AOC removal and accumulation of bacteria in experimental sand filters Elimination du COA et accumulation de matières bactériennes dans les filtres à sable expérimentaux.

Abstract

Using small sand filets under well defined laboratory conditions, filtration experiments were performed with tap water supplemented with acetate. The objective of these experiments was to determine the effect of different acetate concentrations on (i) the removal of easily assimilable organic carbon (AOC) in the filter (ii), the clogging of the tiller and (iii) the bacteriological quality of the filtrate.

The results of the experiments revealed that the reduction capacity of biological filtration processes for acetate is relatively high. Acetate removal resulted in an increased microbiological activity in the top layer (< 1cm) of the filter bed and accumulation of bacterial matter was observed at an influent AOC concentration as low as 0.005 mg of ac-C eq/l. Clogging of the filter bed occurred at an influent acetate concentration of 0.01 mg C/l. Based on these observations it was concluded that the AOC concentration of water used for infiltration in recharge wells should be less thon 0.01 mg ac-C eq/l. This level is similar to the level advised for biologically-stable drinking water.

A linear relationship was found between the acetate removal in the experimental filters and the colony count in the filtrate. It was recommended that the AOC load in the final filtration process in water treatment therefore should be limited to prevent high colony counts in the filtrate, thus leading to the use of post disinfection.

Keywords:

• Sand filters,
• easily-assimilable carton (AOC),
• AOC removal,
• microbiological activity,
• biological clogging,
• colony counts

Résumé

Ces dix dernières années, les méthodes permettant de déterminer la concentration des composés organiques assimilables par les bactéries dans de l'eau potable ont suscité de plus en plus d'intérêt envers les possibilités de prévision et de contrôle de la croissance des bactéries pendant le stockage et la distribution. La détermination dite "COA" (carbone organique aisément assimilable) introduite par VAN DER KOOIJ et. al. (1982) a été développée et appliquée dans le but de surveiller les concentrations de COA pendant le traitement, le stockage et la distribution. Sur la base des résultats, il a été établi un critère pour de l'eau potable biologiquement stable (VAN DER KOOIJ et HIJNEN, 1990). Ce critère exerce une influence sur la conception du traitement de l'eau. Ceci étant, il convient de porter davantage d'attention à l'effet des processus de traitement - et plus particulièrement des processus de filtration - sur la concentration de COA.

Des expériences de filtration ont été effectuées sur de petits filtres à sable, dans des conditions de laboratoire bien déterminées. L'objectif de ces expériences consistait à déterminer (I) l'élimination du carbon organique aisément assimilable (COA) dans le filtre, pour des concentrations d'eaux affluentes différentes, (II) l'effet produit sur l'engorgement du filtre et (III) la qualité bactériologique du filtrat.

De l'acétate a été ajouté à l'eau d'entrée des filtres en tant que modèle de substrat, dans une gamme de concentrations allant de 0,01 à 1 mg/l C. L'eau fournie était de l'eau potable préfiltrée à faible teneur en COA (0,005 mg ac-C eq/l). Au cours du temps de fonctionnement, la concentration de COA ainsi que le nombre de colonies dénombrées dans l'eau ont été contrôlés, de même que la perte de charge de la couche filtrante. A l'expiration du temps de fonctionnement, la concentration de matière bactérienne a été déterminée dans le sable des filtres.

Dans les filtres à sable dont le temps de contact du lit vide était de 10 minutes, les concentrations d'acétate (S_ac) inférieures ou égales à 0,25 mg/1 C ont été totalement éliminées. La réduction de COA pour les valeurs Sac de 0,5 et de 1,0 mg/l C atteignait 90 %. Il en a été conclu que les processus de filtration biologique peuvent fort bien être appliqués pour l'élimination de composés organiques aisément assimilables, tels l'acétate et l'éthanol qui sont fréquemment utilisés dans les processus d'élimination biologique des nitrates au cours du traitement de l'eau potable.

La capacité d'élimination de l'acétate, offerte par les filtres à sable expérimentaux, était élevée par comparaison avec la réduction de COA observée dans le cas des filtres à sable utilisés pour la production d'eau potable à partir d'une eau de surface (VAN DER KOOIJ, 1984). La teneur en COA du filtrat dépassait le critère applicable à l'eau potable biologiquement stable, c'est-à-dire 0,01 mg ac-C eq/l, pour des charges volumique d'acétate (LV_ac), relevées sur les filtres à sable expérimentaux, supérieures à 1600 mg ac-C/(m³.h). La charge volumique critique en COA des filtres à sable, utilisés dans les installations de traitement citées plus haut, au-dessus de laquelle la teneur en COA du filtrat dépasse de critère, est estimée à environ 100 mg COA-C/(m³.h).

Ces résultats indiquent que l'acétate est éliminé plus rapidement qu'une quantité équivalente de composés mesurée par détermination du COA.

Par suite de la consommation d'acétate, le nombre de bactéries présentes dans le lit filtrant s'est accru. On a constaté qu'un net rapport linéaire existait entre la concentration d'acétate, d'une part, et le nombre de colonies dénombrées (par boite) sur le sable à la surface du filtre, d'autre part. L'accumulation de bactéries a été observée, même pour une concentration de COA de 0,005 mg ac-C/l, tandis que l'engorgement des filtres se produisait sous une concentration d'acétate de 0,01 mg ac-C/l. Des concentrations accrues de carbone organique ont été mesurées sur le sable, dans les premiers millimètres d'épaisseur du lit filtrant. Les résultats obtenus à la suite d'études sur le terrain, relatives à l'infiltration d'eau dans les puits de recharge, ont montré que, pour des valeurs de COA inférieures à 0,01 mg ac-C eq/l, la durée de processus n'atteignait pas un an, du fait de l'engorgement observé dans le sous-sol. Par conséquent, ta concentration de carbone organique assimilable (COA) dans l'eau utilisée pour l'infiltration doit être inférieure à 0,01 mg ac-C eq/l afin d'éviter l'engorgement biologique. Un niveau de COA similaire a été conseillé pour l'eau potable bioiogiquement stable (VAN DER KOOIJ and HIJNEN, 1990).

La consommation d'acétate dans les filtres a eu comme autre conséquence l'accroissement du nombre de colonies hétérotrophes dénombrées dans l'eau, selon un rapport linéaire avec la concentration d'acétate dans l'eau affluente. Le nombre de colonies dénombrées présentes dans le filtrat s'est accru pour atteindre une valeur moyenne de 10⁴ cfu/ml, sous une concentration d'acétate de 0,068 mg ac-C/l (charge volumique d'acétate de 400 mg ac-C/(m³.h)). Au vu de ces résultats, il a été conclu que la charge volumique en COA d'une filtration finale dans une installation de traitement des eaux devrait être limitée, entre autre afin d'éviter le recours à une post-désinfection visant à réduire le nombre de germes hétérotrophes.

Mots-clés:

• Filtres à sable,
• carbone organique aisément assimilable (COA),
• réduction de COA,
• activité microbiologique,
• l'engorgement biologique,
• nombre de colonies dénombrées