CHAPITRE 5 ARTICLE 3 : APPROCHES OPÉRATIONNELLES POUR
5.3 Matériels et méthodes
5.3.1 Description de la station d'épuration et caractéristiques des eaux usées
Les essais expérimentaux ont été menés à la station d'épuration municipale (STEP) d’Auteuil (Ville de Laval, Québec, Canada) basée sur un procédé de filtration biologique. L'apport moyen d'eaux usées (33 000 m3/d) est réparti de manière égale sur deux biofiltres
aérés, submergés à courant descendant de type Biocarbone® (OTV) (biomasse fixée). Comme le montre la Figure 5.1, chaque biofiltre est composé de 10 cellules de traitement d’une profondeur de 1,8 m de « Biodagen » (schiste expansé de la taille d'un grain avec un diamètre nominal de 3 à 6 mm). Chaque cellule de traitement s'ouvre (mode de filtration) ou se ferme (mode d'attente) en fonction du débit d'entrée d'eau et fonctionne en rotation dans le biofiltre. En mode filtration, et avec une cellule en lavage dans le biofiltre, la charge hydraulique superficielle prévue sur chaque lit de média filtrant (cellule de traitement) varie normalement de 4,8 à 9,4 m3/m2/h (temps de filtration de 22,5 et 11,5 min) avec un débit
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maximum à l'entrée de 33 000 à 65 000 m3/d. Les données expérimentales ont montré une
charge hydraulique moyenne à l'entrée des cellules de traitements de 7 m3/m2/h (temps de
filtration de 15,4 min) pendant la durée de l'étude. Deux cellules côte à côte (représentées en vert à la Figure 5.1) ont été sélectionnées à partir de chaque biofiltre, à l'exclusion de celles qui étaient les plus proches du point de distribution d'eaux usées. Les eaux usées étaient principalement de type résidentiel (domestique), avec une température moyenne et un pH de 18,5 ± 1,5°C et 6,8 ± 0,3 respectivement durant les périodes d’essais et d'échantillonnage.
Cette station d'épuration n'était pas en mesure de maintenir une quelconque nitrification biologique biologique avant le début de l'étude.
Figure 5.1 Plan détaillé des biofiltres, d'une cellule de traitement ainsi que des points d'échantillonnages pour l'eau usée et le schiste
La Figure 5.1 présente un plan détaillé en (A), des biofiltres avec les cellules de traitements (en gris) et les cellules sélectionnées pour les essais (en vert) ainsi que la distribution de l'eau et en (B), une vue en coupe du lit filtrant avec les points
AFF LU ENT EF FL U EN T
Two way splinter
BIOFILTER 1 BIOFILTER 2 Treatment cells 0.4 m Inflow entry 10 m 6. 5 m 1.5 m A FFL UE NT EFFL UE N T 1’ 2’ 4’ 5’ Upper part Lower part A B Partie supérieure Partie inférieure
Entrée d'eaux usées
Cellules de traitements
Séparateur deux zones
Biofiltre 1 Biofiltre 2
d’échantillonnage des grains de schiste et des eaux usées en fonction de la profondeur : 1' (0,3 m), 2' (0,6 m) présenté comme la partie supérieure de la cellule, 4' (1,2 m) et 5' (1,5 m) présenté comme la partie inférieure de la cellule. Le lit filtrant est composé de grains schistes expansés d'un diamètre nominal variant de 3 à 6 mm et présente une hauteur totale de 6' (1,8 m). La cellule de traitement présentée à la Figure 5.1 est représentative de toutes les autres cellules de traitement sélectionnées pour la réalisation des essais.
5.3.2 Conditions expérimentales
Trois conditions expérimentales différentes ont été évaluées sur une période de trois années. 1. Conditions d'aération dans lesquelles 3000 m3/h d'air de procédé ont été injectés
à travers le biofiltre testé, tandis que dans le biofiltre de contrôle, aucun air de procédé n'a été injecté. 2. Modification des paramètres de lavage à contre-courant. Les paramètres de lavage à contre-courant ont été modifiés pour les cellules dans le biofiltre testé selon les caractéristiques suivantes : procédure de décolmatage pendant 2 minutes avec une injection d'air seule, puis lavage à contre-courant avec injection d'eaux et d'air pendant 6 minutes puis rinçage à l'eau seule pendant 1 minute (9 min totales); la durée de filtration maximum entre les lavages à contre-courant a été fixée à 12 heures. Les biofiltres de contrôle ont suivi la même procédure, sauf que la durée du lavage à contre-courant (air + eau) a été fixée à 11 minutes (au lieu de 6 minutes), et ce, suivant une durée de filtration entre les lavages de 16 heures (au lieu de 12 heures). La programmation de rotation des cellules en attente du biofiltre Biocarbone® a été fixée à 30 min dans les cellules tests et de contrôles.
