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Abstract
Natural organic matter (NOM) in drinking water is a complex mixture of organic compounds. Some of the compounds are not biodegradable, while others are quickly biodegradable and a third group is more resistant to biodegradation. To have a better understanding of the biofiltration process in drinking water treatment, it is important to identify the elements of the quickly and slowly biodegradable NOM and to characterize the biodegradation rate of each element. In this study, an ozonated NOM solution was used as the substrate. The NOM was isolated from a groundwater in Germany using ion-exchange resins. The ozone dose was 0.35 mg O3/mg DOC (dissolved organic carbon). Previously bioacclimated sand was used as filter media and biomass source and was homogeneously distributed in the filter prior to each run. The substrate removal was evaluated by DOC, biodegradable DOC (BDOC), assimilable organic carbon (AOC), aldehyde and ketoacid analyses. When expressed in terms of the empty bed contact time (EBCT), the results showed that filter velocity in the range of 1.5 to 15 m/hr had no impact on substrate removal. This implies that substrate utilization, not external mass transfer, is the rate limiting step for substrate removal in drinking water biofilters. In this study, compounds or NOM fractions are termed quickly biodegradable if they are removed in the first three minutes of EBCT. 15% of the DOC was removed by the biofilter within three minutes of EBCT and was termed the quickly biodegradable fraction. The BDOC fraction of the ozonated solution was determined to be 40 to 45% of the DOC. In terms of BDOC, about one third of the total BDOC was quickly biodegradable. The AOC results show that about 90% of the total AOC was utilized by Spirillum sp. NOX (AOC-NOX). Most of the AOC was quickly biodegradable and was removed within one minute of EBCT. For aldehydes, glyoxal and methyl glyoxal were removed to below the detection limit after two minutes of EBCT. However, only 60% of formaldehyde removal was achieved in the first two minutes of EBCT, and no additional removal was achieved with increasing EBCT. Additionally, no significant removal of acetaldehyde was observed. The results of ketoacids show that their utilization rates were very high. More than 90% of glyoxylic acid and pyruvic acid were removed within one minute of EBCT.
Keywords:
- Biological filtration,
- biodegradation,
- ozonation,
- natural organic matter (NOM),
- biodegradable dissolved organic carbon (BDOC),
- assimilable organic carbon (AOC),
- aldehydes,
- ketoacids
Résumé
Aujourd'hui, il est démontré que les traitements biologiques utilisés pour le traitement de l'eau potable sont des méthodes efficaces pour la réduction de la matière organique de l'eau, des sous-produits de la désinfection, ainsi que pour le contrôle de la croissance bactérienne dans les réseaux.
Quelques études récentes ont tenté de modéliser ce qui se passait sur les filtres biologiques utilisés pour le traitement de l'eau potable. Les modèles de biofilms développés pour les eaux usées sont souvent utilisés pour l'eau potable. Contrairement au biofilm des eaux usées, épais et dense, celui de l'eau potable est dispersè en fraction dans le milieu du filtre ainsi que sur sa pami. Le biofilm est donc très dispersé et les paramètres importants de modélisation du biofilm en eau usée (densité, épaisseur) ne sont pas appropriés pour l'estimation du biofilm dans les filtres d'eau potable.
La matière organique est constituée d'un ensemble complexe de composés organiques. Quelques-uns ne sont pas facilement biodégradables, d'autres le sont facilement et une autre fraction est récalcitrante. Dans ces conditions, un modèle utilisant un seul substrat pour représenter la cinétique de biodégradation n'est pas approprié. WANG et SUMMERS (1994) ont récemment développé un modèle mathématique utilisant plusieurs substrats pour décrire la réduction de la matière organique de l'eau dans les filtres biologiques. Le modèle suppose que la filtration biologique est composée de deux étapes : un transfert massique exteme suivi de l'utilisation du substrat à la surface du filtre. Dans ce modèle, la matière organique est divisée en trois portions: des composés facilement ou lentement biodégradables et récalcitrants. Des vitesses différentes de réaction sont utilisées pour chaque fraction. Les résultats démontrent que la diminution de la concentration de la matière organique est souvent limitée parle taux d'utilisation des substrats, et non pas par la vitesse du transfert exteme de la matière.
Les objectifs de cette recherche sont d'identifier les éléments de la matière organique ainsi que les composés lentement ou rapidement biodégradables et de suivre l'évolution de ces composés dans les filtres biologiques.
Une fois traitée par ozonisation, la matière organique est utilisée comme substrat dans cette recherche. La matière organique a été isolée par concentration sur résine échangeuse d'ions d'une eau souterraine prélevée en Allemagne. Le taux de traitements en ozone a été de 0,35 mg O3 par mg de carbone organique dissous (COD). Un sable bioacclimaté a été utilisé comme milieu filtrant et comme source de biomasse. Avant chaque expérience, il a été mélangé pour avoir une répartition homogène de la biomasse dans le filtre, La quantité de substrats était mesurée par les analyses du COD, du carbone organique dissous biodégradable (CODB), du carbone organique assimilable (COA), des aldéhydes et d'acides cétoniques. Les résultats, exprimés en terme du temps de contact théorique, démontrent que la vitesse de filtration dans le filtre (dans des proportions de 1,5 à 15 m/h) n'a pas d'influence sur la réduction des substrats. Le facteur limitant pour l'élimination du carbone organique par filtration est donc l'utilisation du substrat et non par le transfert externe de matière.
Dans cette recherche, la fraction de la matière organique est appelée « rapidement biodégradable » si elle est éliminée dans les trois premières minutes du temps de contact. Elle constitue 15 ib du COD. La fraction du CODB de l'eau traitée par ozonisation représente environ 40 à 45 % du COD.
Presqu'un tiers du CODB est rapidement biodégradé. Les résultats démontrent que 90 % du COA est utilisé par le Spirillum sp . NOX (COA-NOX), et que presque tout le COA est rapidement biodégradé et s'élimine par biofiltration en une minute de temps de contact. Le glyoxal et le méthyl glyoxal sont totalement éliminés après deux minutes de temps de contact. Par contre, seulement 60 % du formaldéhyde est éliminé dans les deux premières minutes de temps de contact et l'augmentation du temps de contact n'engendre pas une élimination supplémentaire. En outre, on n'observe pas de réduction significative de l'acétaldéhyde. Les résultats démontrent que les acides cétoniques sont rapidement et fortement dégradés. Plus de 90 % d'acide glyoxalique et d'acide pyruvique sont éliminés dans la première minute de temps de contact.
Mots-clés:
- Filtration biologique,
- biodégradation,
- ozonation,
- aldéhyde,
- acides cétoniques,
- matières organique naturelle,
- COA et CODB
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