Impacts des conditions d'exploitation sur les performances des filtres au charbon actif biologique

L'usine de Sainte-Rose, située à Laval, Qc, utilise une filtration biologique depuis 1986. En 1997, une chloration a été mise en place en amont des 6 filtres au charbon actif biologique (CAB) dans le but de diminuer l'entretien de la station de pompage de relèvement localisée à la suite de l'étape de postozonation mais en amont de la filtration CAB. Typiquement, une dose de 0,3 mg Cl2/L est ajoutée à la sortie des tours de contact d'ozone. Par ailleurs, le charbon présent dans les filtres de cette usine n'a pas été changé depuis de nombreuses années ce qui est également le cas de la majorité des usines où la filtration biologique est utilisée. L'objectif général de ce projet était donc d'étudier l'impact de divers paramètres d'exploitation pouvant mener à une baisse d'efficacité de la filtration biologique afin de mieux comprendre les baisses de performance des filtres CAB observées à l'usine de Sainte-Rose. L'impact d'une chloration en amont des filtres CAB sur leurs performances biologiques a été étudié ainsi que l'impact de la durée d'utilisation du charbon. Pour réaliser ces études, une validation de la représentativité des études effectuées à l'échelle pilote a préalablement été effectuée. Dans le but de répondre à ces objectifs, une étude sur pilote a été menée. Ce pilote était composé de 4 colonnes de 5 cm (2 po.) fonctionnant avec un temps de contact de 11 min. Différents médias et différents affluents ont permis d'établir des comparaisons entre les performances biologiques de filtres contenant des charbons d'âges différents (1, 15 et 20 ans). Les performances d'une colonne avec un affluent chloré ont également été suivies. Les principaux paramètres suivis étaient le carbone organique total (COT), le carbone organique dissous biodégradable (CODB), l'azote ammoniacal, la demande en chlore (24h) et les précurseurs de THM. Des analyses de la colonisation de la surface des charbons ont également été effectuées grâce à la mesure de l'activité des bactéries hétérotrophes et des bactéries nitrifiantes. Une comparaison entre les performances d'une colonne pilote et d'un filtre industriel a été réalisée. L'écart entre les performances des enlèvements de COT du filtre et de la colonne est resté relativement constant au cours de la période de suivi (entre 0,03 et 0,09 mg/L). L'abattement moyen du filtre de l'usine était toutefois légèrement supérieur. La différence de temps de contact en fût vide (TCFV) entre la colonne pilote (11 min) et le filtre de l'usine (17,9 min) pourrait être la cause de cette différence. Aucune différence significative entre la colonne et le filtre pour l'enlèvement de CODB (> 40%) n'a été observée.

Abstract

The water treatment plant of Sainte-Rose, Laval, QC, has been using biological filtration since 1986. In 1997, chlorination has been introduced upstream of six biofilters in order to reduce maintenance costs of the pumping station, which follows post-ozonation. Typically, a dose of 0.3 mg Cl2/L is added at the output of the ozone contact towers and the granular activated carbon (GAC) in the filters have not been changed for many years, as many other treatment plants where biological filtration is used. The main objective of this project was to study the impact of various operating parameters on biological performances of the filters in order to understand why CAG filters efficiency has declined in recent years in the Sainte-Rose water treatment plant. The effects of a pre-chlorination of the biofilters on their biological performance and the effects of the carbon's age on its efficiency for the removal of biodegradable compounds were also studied in this project. A comparison between a full-scale biofilter and a filtration column in a pilot unit has been performed in order to validate the results. The pilot used for these tests was made of four columns (2 in.) with an empty bed contact time (EBCT) of 11 min. Three granular activated carbons of different ages (1, 15 and 20 years) were tested in filtration columns in this pilot unit to compare their biological performances. The performance of a column supplied with a chlorinated influent was also followed. The main parameters taken into account were total organic carbon (TOC), biodegradable dissolved organic carbon (BDOC), ammonia nitrogen, chlorine demand (24) and THM-UFC. The analytical monitoring that were also made included solid analysis of the carbon colonization with the measurement of the potential nitrifying and heterotrophic activities. These measurements were made in order to determine which carbon gives the better water quality and to evaluate the effects of chlorination on the filtration performances. The comparison between a column and an industrial filter gave the following results: the difference between both concerning TOC removal remained relatively constant during the monitoring period (between 0.03 and 0.09 mg / L) but TOC removal of the full-scale filter was slightly higher. The difference between the EBCT of the column (11 min) and the filter plant (17.9 min) could be the origin of this difference. No significant difference between both for the BDOC removal (> 40%) was observed. The removal of ammonia nitrogen was about 100% for the column and for the filter. A slightly better reduction of THM-UFC was observed for the full-scale filter.