3. Ajustement du débit sur les cellules de filtration. L'ouverture permettant l'entrée d'eaux
usées a été limitée à 2,3 m2 (cellule test) au lieu de 10,1 m2 (cellule contrôle). Il convient de
noter que l'afflux d'eaux usées dans la goulotte de distribution était rarement au maximum de la capacité. Cette restriction a provoqué une réduction moyenne de 36 % du débit normal d'eaux usées et provoque une durée moyenne de filtration de 21 min (les témoins ne présentaient aucune restriction et affichaient un temps de filtration moyen de 15,4 min). La charge en nutriment a ainsi été réduite dans les conditions restreintes (cellule test). L'air de
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procédé a été maintenu à 3000 m3/h pendant les essais de modification des paramètres de
lavage à contre-courant et d'ajustement du débit.
Les cellules de traitements des biofiltres ont été sélectionnées afin de définir les paramètres opérationnels qui offre le maximum d'impact sur l'élimination de l'azote ammoniacal. Les conditions aérobies et les paramètres modifiés de lavage à contre-courant ont permis de comparer les résultats d'un biofiltre (test) à l'autre (contrôle) tandis que les essais sur l'ajustement du débit comparaient une cellule de traitement (test) avec une cellule adjacente (contrôle). Pour chaque condition d'essai, une période de conditionnement minimale de cinq semaines a été respectée avant l'échantillonnage des eaux usées.
5.3.3 Échantillonnage des eaux usées et analyses physico-chimique
Les eaux usées ont été échantillonnées à l'aide d'une pompe péristaltique Easy-load® (Masterflex®, modèle 7518-60) avec un tube LS-15 Masterflex®, conformément aux méthodologies proposées par le Centre d'Expertise en Analyse Environnementale du Ministère de l'Environnement du Québec (CEAEQ-MDDEFP) (Figures 5.1 et 5.2). Le protocole impliquait un échantillonnage proportionnel au temps avec un taux de prélèvement de 1 litre par heure pour composer un seul échantillon en 14 heures. L'échantillon a été maintenu à 4°C dans une bouteille de polyéthylène. Les eaux usées ont été échantillonnées deux fois par semaine à chaque profondeur d'échantillonnage. Le Tableau 5.1 montre les paramètres physico-chimiques suivis au cours de l'étude, leurs limites de détection analytique respectives (LOD) et les méthodes de référence (WEF & APHA, 2012). Chacun des essais réalisés a conduit à l’obtention d’un nombre d'échantillons « n » se situant entre 5 et 10 pour chaque paramètre analysé. Le débit d'eaux usées pour chaque biofiltre a également été enregistré lors des essais, car il influence directement la charge en nutriments et le taux de filtration.
Figure 5.2 Vue sectionnelle d'une cellule de traitement avec les points et l'équipement d'échantillonnage de shciste et d'eau usée
La Figure 5.2 présente une vue sectionnelle d'une cellule de traitement avec les installations d'échantillonnage des grains de schistes et de l'eau usée. Le massif est supporté par un faux plancher incorporé de busettes en plastiques (au nombre de 2500, soit environ 62 busettes/m2) permettant de collecter les eaux traitées ainsi que de distribuer l’eau et l'air de
lavage. L'eau usée a été prélevée par une pompe péristaltique Easy-load®, Masterflex® modèle 7518-60 (non présenté) avec un tube LS-15 Masterflex®.
Inf lo w 2’ 1’ 4’ 5’ Nozzles Process air input Backwash air input Dé bi t Injection air de procédé Injection air de lavage Busettes
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Tableau 5.1 Paramètres physico-chimiques suivis et limite de détection
5.3.4 Analyses statistiques
Pour déterminer s'il y avait des différences significatives entre les paramètres physico- chimiques dans les cellules tests et de contrôles, des analyses statistiques ont été effectuées en utilisant un test F et un test t de Student unidirectionnel. L'intervalle de confiance statistique a été fixé à ρ ≤ 0,05.