et de la qualité de l'effluent visée :
Charbon actif granulaire (GAC) — Recommandé pour les systèmes continus
Le GAC dans les colonnes à lit fixe à flux descendant ou ascendant est la configuration standard pour le polissage tertiaire DBO/TSS. Le charbon assure à la fois l'adsorption des matières organiques dissoutes et la filtration en profondeur des matières en suspension en une seule opération. Le GAC à base de coques de noix de coco est préféré pour sa dureté élevée (≥ 97 %), qui résiste à l'attrition lors des cycles de lavage à contre-courant, et sa faible teneur naturelle en cendres (≤ 5 %), qui minimise le lessivage des ions métalliques dans l'effluent traité. Les tailles de maille typiques sont 8×30 ou 12×40, équilibrant l’efficacité de la filtration avec la capacité hydraulique. Le CAG à base de charbon est une alternative plus économique pour les grandes usines où la charge en MES est modérée et la fréquence de lavage à contre-courant est gérable.
Charbon actif en poudre (PAC) — Pour le polissage par lots ou saisonnier
Le PAC peut être dosé directement dans le clarificateur final ou dans un réservoir de contact lorsque le polissage de la DBO n'est nécessaire que périodiquement (par exemple, variations saisonnières de charge) ou lorsque l'infrastructure existante ne peut pas accueillir les colonnes CAG. Un dosage de PAC de 10 à 100 mg/L est typique, des doses plus élevées étant requises pour les eaux usées contenant des fractions de DBO solubles élevées. Cependant, le PAC ne permet pas à lui seul d’éliminer les MES et doit être associé à une étape de clarification ou de filtration en aval.
Spécifications typiques pour le polissage des eaux usées GAC
Le tableau ci-dessous résume les spécifications recommandées pour le charbon actif granulaire utilisé dans le service d'élimination de la DBO et des MES :
| Paramètre | GAC à coque de noix de coco | CAG à base de charbon |
|---|---|---|
| Indice d'iode (mg/g) | ≥ 1 000 | ≥ 900 |
| Taille du maillage | 8×30 ou 12×40 | 8×30 ou 8×40 |
| Taille efficace (mm) | 0,55-0,80 | 0,55 à 0,95 |
| Coefficient d'uniformité | ≤ 1,9 | ≤ 2,1 |
| Dureté (%) | ≥ 97 | ≥ 93 |
| Contenu en cendres (%) | ≤ 5 | ≤ 12 |
| Densité apparente (kg/m3) | 450-530 | 520-620 |
Paramètres clés de conception et de fonctionnement
Les performances d'un système GAC pour l'élimination de la DBO et des MES dépendent de plusieurs variables de conception et de fonctionnement qui doivent être adaptées aux caractéristiques spécifiques des eaux usées et aux objectifs de traitement :
- Temps de contact avec le lit vide (EBCT). Le paramètre de conception le plus critique. Pour l’élimination de la DBO, un EBCT de 15 à 40 minutes est typique pour le polissage des effluents secondaires. Les EBCT plus longs assurent une adsorption plus complète des molécules organiques à diffusion lente mais nécessitent des récipients plus grands. L'élimination des TSS est moins sensible à l'EBCT et dépend davantage de la profondeur du lit et de la vitesse de filtration.
- Vitesse de filtration (taux de chargement linéaire). Généralement 5 à 15 m/h (2 à 6 gpm/ft2) pour filtres GAC à écoulement gravitaire ou sous pression. Des vitesses plus élevées augmentent le débit mais réduisent l'efficacité de la capture des TSS et accélèrent le développement des pertes de charge. Pour les applications à dominante TSS, des vitesses plus faibles (5 à 8 m/h) sont recommandées.
- Profondeur du lit. Minimum 1,5 à 2 mètres pour l'élimination combinée de la DBO/TSS. Des lits plus profonds offrent un temps de contact plus long pour l'adsorption et une capacité de rétention des solides plus longue avant qu'un lavage à contre-courant ne soit nécessaire. La profondeur pratique maximale est de 3 à 4 mètres dans les colonnes à écoulement descendant à un étage.
- Fréquence et intensité du rétrolavage. Pour les lits GAC chargés de TSS, un lavage à contre-courant toutes les 24 à 72 heures est typique. Lavage à contre-courant à une expansion du lit de 30 à 50 % (taux de montée d'eau de 8 à 15 m/h) pendant 10 à 15 minutes, suivi d'un bref rinçage au débit de fonctionnement. L’eau de lavage à contre-courant doit être de l’eau usée traitée ou de l’eau propre pour éviter de recontaminer le lit.
- Durée de vie du carbone. En service DBO/TSS tertiaire, le CAG dure généralement 12 à 24 mois avant que la capacité d'adsorption de la DBO soluble ne soit épuisée et que le carbone doive être remplacé ou réactivé. L'élimination des TSS se poursuit même après l'épuisement de la capacité d'adsorption, car le carbone granulaire continue de fonctionner comme un média filtrant en profondeur.
Élimination de la DBO/TSS dans les programmes de traitement intégrés
La configuration la plus courante pour le charbon actif dans l'élimination de la DBO/TSS est celle d'un étape de polissage tertiaire après un traitement biologique secondaire. Dans ce rôle, le lit de carbone gère une DBO d'entrée de 10 à 40 mg/L et des TSS de 10 à 60 mg/L, produisant des effluents avec une DBO et des TSS constamment inférieures à 10 mg/L (souvent inférieures à 5 mg/L pour des systèmes bien conçus). Cette qualité convient au rejet dans les eaux réceptrices sensibles, à la réutilisation dans des applications de refroidissement ou de traitement industriel, ou à l'alimentation en membranes d'osmose inverse pour une récupération avancée de l'eau.
Dans certaines configurations, du charbon actif en poudre est ajouté directement à l’étape de traitement biologique (le procédé PACT), où le charbon adsorbe les composés organiques inhibiteurs et améliore la sédimentation de la biomasse. Cette approche peut améliorer l’élimination de la DBO au stade biologique lui-même, mais ne remplace pas la nécessité d’une étape finale de polissage pour le contrôle des MES.
Conclusion
Le charbon actif est une solution éprouvée et pratique pour réduire la DBO et les MES dans le traitement des eaux usées, servant d'étape de polissage tertiaire fiable qui comble l'écart entre les performances du traitement biologique et les exigences réglementaires en matière de rejet. Le charbon actif granulaire dans des colonnes à lit fixe combine l'adsorption de composés organiques solubles avec une filtration en profondeur des matières en suspension en une seule opération, produisant des effluents qui répondent systématiquement aux limites de rejet de DBO et de MES les plus strictes. Zhulin Carbon fournit des qualités GAC à base de noix de coco et de charbon spécialement formulées pour les applications de polissage des eaux usées, avec une dureté élevée pour une durabilité de lavage à contre-courant, des tailles de maille appropriées pour les performances hydrauliques et des indices d'iode et de mélasse certifiés pour une adsorption organique prévisible. Contactez-nous via le formulaire de demande ci-dessous pour obtenir les fiches techniques des produits, les prix ou pour discuter de la sélection optimale de carbone pour les objectifs spécifiques de qualité des effluents de votre usine de traitement.
