Avec la mise en œuvre complète des « Standards pour la qualité de l'eau potable » (GB 5749-2022), les substances à l'origine d'odeurs telles que le 2-méthylisobornéol (2-MIB) et l'oxytétracycline, ainsi que les micropolluants de type antibiotique-tels que l'oxytétracycline, ont été inclus dans le champ d'application d'un contrôle strict. Les procédés conventionnels de coagulation-sédimentation-filtration-désinfection atteignent généralement un taux d'élimination total inférieur à 30 % pour ces deux types de matières organiques traces hydrophobes, ce qui n'est plus suffisant pour répondre à la double exigence de sécurité de la qualité de l'eau et de qualité sensorielle. Actuellement, les usines de traitement de l'eau domestique utilisent couramment du charbon actif en poudre (PAC) avant-pour le contrôle d'urgence/de routine des sources d'eau micro-polluées. Cependant, le procédé PAC unique présente des inconvénients tels qu'un temps d'adsorption limité, des interférences d'adsorption compétitives, des coûts de dosage élevés et une pénétration des polluants résiduels. L'ajout de charbon actif granulaire (GAC) à la surface du filtre pour former une série de processus de barrière de « pré-adsorption PAC + adsorption secondaire profonde GAC » devient progressivement la technologie dominante pour les usines de traitement de l'eau nouvellement construites, rénovées et agrandies afin de traiter les eaux micro-polluées complexes. Cet article analyse systématiquement les modèles d'élimination de l'oxytétracycline et du 2-MIB par un processus de charbon actif en deux étapes, en commençant par le mécanisme d'adsorption, la limite d'efficacité, les facteurs d'influence clés et le mécanisme de synergie d'ingénierie. Il fournit une base théorique et des solutions pratiques pour la mise à niveau des processus des usines de traitement de l'eau, la sélection des réactifs et l'optimisation opérationnelle, tout en envisageant l'orientation future du développement de processus intégrés tels que la pré-oxydation couplée et le charbon actif biologique (BAC).
I. Caractéristiques de pollution de l'oxytétracycline et du 2-MIB et goulots d'étranglement dans les processus d'élimination conventionnels
1.1 Caractéristiques moléculaires des polluants cibles
L'oxytétracycline (OTC) est un antibiotique polaire de la classe des tétracyclines-avec plusieurs groupes hydroxyle et amino dans sa molécule. Dans les plans d'eau naturels, il existe sous une forme zwitterionique et entre facilement en compétition pour l'adsorption avec la matière organique naturelle (MON) telle que l'acide humique par complexation.. 2-Le méthylisobornéol (2-MIB) est un odorisant non polaire, de faible-poids moléculaire-dérivé d'algues-avec un seuil d'odeur aussi bas que 2 à 10 ng/L, ce qui rend difficile l'utilisation conventionnelle. oxydants pour se minéraliser complètement. Les deux coexistent souvent dans les réservoirs et dans l’eau brute des rivières pendant la période estivale de forte prolifération d’algues, appartenant à la catégorie typique des « micropolluants traces et récalcitrants ».
1.2 Limites des processus conventionnels Les unités de coagulation, de sédimentation et de filtration éliminent principalement les polluants en suspension et liés macromoléculairement, atteignant des taux d'élimination de seulement 10 à 25 % pour le 2-MIB dissous et l'oxytétracycline. La pré-chloration et la-désinfection au chlore liquide en une seule étape génèrent facilement des sous-produits de désinfection et ont une efficacité d'oxydation limitée pour 2-MIB. La désinfection-du point final ne peut à elle seule assurer un contrôle conforme de ces deux types de substances ; une barrière à plusieurs niveaux doit être construite à l'aide de technologies de traitement en profondeur basées sur l'adsorption.
II. Efficacité d'élimination et mécanisme d'élimination du charbon actif en poudre (PAC) pour l'oxytétracycline et le 2-MIB
2.1 Mécanisme d'adsorption Le PAC réalise l'adsorption par le remplissage des micropores, les forces de Van der Waals, la conjugaison π-π et la liaison hydrogène : pour l'oxytétracycline, l'adsorption chimique et l'adsorption par complexation sont dominantes ; pour 2-MIB, le remplissage physique des micropores est dominant. La cinétique d'adsorption se conforme à un modèle de pseudo-seconde-ordre, et les isothermes suivent principalement le modèle de Freundlich. Le CAP lavé à l'acide à haute valeur-d'iode-à base de charbon-lavé à l'acide-, en raison de sa structure microporeuse bien développée-et de sa plus grande adaptabilité des groupes fonctionnels de surface, est supérieur au CAP à base de bois.
