Automatisation de la station d'épuration des eaux usées Malmoe Sjoelunda

La station de traitement de Malmoe-Sjoelunda qui avait été construite dès 1963, puis substantiellement agrandie en 1974, touchée par ces accords, devait assurer un traitement non seulement biologique, mais aussi chimique. Ainsi le degré d'épuration des eaux usées, en ce qui concerne la dégradation biologique mesurée par la demande biologique en oxygène, sur sept jours (DBO₅) devait être de 90 %, soit une valeur inférieure à 15 mg/litre. Dans la même proportion, la teneur en phosphore des rejets devait être limitée à 0,5 mg/litre.

La station d’épuration de Malmoe-Sjoelunda agrandie et modernisée sur ces bases a été mise en service en décembre 1979 et réceptionnée en août 1980.

Caractéristiques techniques

Les possibilités offertes par la station d’épuration sont maintenant les suivantes :

• — débit maximum par temps sec : 2,2 m³/sec.
• — débit maximum par temps de pluie : 4,4 m³/sec.
• — débit maximum pouvant être traité mécaniquement : 6 m³/sec.
• — dépollution rapportée à la DBO₅ : 40 tonnes/jour
• — équivalent/habitants : 750 000
• — quantité de matières décantables en tête de l'installation : 200 mg/litre
• — teneur en phosphore en tête de l'installation : 8 mg/litre
• — DBO₅ en tête de l'installation : 200 mg/litre
• — quantité de matières décantables après la décantation primaire : 100 – 150 mg/litre
• — temps moyen de rétention dans les bassins d’aération : 3,5 heures
• — quantité de matières décantables à l’entrée de l'étage de traitement chimique en provenance des lits bactériens : 50 mg/litre
• — quantité de matières décantables en tête de l’étage de traitement chimique en provenance des bassins d’aération : 15 mg/litre
• — DBO₅ des rejets : < 15 mg/litre
• — teneur en phosphore des rejets : < 0,5 mg/litre
• — quantité de boues primaires : 30 tonnes/jour

• — quantité de boues chimiques : 10 tonnes/jour
• — quantité de boues digestées : 500 à 600 m³/jour
• — quantité de boues déshydratées : 100 m³/jour

TRAITEMENT BIOLOGIQUE

Fig. 1. — Station d'épuration des eaux usées de Malmoe-Sjoelunda, schéma :

1. 1. Station de relevage
2. 2. Dégrillage
3. 3. Désableurs
4. 4. Décanteurs primaires
5. 5. Bassins d’aération
6. 6. Décanteurs secondaires
7. 7. Lits bactériens
8. 8. Unités de floculation-flottation
9. 9. Épaississeurs
10. 10. Digesteurs
11. 11. Réservoirs pour les boues chimiques et biologiques
12. 12. Presses à bande

CONSTITUTION DE LA STATION D’EPURATION

La figure 1 schématise les différentes étapes de traitement réalisées dans cette station. Elles se composent pour l’essentiel :

• — d’un étage de traitement mécanique avec dégrillage et désablage aéré (quatre unités chacun), d’une décantation primaire dans huit bassins ;
• — d’un étage de traitement biologique par boues activées dans six bassins d’aération ou par lits bactériens dans quatre tours ;
• — d’un étage de traitement chimique pour la déphosphatation par floculation-flottation comportant deux chaînes de huit bassins combinés chacune. Ces deux chaînes peuvent traiter séparément ou non les eaux qui ont été épurées biologiquement selon les deux possibilités citées. La floculation peut y être réalisée par l’addition de sulfate d’aluminium ou de chlorure de fer. Pour des raisons économiques, la priorité est donnée au second floculant ; celui-ci constitue en effet un produit résiduel d’une entreprise voisine où il est acquis dans des conditions favorables.
• — d’un étage de digestion après une décantation dans huit épaississeurs. Quatre tours couplées deux à deux traitent les boues primaires et en excès,

Le méthane qui a été récupéré en tête des digesteurs est brûlé dans une chaudière qui alimente en vapeur le système de chauffage urbain. Les besoins propres de l’installation sont, en retour, achetés à l’organisme correspondant.

• — d’un étage de déshydratation par huit presses à bande des boues digestées et flottées. Celles-ci ont été préalablement stockées séparément dans deux silos, ce qui permet une alimentation continue de l’installation. L’efficacité de la déshydratation est améliorée par l’addition de réactifs.

La boue pelletable est évacuée par containers dont le remplissage est entièrement automatisé.

