La demande chimique en oxygène (DCO) est l'un des indicateurs de qualité de l'eau les plus couramment utilisés dans le traitement des eaux usées industrielles et municipales. Des niveaux élevés de DCO indiquent généralement une présence importante de matières organiques oxydables dans l'eau ; par conséquent, la réduction de la DCO constitue un objectif majeur pour de nombreux systèmes de traitement des eaux usées.
Le charbon actif est largement utilisé pour le traitement avancé des eaux usées et la réduction de la DCO grâce à sa structure poreuse très développée, à sa grande surface spécifique et à sa capacité à adsorber divers polluants organiques. En particulier à la suite de procédés tels que le traitement biologique, la coagulation-sédimentation ou d’autres formes de prétraitement, le charbon actif permet d’éliminer davantage les composés organiques récalcitrants résiduels, les substances responsables de la couleur, les phénols, les composés aromatiques et d’autres matières organiques dissoutes, ce qui permet d’obtenir une réduction supplémentaire de la DCO des effluents.
Qu'est-ce que la DCO dans les eaux usées ?
Dans le domaine du traitement des eaux usées, la DCO est couramment utilisée pour évaluer la charge totale en polluants organiques présents dans l'eau. Une valeur de DCO élevée indique généralement la présence d'une plus grande quantité de substances oxydables nécessitant un traitement supplémentaire. Cependant, la DCO est un indicateur composite et non une substance chimique unique et spécifique.
Par exemple, la DCO présente dans les eaux usées peut provenir principalement :
• acides organiques de faible poids moléculaire ;
• sucres et alcools ;
• phénols ;
• composés organiques aromatiques ;
• colorants ;
• tensioactifs ;
• substances humiques ;
• composés organiques dérivés du pétrole ;
et les composés organiques réfractaires (non biodégradables).
Par conséquent, lorsqu'on évalue l'efficacité de l'élimination de la DCO par le charbon actif, on ne peut pas simplement partir du principe qu'une DCO initiale plus élevée nécessite un dosage plus important de charbon actif pour obtenir une réduction plus importante de la DCO. Ce qu'il faut réellement comprendre, c'est la composition spécifique de la matière organique contribuant à la DCO et quelle fraction de cette matière peut être efficacement adsorbée par le charbon actif.
Comment le charbon actif élimine-t-il la DCO ?
Le principal mécanisme par lequel le charbon actif élimine la DCO est l'adsorption. Lors de son activation, le charbon actif développe une structure composée d'un grand nombre de micropores et de mésopores, ainsi que de quelques macropores. Lorsque les molécules organiques présentes dans l'eau pénètrent dans les particules de charbon actif, elles sont retenues au sein du matériau grâce à des interactions de surface et à la structure poreuse de celui-ci.
Le processus global peut être résumé comme suit : polluants organiques présents dans les eaux usées → surface du charbon actif → intérieur des pores → adsorption → réduction de la teneur en matières organiques dans l'eau → diminution de la DCO.
Deuxièmement, outre la réduction de la DCO, le charbon actif permet de diminuer simultanément les concentrations de :
• couleur ;
• le phénol et les composés phénoliques ;
• composés organiques aromatiques ;
• certains tensioactifs ;
• certains composés organiques réfractaires ;
• certaines substances à l'origine d'odeurs ;
ainsi que certaines traces de polluants organiques.
Par conséquent, dans le traitement de certaines eaux usées industrielles, l'utilisation du charbon actif ne vise pas uniquement à réduire la DCO ; elle répond en effet à un double objectif : une élimination avancée de la DCO, ainsi que l'élimination de la couleur et de certains polluants organiques spécifiques.
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PAC et GAC pour l'élimination de la DCO
Les charbons actifs utilisés pour l'élimination de la DCO comprennent principalement le PAC (charbon actif en poudre) et le GAC (charbon actif granulaire).
Charbon actif en poudre pour l'élimination de la DCO
En raison de la petite taille de ses particules, le PAC présente généralement une cinétique de transfert de masse rapide. Pour les eaux usées présentant d'importantes fluctuations de la DCO, le dosage du PAC peut être ajusté en fonction des niveaux de DCO à l'entrée, de la composition des polluants et des résultats expérimentaux.