2.2 Efficacité réelle de suppression
Pour l'oxytétracycline : dans des conditions de test à petite échelle-, une dose de PAC de 75 mg/L a permis d'obtenir un taux d'élimination de plus de 99 % pour 1 mg/L d'oxytétracycline. En présence de COD de fond dans l'eau brute, les usines de traitement de l'eau peuvent contrôler les niveaux d'oxytétracycline en ug/L à des niveaux sûrs en ajoutant 1 à 35 mg/L. Cependant, l'adsorption compétitive par la NOM réduit la capacité d'adsorption de 30 à 50 %.
Pour le 2-MIB : Une dose de PAC de 15 à 30 mg/L et un temps de contact supérieur ou égal à 60 min ont permis d'obtenir un taux d'élimination de 40 % à 70 % pour ng/L de 2-MIB. La première heure d'adsorption est la phase d'adsorption rapide ; prolonger le temps de séjour dans la cuve de mélange améliore considérablement l'efficacité. Des niveaux élevés de chlore résiduel et de pH inhibent la capacité d’adsorption.
Lacunes du procédé : Le dosage initial est limité par le temps de séjour hydraulique. Pendant les périodes de forte croissance d'algues, la MON et les sécrétions d'algues occupent des sites d'adsorption, conduisant facilement à « une conformité initiale suivie d'une percée ultérieure ». Des dosages d'urgence importants augmentent la charge de boues et les coûts d'exploitation, et certains polluants faiblement adsorbés s'échappent avec les effluents du filtre.
III. Performance améliorée et efficacité indépendante de l'adsorption secondaire par charbon actif granulaire (GAC) à la surface du lit filtrant
3.1 Caractéristiques d’adsorption du CAG
GAC fonctionne dans une configuration en lit fixe-avec un temps de contact en lit vide (EBCT) de 10 à 20 minutes, permettant une diffusion lente et une adsorption profonde des traces résiduelles de 2-MIB et d'oxytétracycline dans l'effluent PAC. La couche de charbon actif biologique (BAC) formée au cours d'un fonctionnement à long terme produit simultanément des effets synergiques de dégradation microbienne et de régénération par adsorption. Lorsque GAC fonctionne seul, le taux d'élimination du 2-MIB peut atteindre 70 % à 80 % et le taux d'élimination de l'oxytétracycline à faible concentration est d'environ 50 % à 65 %, mais la capacité d'adsorption initiale est relativement faible et la période de démarrage est longue.
3.2 Avantages de la structure de filtre à double-couche
La pose d'une couche de GAC (filtre à sable de carbone) de 0,6 à 1,2 m sur le média filtrant à sable de quartz peut piéger les polluants colloïdaux qui ne sont pas entièrement adsorbés par le PAC, protéger la couche de filtre à sable sous-jacente et utiliser simultanément l'avantage du fonctionnement continu du filtre pour obtenir un traitement en profondeur stable à long terme. Le processus de lavage à contre-courant peut renouveler partiellement les sites d'adsorption sur la surface du GAC, prolongeant ainsi sa durée de vie.
IV. Effet de suppression synergique et paramètres de contrôle clés du processus de série de couches de filtre PAC pré- + GAC
4.1 Logique synergique de l'adsorption en deux -étapes
Classification de la charge : le PAC adsorbe rapidement la plupart des polluants à forte concentration-et entre en compétition avec les grosses molécules pour la matière organique à l'avant, réduisant ainsi la charge d'adsorption et le taux d'empoisonnement du CAG ; GAC effectue un « traitement fin » sur les substances cibles traces qui pénètrent, formant une barrière graduelle d'« adsorption grossière - adsorption fine ».
Amélioration de la qualité de l'eau : le PAC réduit la turbidité de l'influent et la MON, optimise la qualité de l'eau de l'influent du GAC et augmente la capacité d'adsorption unitaire du GAC pour le 2-MIB et l'oxytétracycline ; GAC retient la poudre fine de PAC, empêchant la poudre de carbone de pénétrer dans le réseau de pipelines.