Chaque semaine la teneur en éléments métalliques des boues déshydratées est mesurée :

• — les limites imposées sont respectées : la boue est alors compostée ou directement utilisée dans l’agriculture comme engrais. Les coûts sont alors respectivement de 250,— skr ou de 50,— skr par tonne.
• — les limites supérieures sont dépassées : la boue est compostée, mais ne peut être seulement utilisée comme engrais que dans les jardins publics.

APPAREILLAGE DE MESURE

La station d’épuration des eaux usées de Malmoe-Sjoelunda comporte quelque 200 points de mesure. Quelques-uns d’entre eux sont constitués seulement par une indication locale ou bien la valeur de la mesure est traitée directement sur le site. La majeure partie, soit environ 150 valeurs, est transmise dans les deux salles de contrôle où elles sont utilisées pour la conduite du processus.

Pour l’essentiel, il s’agit de :

• - 34 mesures de niveaux ;

• - 54 mesures de débit ;
• - 12 mesures d’oxygène dissous ;
• - 1 mesure de pH ;
• - 5 mesures de teneur en boues ;
• - 11 mesures de température ;
• - 1 mesure de conductivité ;
• - 7 mesures de quantité d’énergie ;
• - 10 mesures de pression ;
• - 5 mesures de poids.

Ces grandeurs physiques sont transmises par le signal normalisé 0 — 20 mA et mesurées selon les principes suivants :

• — mesures de niveau par ultra-sons ;
• — mesures de pression statique à l’aide d’une membrane provoquant la variation de capacité d’un condensateur, par exemple dans les fosses de relevage ;
• — par capteurs de pression. Montage sur vanne d’arrêt et raccord de rinçage. Après un an de service il n’a pas été nécessaire de réajuster ces capteurs ;
• — mesures de débit par ultra-sons. Ces mesures sont vérifiées chaque trimestre. Jusqu’ici il n’a pas été nécessaire de réajuster le point zéro ;
• — mesures de débit par capteurs à induction. Les capteurs sont protégés contre les dépôts par un revêtement en téflon. Pour des raisons de maintenance, ceux-ci sont montés sur by-pass. Cet appareillage est vérifié chaque semestre. Jusqu’ici il n’a pas été nécessaire de réajuster les capteurs ;
• — mesures de la teneur en oxygène dissous avec électrode à membrane. Par mesure prophylactique, l’électrolyte est changé chaque mois. À cette occasion le point zéro est vérifié, et si nécessaire, réajusté ;
• — mesures de la valeur du pH. Cette mesure est contrôlée journellement ; l’électrode est rincée chaque semaine. En même temps on vérifie si le volume tampon de CO₂ est suffisant. Un réajustement est rarement nécessaire ;
• — mesures en teneur de boues avec un photomètre à quatre faisceaux lumineux clignotants. Chaque semaine les fenêtres sont nettoyées pour éviter un dépôt graisseux possible. Chaque mois le point zéro et la pente de la caractéristique sont vérifiés. Selon que les mesures en laboratoire donnent une autre qualité de boue, l’étalonnage de cet appareil est modifié en conséquence.

Tous ces équipements de mesure sont surveillés et contrôlés par le personnel même de la station d’épuration.

CONDUITE DU PROCESSUS

Les critères fixés sont :

• — un niveau de commande manuelle à partir de tableaux conventionnels incluant les verrouillages de base ou de sécurité ;
• — une automatisation complète de la station par l’utilisation de calculateurs industriels ;
• — une visualisation des synoptiques sur console couleur avec commande par crayon lumineux.

Les distances relativement importantes entre les deux centres de gravité de la station d’épuration, à savoir d’une part les traitements mécanique, biologique, et d’autre part le traitement chimique, ont conduit à l’implantation de deux salles de contrôle appelées Byggnad B/X et Byggnad Z.

Tous les points de mesure ainsi que la signalisation en retour nécessaires à la conduite du processus y ont été respectivement câblés. Les organes de commande manuelle de la salle de contrôle Byggnad B/X sont montés sur des sections en tôle.

Pour des raisons d’encombrement et de coût, il n’a été prévu dans la salle de contrôle Byggnad Z que les éléments de commande et de signalisation pour une unité de floculation-flottation. Ceux-ci ont été intégrés dans un synoptique à éléments modulaires (mosaïque). Une des seize unités devra, au préalable, être sélectionnée avant d’effectuer une manœuvre dans celle-ci.

Dans le mode opératoire manuel, les verrouillages de base ou de sécurité ont été réalisés en technique câblée à l’aide de modules électroniques SIMATIC C 1, éliminant ainsi toutes fausses manœuvres possibles.

