Biofiltres

Le principe de la biofiltration est de faire passer les eaux à traiter au travers d’une unité filtrante, constituée d’une colonne verticale dans laquelle se trouve un garnissage, ou média filtrant (Figure4.33).

(a) propre (b) avec biofilm

FIGURE4.33 – Prélèvement de média garnissant les biofiltres (a) propre et (b) avec un excès

de biofilm visible (courtoisie de Denis Dufour de la Ville de Québec).

Le traitement par biofiltration est effectué par les processus suivants :

— les polluants (solubles et particulaires) sont dégradés par les bactéries qui se déve- loppent sur le média, entraînant ainsi la croissance du biofilm

— les particules sont retenues lors de leur passage à travers le média

Un lavage régulier des biofiltres est effectué pour retirer les particules retenues et le biofilm accumulé sur le média filtrant. Lorsque la capacité du système de lavage n’est pas suffisante pour retirer suffisamment de particules retenues, les biofiltres colmatés sont mis en attente de lavage. Ainsi, le nombre de biofiltres actifs est temporairement réduit, menant à un potentiel by-pass des eaux à l’amont de la biofiltration.

Pour cette étude, l’objectif de la modélisation des biofiltres est de simuler les concentrations en MeS allant au milieu naturel à partir des données disponibles à la StaRRE.

Les phénomènes mis en jeu lors du traitement de la pollution particulaire par les biofiltres nécessitent des études plus poussées (Calmejane,2015) et la prédiction des MeS en sortie des biofiltres par les modèles existants manque de fiabilité (Bernier,2014).

Malgré une étude détaillée des cycles de lavage et de la perte de charge mesurée sur chaque biofiltre de la StaRRE Est de la Ville de Québec, il n’a pas été possible d’établir une relation entre les nombreux paramètres mesurés pour l’opération des biofiltres et la concentration en MeS de leur effluent (Calmejane,2015).

Il a donc été décidé d’utiliser un modèle simple représentant la perte de capacité de la biofil- tration, qui est le principal comportement qui nous intéresse dans cette étude, car il amène à un by-pass d’une partie de l’eau usée à traiter. Ainsi, en se basant sur les résultats de l’étude de Calmejane (2015), on fera l’hypothèse que la performance des biofiltres est constante à 90% d’enlèvement des MeS, mais que la capacité de la biofiltration diminue avec la charge de MeS à traiter, entraînant ainsi une augmentation de la dérivation en amont des biofiltres.

Capacité hydraulique

L’effluent des décanteurs primaires est amené aux biofiltres par un système de trois vis d’Ar- chimède dont la capacité totale est de 15 000 m³/h (ou 360 000 m³/j), le débit excédentaire est dérivé au milieu naturel (by-pass capacité hydraulique à la Figure4.34). Lorsqu’un bio- filtre est soumis à une charge de MeS élevée, un colmatage peut se produire, ce qui réduit la capacité de traitement de la biofiltration et provoque une dérivation à l’amont de celle-ci. La Figure4.34présente un schéma modélisant le module de biofiltration. Le modèle repré- sentant l’évolution de la capacité de la biofiltration en fonction de la charge de MeS entrante est présenté ci-après.

FIGURE4.34 – Schéma du modèle de biofiltration.

Modèle de capacité de la biofiltration proposé

Le débit d’eau allant à l’ensemble des unités de biofiltration est défini par l’Équation4.21:

Qbio f iltres =

(Q_{a f f luent} si Qa f f luent <Nacti f∗Qmax,BF

Nacti f ∗Qmax,BF sinon

(4.21)

Le débit dérivé avant la biofiltration, Q_bypass, est défini par l’Équation4.22:

Le débit par biofiltre (actif), QparBF, est défini par l’Équation4.23: QparBF =      Qbio f iltres Nacti f

si Q_{bio f iltres} < N_{acti f} ∗Qmax,BF

Qmax,BF sinon

(4.23)

où

— Qa f f luentest le débit sortant du traitement primaire (m³/j)

— Qbio f iltresest le débit allant vers l’ensemble des unités de biofiltration (m³/j)

— Q_bypassest le débit dérivé avant la biofiltration (m³/j) — Qmax,BFest le débit maximal par biofiltre (m³/j)

— Nacti f est le nombre de biofiltres actifs (-)

Le nombre de biofiltres en opération peut diminuer par colmatage lorsqu’une charge de MeS supérieure à la capacité de traitement entre dans le système. Les biofiltres colmatés sont récupérés grâce au processus de lavage. Pour estimer le nombre de biofiltres en opération, un bilan de masse des MeS accumulées sur l’ensemble des biofiltres, Msurplus, est calculé

selon l’Équation4.24: dMsurplus

dt = Qbio f iltres∗CMeS,a f f luent−Nacti f ∗CPparBF−Flavage (4.24) où

— CMeS,a f f luentest la concentration en MeS de l’affluent (g/m³)

— CPparBFest la capacité de traitement d’un biofiltre (g/j)

— Flavageest le flux de MeS retirées par le lavage des biofiltres (g/j)

Le flux de MeS retirées par lavage est défini par l’Équation4.25, permettant de représenter un lavage plus fréquent lorsque la masse de MeS accumulées sur les biofiltres est élevée.

