L’objectif de la présente étude était de comparer deux filtres à pleine échelle d’une usine de production d’eau potable, précédés d’une ozonation et opérés dans des conditions réelles, à savoir un filtre bicouche conventionnel (sable et anthracite) et un filtre dit biologique (sable et CAG) tous les deux conçus suivants les directives en vigueur au Québec. Pour cela, un suivi analytique a été fait en 2011 pendant 32 semaines à raison de 2 échantillonnages à chaque deux semaines à l’UTE du secteur centre de la Ville de Québec. Plus de 15 paramètres de qualité d’eau ont été suivis, et ce, à différentes étapes de traitement de cette usine mais en se concentrant sur la qualité de l’eau à l’entrée et aux sorties des deux filtres. Plusieurs conclusions peuvent être tirées des résultats obtenus. Dans les conditions de l’étude, c’est-à-dire pour la deuxième année d’opération de ces deux filtres, avec une couche de CAG deux fois plus épaisse que d’anthracite, le CAG, par rapport à l’anthracite, a permis d’obtenir des performances statistiquement significativement supérieures en regard des paramètres suivants :
Réduction de la consommation en chlore libre simulée (sur des périodes de 4h et de 48h);
Réduction de la formation d’acides haloacétiques totaux simulé à 48h; Réduction de la formation de trihalométhanes totaux simulé à 48h; Enlèvement de carbone organique dissous;
Enlèvement de carbone organique dissous réfractaire;
Enlèvement de carbone organique dissous biodégradable (28 jours); Enlèvement de l’azote ammoniacal.
Ces résultats concordent avec de précédentes études (voir la compilation au Tableau 3) portant sur les filtres avec CAG (Andersson et al., 2001; Barzi, 2008; Bouchard et al., 2008; Carlson and Amy, 1997; Chien et al., 2008; Dussert and Tramposch, 1997; Dussert and Vanstone, 1994; Juhna and Melin, 2006; Krasner et al., 1993; Najm et al., 2005;
Reygrobellet, 2010; Snider, 2011; Yan et al., 2010). Dans la présente étude, la réduction de la turbidité par le filtre avec du CAG a été légèrement inférieure à celle réalisée par le filtre avec anthracite, alors que plusieurs autres études n’ont trouvé aucune différence entre ces deux types de milieu granulaire à l’échelle pilote et réelle pour la réduction de la turbidité (Bureau of Environmental Engineering, 1999; Krasner et al., 1993; Lechevallier et al., 1992; Snider, 2011). À la mise en service du filtre C-S à l’UTE Québec, beaucoup de fines et de particules visibles à l’œil nu étaient évacuées pendant plusieurs lavages consécutifs. L’attrition du CAG, le mode de lavage des filtres ou le relargage de bactéries pourrait être la cause des performances de turbidité qui ont été observées.
Le temps écoulé dans un cycle de filtration a eu un effet statistiquement significatif sur la concentration de carbone organique dissous à la sortie des filtres. Plus le cycle de filtration avance, plus la concentration de COD diminue.
D’après l’analyse économique préliminaire, il faudrait que la consommation apparente de CAG ne dépasse pas 5 % (p. ex. pour une réduction de DECL de 0,6 mg/L) pour que le changement de milieu filtrant soit à coût nul en considérant uniquement le gain sur la consommation de chlore. En supposant une perte annuelle très faible de CAG soit de 0,5 %, il faudrait que le CAG ait une durée de vie minimale de 22 ans.
En résumé, dans le cadre de ce projet, le filtre avec CAG a offert de meilleures performances que le filtre avec anthracite à presque tous les niveaux des paramètres de qualité étudiés, à l’exception de l’enlèvement de la turbidité. À l’échelle réelle, l’économie due à la réduction potentielle de la DECL offerte par le filtre avec CAG devrait être substantielle, mais celle-ci serait fort probablement masquée par le coût plus élevé du CAG due au coût de ce matériau et au fait que la couche de CAG est beaucoup plus épaisse que celle d’anthracite.
Tel que mentionné ci-dessus, cette étude a apporté beaucoup d’information au niveau des performances de base de deux filtres granulaires dans des conditions réelles d’opération. Un arbre d’objectifs est utilisé ci-dessous pour situer ces apports de la présente étude dans un cadre plus large. Cet arbre d’objectifs de potabilisation de l’eau, qui est basé
essentiellement sur les objectifs rappelés au début du chapitre 2 et qui s’applique à la filtration granulaire de l’eau, est montré à la Figure 61.
Cet arbre est construit à partir d’un objectif général qui est successivement subdivisé en objectifs de plus en plus précis. Chaque objectif est formulé en termes d’action. Des traits pointillés indiquent les sous-objectifs qui sont reliés, en particulier ceux qui sont liés à la présence de MOD. Les objectifs les plus détaillés pourraient être convertis en critères dans le cadre d’une analyse multicritère visant à comparer différents filtres.
