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Abstract
The optimal use of ozonation as a pretreatment process prior to biological treatment of Ohio River water was investigated at both the bench (batch) and pilot-plant (continuous flow) scale. The study focused on disinfection by-products (DBPs) and DBP precursor compounds and on the production of biologically stable water. Biotreatment was achieved using a bench-scale fixed-film reactor with sand acclimated to the raw Ohio River water.
Ozonation was found to create a number of aldehydes, in particular formaldehyde, methyl glyoxal, glyoxal and acetaldehyde. With the exception of formaldehyde, a plateau in the aldehyde yield occurred at an ozone to total organic carbon (03/TOC) ratio of 0,7 mg/mg, while formaldehyde increased with increasing ozone dose. After biotreatment, the concentration of aldehydes were below 1 µg/1. Increasing ozone doses were also found to increase the assimilable organic carbon (AOC), by both NOX and P17 procedures, and the biodegradable dissolved organic carton (BDOC). The AOC values showed a maximum at about an 03/TOC ratio of 2 mg/mg, white the BDOC continued to increase with the highest ozone dose : an 03/TOC ratio of 2,8 mg/mg.
Both ozonation and biotreatment were fond to decrease the chlorine demand by up to 75 % for ozonation and 55 % for biotreatment.
Similar trends were found for the impact of ozonation and biotreatment on the precursor compounds for total organic halogen (TOX), total trihalomethanes (TTHMs) and total haloacetic acids (THAAs), as measured by the formation potential (FP) test : 12 mg/l chlorine, 7 days, 25 °C, 6.5-7.2 pH. An ozone dose of 0.4 03/DOC (mg/mg) decreased the TOXFP, TTHMFP and THAAFP by 28 %, 23 % and 33 %, respectively. Further increases in ozone only marginally increased the amount of the TOXFP and TTHMFP removed, white a maximum removal of 53 % of the THAAFP occurred at 03/DOC ratio of 0.87 mg/mg. Biotreatment of the nonozonated samples yielded 39 %, 38 % and 73 % removal of the TOXFP, TTHMFP and THAAFP, respectively. Biotreatment of the ozonated sample yielded a 30 to 50 % reduction in TOXFP and TTHMFP, while a constant level of 30 to 40 µg/l of THAAFP was achieved. Chloropicrin formation potential increased with ozone dose, but subsequent biotreatment reduced it to below 0.2 µg/l.
Ozonation was Pound to oxidize chorine demand and the precursors for TOX, THM and HAAs. However, it created chloropicrin precursors, aldehydes and other biodegradable organic matter. Biotreatment was found to further reduce the chlorine demand, the precursors for TOX, THMs and HAAs and reduce the ozone created disinfection by-products.
Keywords:
- River water,
- ozonation,
- biodegradation,
- biodegradable dissolved organic carbon (BDOC),
- assimilable organic carbon (AOC),
- aldehydes,
- disinfection by-products precursors,
- chlorine demand,
- TOX,
- THM,
- HAA,
- chlompicrin
Résumé
L'objectif de ce projet, commun à l'Agence Américaine pour la Protection de l'Environnement (USEPA) et l'Université de Cincinnati, est d'optimiser l'usage de la préozonation associée à des procédés biologiques pour le traitement de l'eau de la rivière Ohio en vue de produire une eau biologiquement stable, d'éliminer une partie importante de la demande en chlore, et de réduire le potentiel de formation des sous-produits de la disintection. Ce projet a été conduit à l'échelle pilote et à l'échelle du laboratoire. Pour le traitement biologique, des bioréacteurs, contenant un film biologique sur un sable acclimaté aux eaux de la rivière Ohio, ont été utilisé.
Une attention particulière a été portée à l'étude des sous-produits de la disinfection (DBPs) et de leurs précurseurs.
Les résultats de l'ozonation ont démontré la formation d'aldéhydes : formaidéhyde, méthyl glyoxal, glyoxal et acétaldéhyde. A l'exception du formaldéhyde, les aldéhydes augmentent avec l'augmentation de la dose d'ozone, puis se stabilisent à un rapport d'ozone/carbone organique total (O3/COT) de 0,7 mg/mg. La formaldéhyde continue à augmenter proportionnellement aux doses d'ozone. Après traitement biologique, la concentration en aldéhydes diminue au dessous de 1 µg/l.
L'augmentation de la dose d'ozone augmente le carbone organique assimilable (COA), (COA P17 ou COA-NOX), ainsi que le carbone organique dissous biodégradable (CODE). Le COA atteint un maximum pour une dose O3/COT de 2 mg/mg, alors que le COU continue à augmenter avec l'augmentation de la dose d'ozone jusqu'à une dose O3/COT de 3 mg/mg.
La demande en chlore est réduite par les deux traitements, soit l'ozonation soit les procédés biologiques, respectivement de 75 % par l'ozonation et 55 % par les traitements biologiques.
Des résultats similaires ont été trouvés en ce qui concerne l'effet des différentes doses d'ozone et des traitements biologiques sur les précurseurs des composés organiques halogénés totaux (TOX), les trihalométhanes (THMs) et les acides acétiques halogénés (HAAs). Les précurseurs sont mesurés par le potentiel de formation (FP), (conditions expérimentales : 12 mg/l de chlore, 7 jours de contact, 25 °C et pH 6,5 - 7,2). A une dose d'O3/COD de 0,4 mg/mg, les TOXFP, les THMFP et les HAAFP sont diminué de 28 %, 23 %, et 33 % respectivement. L'abattement des TOXFP et des THMFP continue légèrement avec une augmentation de la dose d'ozone, alors que les HAAFP sont diminués de façon plus marquée avec une dose d'O3/COD de 0,87 mglmg. Avec le traitement biologique et même sans préozonation, les TOXFP, les THMFP et les HAAFP diminuent de 39 %, 38 %, et 73 % respectivement. Avec le couplage de l'ozonation et le traitement biologique, les TOXFP et les THMFP sont diminués de 30 à 50 %. Les HAAFP se stabilisent entre 30 et 40 µg/l pour toutes les doses étudiées.
Le potentiel de formation de chloropicrine augmente par l'ozonation mais est réduit de suite par le traitement biologique, jusqu'à moins de 0,2 µg/l.
Donc, pour éliminer les sous-produits de la disinfection, la concentration optimale d'ozone pour l'eau de la rivière Ohio serait entre 0,6 à 1,0 mg/mg (O3/COT).
En conclusion, l'ozonation diminue la demande en chlore ainsi que les précurseurs des composés organiques halogénés (TOX, THM et HAA). Par contre, l'ozonation produit des autres sous-produits comme les aldéhydes et le chloropicrine et augmente le COA et le COD biodégradable, qui sert par la suite de substrat aux microorganismes. Les procédés biologiques sont efficaces pour diminuer les sous-produits d'oxydation, la demande en chlore et les précurseurs des composés organiques halogénés (TOX, THM et HAA).
Cet abattement permettra l'application de moins de chlore pour maintenir un résiduel dans le réseau et permettra aux usines d'atteindre des normes plus sévères que celles qui sont en effet maintenant.
Mots-clés:
- Eau rivière,
- ozonation,
- biodégradation,
- carbone organique dissous biodégradable (CODB),
- carbone organique assimilable (COA),
- aldéhydes,
- précurseurs des sous-produits de la disinfection,
- demande en chlore,
- TOX,
- THM,
- HAA,
- chloropicrine