Filtration membranaire avec haute concentration de charbon actif en poudre pour le traitement des eaux de surface

Les membranes basse-pression sont désormais une alternative intéressante et éprouvée pour le traitement de l'eau potable. Ces dernières sont particulièrement efficaces pour le traitement de la pollution particulaire et microbiologique. Cependant, elles sont peu performantes pour l'élimination de la pollution dissoute. Afin de pallier cette faiblesse, du charbon actif en poudre (CAP) peut être ajouté directement dans le bassin dans lequel des membranes en fibres creuses sont installées. Ce travail se concentre sur l'étude d'un tel procédé dans lequel le CAP agit en mode biologique, dénommé bioréacteur membranaire à haute concentration de charbon actif en poudre (BRM-HCCAP). La performance de traitement (COT, COD, CODB, NH4 +, UV254, THM AHA) et les impacts sur l'opération (pression transmembranaire, lavages chimiques) ont été étudiés à l'échelle pilote et comparés à un bioréacteur membranaire (BRM) sans CAP ainsi qu'à un filtre biologique à charbon actif en grain. Le BRM-HCCAP a été étudié à un temps de rétention hydraulique de 79 minutes pour une concentration de CAP biologique de 10 g/L durant 300 jours. En température chaude, le BRMHCCAP tout comme le BRM a permis l'abattement complet du NH4 +. Le CAP à haute concentration a permis d'accélérer le développement de la biomasse nitrifiante et de prolonger la nitrification lors du refroidissement de la température bien plus longtemps que ne le permet un BRM sans CAP. À température froide, à 5 oC, le BRM-HCCAP n'a toutefois pas été en mesure de traiter le NH4 +. Le BRM-HCCAP a été étudié à un âge de CAP stable de 30 jours (carbon usage rate (CUR) = 16,1 mg/L), un âge de CAP stable de 60 jours (CUR = 8,1 mg/L) et un âge de CAP sans ajout/purge de plus de 200 jours (CUR < 2,4 mg/L). Globalement, la performance de traitement du BRM-HCCAP d'un âge de 30 ou de 60 jours était équivalente à la performance obtenue du filtre biologique. La qualité de l'eau obtenue à un âge de CAP de plus de 200 jours est inférieure, ce qui semble justifier l'utilisation d'un CAP à âge contrôlé. À un âge de CAP de 30 jours, la réduction moyenne des THM-CFU et de AHA-CFU est de respectivement 15% et de 65%. Cette réduction est équivalente à celle obtenue par le filtre biologique (23% et 50% respectivement) et nettement supérieure à la réduction obtenue dans un BRM (- 27% et 35% respectivement).

Abstract

Low-pressure membranes are now an interesting and proven alternative for water treatment. Those are particularly efficient for particulate pollution removal including parasites removal. However, they are poorly efficient at removing dissolved contaminants. In order to overcome this weakness, powder activated carbon (PAC) can be added directly into the basin in which hollowfiber membranes are installed. This work focus on the study of such a process in which PAC acts under biological mode. The process is referred as a high concentration powder activated carbon membrane bioreactor (HCCAP-MBR). The process performance concerning water quality (TOC,DOC, BDOC, NH4 +, UV254, THM, HAA) and impacts on operation (transmembrane pressure, chemical cleanings) were investigated at a pilot scale and compared to a membrane bioreactor without PAC (MBR) as well as to a biological granular activated carbon filter. The HCCAP-MBR was studied at an hydraulic retention time of 79 minutes using a PAC concentration of 10 g/L for 300 days. In warm water, the HCCAP-MBR as the MBR allowed full nitrification. High concentration PAC has accelerated the development of nitrifying biomass and extended nitrification during cool water conditions, much longer than it was possible without PAC. However, in cold water, at 5 oC, the HCCAP-MBR was unable to remove the NH4 +. The HCCAP-MBR was studied at a stable PAC age of 30 days (carbon usage rate (CUR) = 16.1 mg/L), a stable PAC age of 60 days (CUR = 8.1 mg/L) and at an aging PAC (without addition or purge) of over 200 days (CUR < 2.4 mg/L). Overall, the treatment performance of HCCAP-MBR at an age of 30 days or 60 days was equivalent to the performance obtained by the biological GAC filter. Water quality obtained at a PAC age over 200 days is lower, which seems to justify usage of PAC at a controlled age. At a PAC age of 30 days, the average reduction of THM-UFC and HAA-UFC is respectively 15% and 65%. This reduction is equivalent to that obtained by the biological filter (23% and 50% respectively) and significantly higher than the reduction achieved by the MBR without PAC (-27% and 35% respectively). DOC and BDOC reductions reach respectively 32% and 60% under inter-ozonation condition during the summer (about 25 oC). Under moderate temperature condition (about 15 oC) at a PAC age of 60 days, DOC and BDOC reduction decreased to 22% and 33% respectively.