Figure 62 : Arbre des objectifs de potabilisation de l'eau
Dans cette figure, les aspects, qui ont été documentés par la présente étude et pour lesquels il est possible de tirer des conclusions, sont en fond vert. Les impacts sur les tâches des opérateurs n’ont pas été spécifiquement étudiés mais plusieurs commentaires des
Maximiser la satisfaction des besoins présents et futurs de la population en ce qui a trait à l’approvisionne ment en eau potable. Maximiser la protection de la santépublique Minimiser le coût de production de l’eau Minimiser les impacts du procédé Maximiser la productivitéou minimiser la perte d’eau Minimiser les impacts
négatifs sur les tâches des opérateurs Maximiser la qualité
organoleptique de l’eau
Minimiser les impacts sur l’environnement (analyse de cycle de vie) Minimiser le coût d’achat Minimiser les coûts
d’opération Minimiser la dépense énergie Minimiser le remplacement matériau perdu
Minimiser les risques d’infection Maximiser la stabilitéde l’eau dans le réseau de distribution Minimiser la consommation de Cl2 Minimiser la formation de SPC
Maximiser l’enlèvement de composés toxiques Maximiser l’enlèvement de MODB
Minimiser les risques liés aux substances toxiques
Maximiser l’enlèvement des pathogènes Maximiser la satisfaction des besoins présents et futurs de la population en ce qui a trait à l’approvisionne ment en eau potable. Maximiser la protection de la santépublique Minimiser le coût de production de l’eau Minimiser les impacts du procédé Maximiser la productivitéou minimiser la perte d’eau Minimiser les impacts
négatifs sur les tâches des opérateurs Maximiser la qualité
organoleptique de l’eau
Minimiser les impacts sur l’environnement (analyse de cycle de vie) Minimiser le coût d’achat Minimiser les coûts
d’opération Minimiser la dépense énergie Minimiser le remplacement matériau perdu
Minimiser les risques d’infection Maximiser la stabilitéde l’eau dans le réseau de distribution Minimiser la consommation de Cl2 Minimiser la formation de SPC
Maximiser l’enlèvement de composés toxiques Maximiser l’enlèvement de MODB
Minimiser les risques liés aux substances toxiques
Maximiser l’enlèvement des pathogènes
opérateurs indiquent qu’il ne semble pas y avoir de différence d’opération entre les deux filtres.
Les aspects étudiés mais pour lesquels il n’a pas été possible d’aboutir à des conclusions concrètes, en termes de comparaison entre les deux filtres étudiés, sont en fond jaune. Effectivement, étant donné que tous les résultats des analyses de goûts et odeurs sont sous les LQM, aucune conclusion n’a pu être tirée à ce sujet. D’autre part, la question de la consommation de milieu filtrant n’a pu être traitée de manière précise à cause du manque de donnée sur les taux de remplacement annuels et sur les durées de vie des milieux filtrants. Des analyses de sensibilité ont toutefois été réalisées ce qui devrait faciliter des analyses économiques ultérieures.
Les aspects suivants, en fond rouge, n’ont pas été étudiés : • Enlèvement composés toxiques;
• Impacts du traitement d’eau sur l’environnement.
Ces aspects mériteraient des études dans le futur. En ce qui concerne l’enlèvement des composés toxiques dans les deux filtres, il serait utile de faire une étude spécifiquement sur ce sujet. Des composés qui pourraient être visés sont les cyanotoxines, des sous-produits toxiques de l’ozonation et des contaminants à préoccupation émergeante comme les produits pharmaceutiques par exemple. Les impacts potentiels du traitement de l’eau par filtration granulaire pourraient être étudiés via une analyse de cycle de vie à condition que les informations nécessaires à ce type d’analyse soient disponibles. Une fois les objectifs tous documentés, il serait possible de traduire les objectifs en critères, de définir une échelle de mesure pour chaque critère, d’évaluer chaque filtre en regard des critères, de définir des priorités en pondérant ces critères et d’intégrer tout cela à l’aide d’une méthode d’analyse multicritère pour finalement compléter le travail de comparaison des deux filtres.
D’autre part, il serait judicieux de poursuivre le suivi de base des filtres à l’échelle réelle. Cela permettrait de documenter l’évolution des performances de traitement sur plusieurs années. Il serait également utile de mesurer l’effet de la hauteur du milieu filtrant du CAG sur ses performances de traitement en profitant des prises d’échantillons placés à différentes
profondeurs dans ce filtre expérimental. Cela n’a pas été fait dans le cadre de la présente étude par manque de temps et de ressources. Cela permettrait de raffiner l’analyse économique. De plus, un suivi avec de meilleures méthodes analytiques sur l’enlèvement de l’azote ammoniacal s’impose pour mieux suivre les deux filtres. En effet, la nitrification est probablement la mesure la plus simple et la plus claire pour mettre en évidence une activité biologique dans les filtres. Cela permettrait aussi d’observer si les performances d’enlèvement de l’azote ammoniacal du CAG diminuent avec les années. Un suivi couplé de la turbidité et des comptes de particules avec des calibrations rigoureuses pourrait améliorer la compréhension des mécanismes de rétention et relargage de particules dans les filtres.
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