Étude d'un procédé hybride charbon actif en poudre / ultrafiltration pour le traitement de l'eau potable

Au cours des dernières années, les changements dans la réglementation ont entraînés le développement et l'amélioration constante des connaissances dans le domaine de l'eau potable. Le resserrement des exigences a contribué à accentuer la compétitivité et l'intérêt pour la microfiltration (MF) et l'ultrafiltration (UF) comme alternatives aux procédés conventionnels. Toutefois, quoique très performantes pour l'enlèvement des matières particulaires et la plupart des colloïdes, ces technologies offrent une capacité limitée à éliminer les contaminants dissous tels que la matière organique dissoute (MOD) et l'ammoniac. En réponse à cette limitation, l'utilisation combinée de la filtration membranaire MF/UF et du charbon actif en poudre (CAP) semble être une solution prometteuse. L'avancement majeur de ce procédé hybride repose sur trois mécanismes fondamentaux; l'adsorption par le CAP, la biodégradation par les microorganismes attachés au CAP et l'enlèvement physique par les membranes. À ce jour, plusieurs chercheurs ont publié des résultats de recherche concluants sur les capacités d'adsorption du CAP. La présente étude s'est donc attardée à évaluer à l'échelle réelle les performances du procédé plutôt opéré en mode biologique, c'est-à-dire en favorisant la croissance de biomasse sur les particules de charbon. Les objectifs spécifiques de ces essais-pilotes étaient de vérifier les performances du système au niveau de l'enlèvement de la MOD et de l'ammoniac et l'applicabilité du procédé d'un point de vue opérationnel (flux, perméabilité, nettoyage). Un pilote industriel du CREDEAU a été utilisé pour ces essais. Le pilote était composé de deux bioréacteurs membranaires (procédé commercialisé sous le nom de OpalineB®) alimentés en parallèle à partir d'eau décantée-ozonée. Les modules de fibres creuses Puron en polyéthersulphone (surface spécifique de 10 m² et diamètre des pores de 0,05 µm) étaient installés en configuration immergée et aérés de manière à maintenir le CAP en suspension et minimiser le colmatage des membranes. Les deux bioréacteurs ont été opérés sur une période continue de 100 jours avec une concentration de 20 g/L de CAP PicahydroLP39 (25 µm) et des flux de filtration de 15, 30 et 45 L/m²/h. Pendant la période de suivi des essais, la température de l'eau alimentant les bioréacteurs a varié de 10 à 25°C. Les bioréacteurs ont été opérés à différent temps de rétention des solides (46 vs 100 jours), via le dosage de charbon frais. Les données d'opération du pilote (pression, débit température, pH) ont été enregistrées en continu sur un système SCADA, alors que les données de qualité ont été mesurées au laboratoire (COD, CODB, COA, N-NH3, UV254, THM, AHA) et en continu (COT, température, turbidité). Dans le cadre de ces essais, les résultats ont démontré que les bioréacteurs agissent comme une barrière filtrante très efficace pour l'enlèvement de la turbidité (< 0,04 UTN). En période initiale de fonctionnement, l'adsorption joue un rôle dominant et permet un enlèvement moyen maximal du COD (55%), de l'absorbance UV254 (55%) et du COR (45%). L'épuisement progressif de la capacité d'adsorption du charbon (0 à 30 jours) est compensé par l'acclimatation croissante d'une biomasse à l'intérieur des bioréacteurs. En condition dominante d'enlèvement biologique, on obtient un seuil d'enlèvement moyen minimal du COD (20%), de l'absorbance UV254 (18%) et du COR (12%), ainsi qu'un enlèvement moyen maximal du CODB (74%) et du COA (73%). Une nitrification complète a été observée après 30 jours d'opération en eau chaude. Par ailleurs, les résultats ont démontré que les bioréacteurs étaient également un procédé efficace pour réduire le risque de recroissance bactérienne en réseau de distribution. Autrement, le contrôle de l'âge des particules n'a pas eu d'effet significatif sur les performances du procédé en termes de qualité d'eau. Du point de vue opérationnel, il existe un flux d'opération (probablement compris entre 15 et 30 L/m²/h) pour lequel l'exploitation du procédé est optimale, mais ce flux n'a pas été identifié. Les particules de charbon frais n'ont pas d'impact sur le colmatage des membranes à court terme, mais le charbon colonisé forme des agrégats qui causent un important colmatage physique des membranes. Il apparaît nécessaire d'opérer à une concentration de charbon inférieure à 20 g/L ou de trouver une solution pour diminuer le colmatage physique (ex : amélioration des conditions d'agitation dans les modules) ou d'opérer le procédé à un âge de solides plus faible afin de prévenir la formation d'agrégats de CAP, tel qu'observé en mode biologique. En dernier lieu, le bon recouvrement des propriétés initiales des membranes (perméabilité) lors du lavage physique (>80%) indique que le colmatage est principalement de nature réversible. Le phénomène d'agrégation du charbon à l'intérieur des ballots de membranes apparaît comme la principale cause de ce colmatage et également la raison pour laquelle l'efficacité des lavages chimiques n'a pas pu être évaluée correctement. En conclusion, les systèmes hybrides CAP/membranes sont une alternative de traitement intéressante aux traitements conventionnels en raison de leur flexibilité à opérer dans un mode dominant d'adsorption ou de biodégradation. Combiné à la performance inégalée des membranes pour l'enlèvement de la matière organique particulaire, le procédé opéré en mode biologique semble une stratégie forte intéressante pour éliminer la pollution dissoute, tels que la matière organique dissoute (COD, CODB) et l'ammoniac.