F_lavage= 1 τlavage

∗ (M_{surplus,BF,min}+M_surplus∗ f_lavage) (4.25) où

— τlavageest la constante de temps de lavage (j)

— flavagedéfinit une fraction de la masse de MeS accumulée sur les biofiltres qui est enle-

vée par le lavage (-)

— Msurplus,BF,minest la masse de MeS accumulée minimale permettant la réactivation d’un

biofiltre.

Lorsqu’un biofiltre est colmaté par une masse de MeS égale à Msurplus,BF,max, il est mis en

attente de lavage et ne fait plus partie des biofiltres actifs. Ainsi, la masse de MeS accumulée sur chacun des biofiltres actifs est définie par l’Équation4.26.

Msurplus,BF=

Msurplus−Msurplus,BF,max∗ (Nacti f ,max−Nacti f)

Nacti f

L’évolution du nombre de biofiltres actifs, Nacti f, compris entre 0 et Nacti f ,max, est définie par

l’Équation 4.27, décrivant un processus de colmatage/décolmatage par lavage dépendant de la masse de MeS accumulée sur les biofiltres (Msurplus) :

Nacti f =       

Nacti f−1 si Msurplus,BF> Msurplus,BF,max

Nacti f+1 si Msurplus,BF< Msurplus,BF,min

Nacti f sinon

(4.27)

où

— Msurplus,BFest la masse de MeS accumulée sur chaque biofiltre actif (g)

— Msurplus,BF,maxest la masse de MeS maximale accumulée sur un biofiltre avant son col-

matage et donc la perte d’un biofiltre actif (g)

— Msurplus,BF,minest la valeur limite de masse de MeS accumulée qui permet la réactiva-

tion d’un biofiltre (g)

— Nacti f est le nombre de biofiltres actifs (-)

— Nacti f ,maxest le nombre maximal de biofiltres actifs (-)

Calibration du modèle représentant la capacité de la biofiltration

Ce modèle n’a pas été calibré avec des données quantitatives. Pour certains paramètres, les valeurs proviennent du cas d’étude, tandis que les autres paramètres (liés au lavage) ont été choisis pour reproduire le comportement observé en opération, soit le fait que pendant les pluies de forte intensité la biofiltration pouvait perdre jusqu’à 2/3 de sa capacité (communi- cation personnelle de Denis Dufour, responsable des StaRRE de la Ville de Québec).

La StaRRE Est de la Ville de Québec dispose de 30 unités de biofiltration. Le débit maxi- mal par biofiltre est fixé à Qmax,BF = 12 000 m3/j. Basé sur le constat opérationnel que les

biofiltres fonctionnent correctement au débit maximal de conception soit 15 000 m³/h ou 360 000 m³/j lorsque la concentration de MeS à l’affluent est inférieure à 40 mg/L, la capa- cité de traitement de chaque biofiltre est ainsi estimée à CPparBF=480kg/j.

Les paramètres de lavage τlavage et flavage ont été choisis de manière qu’en temps sec, une

masse de MeS s’accumule sur les biofiltres en période de pointe et soit en grande partie retirée pendant les périodes creuses (Figure4.35). La durée d’un cycle de lavage est de 20 min et deux lavages peuvent être effectués en parallèle, la constante de temps de lavage est ainsi fixée à τlavage=0, 00694 j.

Les paramètres Msurplus,BF,maxet Msurplus,BF,minmodélisent le déclenchement, respectivement,

de la mise en attente de lavage d’un biofiltre colmaté et de sa remise en fonctionnement après lavage. Ils ont été choisis pour reproduire qualitativement la perte de capacité de la biofiltration observée sur le terrain.

FIGURE4.35 – Évolution de la masse de MeS accumulée sur les biofiltres Msurplus en temps

sec.

Le comportement du modèle est présenté à la Figure4.36: à l’arrivée d’une charge de MeS importante, le nombre de biofiltres actifs diminue, entraînant une dérivation des eaux à trai- ter à l’amont des biofiltres. Les cycles de lavage permettent alors la récupération de la capa- cité de la biofiltration.

Le Tableau4.12présente les paramètres calibrés du modèle représentant la perte de capacité de la biofiltration.

TABLEAU4.12 – Paramètres du modèle de perte de capacité de la biofiltration.