Optimisation des coûts : la combinaison en deux -étapes peut réduire le dosage de PAC de 20 à 40 %, tout en prolongeant le cycle de régénération du GAC à 1 à 2 ans. Dans l'ensemble, son économie opérationnelle est supérieure aux processus PAC à dose unique élevée-ou GAC pur.
4.2 Facteurs clés affectant l’effet synergique
Sélection du PAC et point de dosage : ajoutez du PAC au réservoir de mélange/avant la floculation, en garantissant un temps de contact supérieur ou égal à 40 à 90 minutes ; privilégier les CAP de qualité eau potable avec un indice d'iode supérieur ou égal à 1000 mg/g et un indice de bleu de méthylène supérieur ou égal à 200 mg/g (avec un permis d'hygiène lié à l'eau).
Taille des particules GAC et épaisseur du lit filtrant : la pierre ponce broyée à base de charbon de 8 × 30 mesh- convient mieux au 2-MIB, le mesh de 12 à 20 convient aux antibiotiques ; EBCT supérieur ou égal à 12 min assure une élimination stable de l’oxytétracycline.
Conditions de qualité de l'eau : un pH neutre (6,5 à 8,5), un faible chlore résiduel et une pré-préoxydation modérée (O₃ 0,3 à 0,8 mg/L) peuvent encore améliorer le taux d'élimination synergique du processus en deux étapes-pour les deux types de substances à plus de 90 %.
4.3 Résumé des résultats des applications d'ingénierie
Des tests pilotes-à grande échelle et de production dans des usines de traitement de l'eau existantes montrent que la combinaison de PAC conventionnels (10 à 20 mg/L) et de CAG dans un filtre à sable au carbone permet d'obtenir un taux d'élimination total de 80 à 92 % pour le 2-MIB (10 à 100 ng/L) et de 85 à 95 % pour l'oxytétracycline (0,1 à 10 ug/L). Ceci est nettement supérieur aux niveaux de traitement d'un seul PAC (50 % à 70 %) ou d'un seul GAC (60 % à 75 %) et l'effluent peut répondre de manière stable aux exigences de la norme GB 5749-2022 et des futures normes plus strictes de contrôle des micropolluants.
V. Risques liés aux processus et stratégies d'optimisation de l'ingénierie
Saturation par adsorption et libération secondaire : établir un système d'alerte précoce révolutionnaire et de surveillance des odeurs/antibiotiques en ligne, utilisant des mécanismes de régénération ou de remplacement thermique ; standardiser l’élimination des boues CAP pour éviter le reflux des polluants.
Risques de biosécurité : pendant le fonctionnement du BAC, contrôler l'intensité et le cycle de lavage à contre-courant pour inhiber la prolifération excessive du biofilm et la génération de sous-produits métaboliques biologiques ; les points de post-désinfection garantissent que le chlore résiduel présent dans le réseau de pipelines répond aux normes.
Améliorations du couplage de processus : ajout d'une pré-oxydation de composite de permanganate ou d'une faible-dose d'ozone (O₃/H₂O₂) avant que le PAC n'obtienne des effets synergiques sur l'ensemble du processus de "dégradation oxydative-adsorption du PAC-traitement en profondeur GAC/BAC", élargissant encore le spectre d'élimination des polluants.
Conclusion et perspectives
Dans le contexte actuel de transformation de la sécurité de l'eau potable en Chine, passant d'un « approvisionnement en eau conforme » à un « approvisionnement en eau sain et de haute qualité », le pré-ajout de charbon actif en poudre combiné à l'adsorption de charbon actif granulaire dans le lit filtrant est une solution de contrôle de la micro-pollution efficace, flexible et économique, adaptée à la rénovation de la plupart des usines d'eau conventionnelles en Chine, présentant des avantages synergiques significatifs pour les micro-polluants coexistants tels que oxytétracycline et 2-MIB. Les futures technologies de traitement de l'eau évolueront vers « une adsorption précise, un dosage intelligent, une régénération in situ et un contrôle synergique de plusieurs polluants ». Grâce à de nouvelles technologies telles que la modification de la surface du charbon actif, le biocharbon fonctionnalisé et le couplage membrane-carbone, un système intégré de purification de l'eau sera construit pour lutter contre la pollution saisonnière complexe des sources d'eau, offrant ainsi une garantie technique plus solide pour la sécurité de l'eau potable urbaine et rurale.