Le PAC est particulièrement adapté à :
• Traitement avancé des eaux usées industrielles ;
• Gestion des pics soudains de DCO ;
• Gérer les variations saisonnières de la qualité de l'eau ;
• Traitement ultérieur à l'issue des processus biologiques ;
• Eaux usées nécessitant une adsorption rapide ;
• Systèmes nécessitant l'élimination simultanée de la couleur et des polluants organiques.
Cependant, comme le PAC doit être séparé de l’eau après utilisation, il est généralement associé à des traitements en aval tels que la coagulation, la sédimentation ou la filtration. De plus, l'augmentation du dosage de PAC ne donne pas toujours de meilleurs résultats ; à mesure que le dosage augmente, l'efficacité de l'élimination de la DCO présente généralement des rendements décroissants. Si le niveau de DCO cesse de baisser malgré de nouvelles augmentations du dosage de PAC, cela suggère que les eaux usées peuvent contenir une forte proportion de DCO à faible capacité d'adsorption, ou que le système est limité par d'autres facteurs contraignants.
| Paramètre | Valeur typique |
|---|---|
| Matière première | À base de charbon (bitumineux/lignite) |
| Indice d'iode | 800 à 1 000 mg/g (généralement 900) |
| Taille des particules | Mailles de 200 (≥90% jusqu'à 75 μm) ; mailles de 325 pour une cinétique plus rapide |
| Teneur en cendres | ≤10–151 TP3T (à base de charbon) |
| Humidité | ≤5% |
| pH | 8–11 |
| Densité apparente | 400 à 550 g/L |
| Surface spécifique (BET) | 900 à 1 100 m²/g |
| Taux d'élimination de la DCO | 30–70% (généralement 40–60%) |
Charbon actif granulaire pour l'élimination de la DCO
Le GAC est particulièrement adapté à une utilisation dans des adsorbeurs à lit fixe ou des filtres à charbon actif. Lorsque les eaux usées traversent le lit de charbon actif, les polluants organiques dissous passent progressivement de l'eau à l'intérieur des particules de charbon actif.
L'un des principaux avantages du charbon actif en granulés (CAG) réside dans sa capacité à fonctionner en continu, ce qui le rend particulièrement adapté à des séquences de traitement telles que : traitement biologique → adsorption sur CAG → rejet final/réutilisation de l'eau.
Pour les eaux usées industrielles présentant des teneurs en DCO relativement stables, le charbon actif granulé (CAG) peut servir de barrière finale pour l'élimination avancée des matières organiques. De plus, les systèmes à lit fixe permettent de déterminer la durée de vie effective du charbon actif en surveillant la DCO à l'entrée et à la sortie du système afin d'établir une courbe de percée.
| Paramètre | Valeur typique |
|---|---|
| Matière première | À base de charbon (bitumineux) : le plus courant |
| Indice d'iode | 900 à 1 100 mg/g |
| Taille des particules | mailles 4×8, 6×12, 8×30 |
| Taille effective | 0,8 à 1,2 mm (à base de charbon) |
| Coefficient d'uniformité (UC) | ≤ 2,0 |
| Dureté (méthode « ball-pan ») | ≥90–95% |
| Teneur en cendres | ≤8–12% (à base de charbon) |
| Humidité | ≤5% |
| Densité apparente | 450 à 550 g/L |
| Taux d'élimination de la DCO | 40–70% (généralement 50–60%) |
Conclusion
Dans les processus de traitement des eaux usées industrielles et de purification de l'eau, le charbon actif joue un rôle essentiel dans le respect des normes de qualité de l'eau. Il élimine les contaminants organiques réfractaires — notamment les polluants organiques solubles, les colorants résiduels, les composés phénoliques, les matières grasses et les composés organiques résistants à la dégradation biochimique — présents dans les eaux usées industrielles, améliorant ainsi efficacement la qualité des effluents et atténuant les problèmes opérationnels courants tels que les rejets excessifs de DCO et les résultats de traitement des eaux usées inférieurs aux normes, provoqués par des impuretés organiques persistantes.
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