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

par Ronan Guillossou

Thèse de doctorat en Sciences et Techniques de l'Environnement

Sous la direction de Johnny Gasperi.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de SIE - Sciences, Ingénierie et Environnement , en partenariat avec LEESU - Laboratoire Eau Environnement et Systèmes Urbain (laboratoire) .


  • Résumé

    Les stations de traitement des eaux usées sont l'une des principales sources de micropolluants organiques dans les milieux aquatiques récepteurs. 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 s'intéressent à l'élimination de micropolluants organiques des eaux résiduaires urbaines par adsorption sur charbon actif. Le premier chapitre de ce manuscrit 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). Le traitement primaire n'est pas efficace pour éliminer les micropolluants organiques, tandis que le traitement biologique permet d'éliminer les molécules biodégradables. Si le gain d'élimination propre au traitement avancé n'est pas significatif pour les molécules déjà bien traitées sur l'usine, l'élimination propre au traitement avancé est importante pour les composés récalcitrants aux traitements conventionnels et permet d'atteindre des abattements globaux satisfaisants. 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. Un pourcentage de volume microporeux trop élevé s'avère défavorable à l'élimination de plusieurs molécules en raison d'un blocage de pores plus important engendré par l'adsorption de la MOD. Le processus d'adsorption est défavorisé en présence de MOD, et le blocage de pores est le principal effet négatif engendré par l'adsorption de la MOD plutôt que la compétition pour les sites d'adsorption. Les molécules négatives sont 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. 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. L'ozonation permet d'améliorer l'adsorption des micropolluants en diminuant l'adsorbabilité de la MOD mais seulement à de fortes doses. A des doses d'ozone spécifiques moins élevées, les deux procédés sont 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) est 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). Le dernier chapitre de ce travail est 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 corrélations positives sont observées entre l'abattement des micropolluants organiques et de certains indices de fluorescence, et le développement de régressions linéaires multiples permet d'améliorer significativement la prédiction de l'élimination de la majorité des molécules suivies. Ces résultats démontrent que la prédiction des performances d'élimination des micropolluants organiques par adsorption sur charbon actif est possible à l'aide de la fluorescence 3D.

  • Titre traduit

    Removal of organic micropollutants in urban wastewater by activated carbon adsorption: understanding of processes and operational implications.


  • Résumé

    Wastewater treatment plants are one of the main sources of organic micropollutants in receiving aquatic systems. One of the solutions considered to limit the release of organic micropollutants is the addition of an advanced treatment step at wastewater treatment plants (WWTP), and one of the main processes is activated carbon adsorption. This work focuses on the elimination of organic micropollutants from urban wastewater by adsorption on activated carbon. The first chapter of this manuscript deals with the evaluation of the benefits of advanced activated carbon adsorption treatment compared to a conventional treatment. The study was carried out at the Seine-Centre WWTP (Colombes, SIAAP) followed by an industrial pilot for adsorption on activated carbon in micro-grain and fluidized bed (CarboPlus®, Saur). Primary treatment is not effective in removing organic micropollutants, while biological treatment removed biodegradable molecules. While the elimination gain provided by the advanced treatment is not significant for molecules already well treated on the WWTP, the elimination specific to advanced treatment is particularly important for compounds that are recalcitrant to conventional treatments and makes it possible to achieve satisfactory overall removals. The second chapter focuses on the influence of the properties of activated carbons and organic micropollutants and the presence of dissolved organic matter (DOM) on the adsorption process. A high percentage of microporous volume is unfavorable to the elimination of several molecules due to a higher pore blockage effect caused by DOM adsorption. The adsorption process is disadvantaged in the presence of DOM, and pore blockage is the main negative effect caused by DOM adsorption rather than competition for adsorption sites. Negative molecules are less adsorbed than positive molecules due to the presence of negatively charged DOM. Organic micropollutants and DOM are able to interact in solution by forming DOM-micropollutant complexes, which indirectly promotes the elimination of micropollutants and reduces the negative effects caused by the presence of DOM. The third chapter deals with the study of the coupling between ozonation and activated carbon adsorption in order to improve the removal of organic micropollutants. Ozonation improves the adsorption of micropollutants by reducing the adsorbability of DOM but only at high doses. At lower specific ozone doses, the two processes are complementary: ozonation is effective in removing poorly adsorbable molecules, while ozone-refractory molecules are well adsorbed. A satisfactory removal of all micropollutants (> 65% on average) is obtained with a specific ozone dose of 0.22 gO3/gCOD and an activated carbon dose of 10 mg/L, but the performance of the ozonation step is highly dependent on the quality of the effluent to be treated (presence of nitrite or suspended solids). The last chapter of this work is devoted to the development of performance monitoring tools by examining the potential of UV254 and 3D fluorescence for predicting the removal performance of micropollutants by adsorption on activated carbon. Positive correlations are found between the abatement of organic micropollutants and some fluorescence indexes, and the development of multiple linear regressions significantly improves the prediction. These results demonstrate the good potential of 3D fluorescence indexes to predict the removal performance of organic micropollutants by activated carbon adsorption.