Abstract

In recent years, the several changes in regulations have resulted in development and constant improvement of knowledge in the field of drinking water. Tighter requirements have contributed to increased interest and competitiveness for microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF) as alternatives to conventional processes. However, although these technologies are very efficient at removing particulate matter and most colloidal, they have a limited capacity to remove dissolved contaminants such as dissolved organic matter (DOM) and ammonia. In response to this limitation, the combined use of membrane filtration MF/UF and powdered activated carbon (PAC) appears to be a promising solution. The main advancement of this hybrid method is based on three fundamental mechanisms: adsorption by the PAC, biodegradation by the microorganisms attached to PAC particles and physical removal by the membranes. To date, several researchers have published conclusive results about the adsorption capacities of PAC. The present study aims to evaluate full scale performances of the process operated in biological mode, i.e. promoting the growth of biomass on the carbon particles. The specific objectives of these pilot tests were to verify the system's performance concerning DOM and ammonia removal, and the viability of the process from an operational standpoint (flux, permeability, cleaning). An industrial pilot of the CREDEAU was used for these tests. The pilot was made of two membrane bioreactors (patent name OpalineB®) supplied in parallel with clarified-ozonized water. The hollow fiber modules Puron, made of polyethersulfone, (specific surface area of 10m² and pore diameter of 0,05 μm) were installed in a submerged configuration and aerated to maintain the PAC in suspension and minimize membrane clogging. Both bioreactors were operating continuously for a period of 100 days with a concentration of 20 g/L of PAC PicahydroLP39 (25 μm) and various filtration fluxes of 15, 30 and 45 L/m²/h. During the monitoring period, the water temperature ranged from 10 to 25°C. The bioreactors were operated for different solids retention time periods (46 vs. 100 days), via the addition of fresh PAC. Operational parameters (pressure, flux, temperature, pH) were recorded non-stop on a SCADA system, whilst water quality data were measured in the laboratory (DOC, BDOC, AOC, ammonia, UV254, THM, HAA) and continuously via online analysers (TOC, temperature, turbidity). The study's results show that the bioreactors act as a very effective filtering barrier for removing turbidity (<0,04 NTU). During the initial period of operation, adsorption plays a main role and allows maximum mean removal of DOC (55%), UV254 absorbance (55%) and COR (45%). The gradual depletion of the PAC adsorption capacity (0 to 30 days) is compensated by the increasing acclimation of biomass within the bioreactors. In dominant biological removal conditions, results have shown a mean lower limit for removal of DOC (20%), UV254 absorbance (18%) and non-biodegradable organic carbon (12%) as well as a mean upper limit for removal of BDOC (74%) and AOC (73%). Full nitrification was observed after 30 days of operation in warm water. Furthermore, results show that the bioreactors were effective at reducing the risk of bacterial increase in the distribution system. Otherwise, the control of particle age had no significant effect on the process performances regarding water quality. From an operational standpoint, there is an optimal operational flux (probably between 15 and 30 L/m²/h), but the study has not identified this precisely. Fresh PAC particles have no impact on membrane clogging in the short term, but colonized PAC forms aggregates which cause significant physical clogging of the membranes. It appears that using a PAC concentration below 20 g/L, finding a way of reducing the physical clogging (eg: improvement of the agitation within the modules) or operating with a lower solid age, could prevent the formation of PAC aggregates on the membranes, as was observed in biological mode. Finally, the good recovery of the membranes' initial properties (permeability) after physical cleaning (> 80%) indicates that membrane clogging is mainly reversible. The PAC aggregation phenomenon inside the bundles of membranes appears to be the main cause of the clogging and also the reason why chemical cleanings were not effective and could not be properly assessed. In conclusion, the hybrid systems PAC/membranes offer an attractive treatment alternative to conventional treatment mainly because of their flexibility to operate in a dominant mode of adsorption or biodegradation. Combined with the membrane's excellent potential for removing particulate organic matter, the process operated under biological mode appears to be a very interesting strategy to eliminate dissolved pollutants such as dissolved organic matter (DOC, BDOC) and ammonia.