La figure 2 représente la configuration du système d’automatisation qui se compose :

• — du calculateur de processus SIEMENS 310 K avec une capacité mémoire de 64 k mots ;
• — du package logiciel SIMAT C spécifique avec les modules fonctionnels pour la surveillance, la commande et la programmation en FORTRAN C. Cette dernière fonction permet de réaliser les tâches spécifiques de l’utilisateur qui n’ont pas été standardisées.

Les tâches réalisées par les calculateurs de processus sont pour l’essentiel :

• — commande séquentielle technologique ;
• — calcul de paramètres spécifiques à partir des grandeurs physiques mesurées ;
• — calcul de valeurs de consigne à l’aide d’algorithmes appropriés pour la conduite de régulateurs suiveurs raccordés ;
• — saisie et traitement de la signalisation en retour, des dérangements, des alarmes externes ou des

Franchissements de seuils définis dans le logiciel, comptabilisation du temps de fonctionnement des organes moteurs, pour l’affichage ou pour l’édition de journaux correspondants.

Les calculateurs de processus traitent ainsi environ 150 valeurs analogiques et 1 500 signaux binaires. Plus de 250 organes moteurs doivent être commandés suivant des programmes cycliques ou acycliques complexes.

La partie régulation a été réalisée avec des régulateurs compacts TELEPERM 30 S, pas à pas ou bien 30 K à sortie continue. Ces régulateurs sont incorporés dans les tableaux de commande conventionnels.

Ainsi 28 boucles de régulation sont en service dans les étages de traitements mécanique, biologique ainsi que dans l’étage de traitement des boues ; 27 boucles sont utilisées dans l’étage de traitement chimique et 5 pour la déshydratation des boues. Cet étage de déshydratation fonctionne séparément et n’a pas été rattaché au système d’automatisation précédemment décrit.

Parmi ces boucles on citera :

• • régulation de proportion pour insufflage de l’air en fonction du débit d’eaux à traiter avec correction selon la teneur en oxygène dissous. La demande en air surpressé sera ajustée par la mise en ou hors service de compresseurs ;
• • régulation à consigne fixe pour les purges de boues en excès d’après les analyses de laboratoire ;
• • régulation en proportion pour le retour des boues en fonction du débit des eaux à traiter, selon les indications du laboratoire ;
• • régulation en proportion pour le dosage des réactifs chimiques ;
• • régulation pour une répartition symétrique des charges entre les différentes unités de floculation-flottation ;
• • régulation en proportion entre la quantité de boues chimiques et digestées pour l’alimentation de l’étage de déshydratation, selon les indications de laboratoire.

L’automatisation de la station de Malmö-Sjöelunda a été poussée à son maximum, de telle sorte que le personnel d’exploitation n’est présent sur le site que pendant la journée normale de travail, soit huit heures. Ainsi, pendant la nuit ou en fin de semaine, la station est inoccupée. Pendant ces périodes, une liaison temporaire est établie avec un bâtiment administratif distant de quelques kilomètres, dans lequel se trouve une permanence. Les dérangements ou alarmes y sont édités sur une imprimante (figures 2, 5). Selon le degré d’urgence, l’équipe en disponibilité sera dépêchée sur les lieux.

Le système de visualisation de surveillance (figures 2, 2) est réalisé à partir de consoles à écran couleur. Ainsi, il a été possible de concevoir des salles de contrôle de dimensions réduites et cependant techniquement très confortables quant à la conduite de l’installation.

Sur ces consoles (figures 2, 9) apparaissent les synoptiques dynamiques des différents ensembles de traitement. Le système EAF couplé au système SIMAT C permet de composer au maximum 47 images correspondant chacune à une surface égale au plus à six fois celle de l’écran.

À l’aide d’un levier, l’image sélectionnée défile devant l’écran.

Les images sont construites à l’aide de 256 symboles disponibles sur quatre claviers virtuels. Ces images sont dynamiques en ce sens que :

• – lors d’un changement d’état, le symbole complémentaire apparaît ;
• – les grandeurs physiques peuvent y être représentées par un barreau mobile ou/et par leur valeur digitale ;
• – la signalisation de franchissements de seuils fixés y apparaît suivant une codification spéciale comme symbole et sous forme de texte court.

Le cycle d’actualisation de l’image est de l’ordre de la seconde.

Le système EAF permet en outre :

• – l’intégration d’un champ de sept courbes au maximum par image ;
• – la représentation simultanée sur une image spécifique de sept histogrammes quelconques représen-

tant respectivement par des valeurs moyennes de six minutes un graphe de 24 heures. Cet intervalle est à définir dans le temps par l’opérateur. Pour le suivi d’un graphe actuel, il est possible de commuter la représentation sur une vitesse de saisie plus rapide ;

• – l’appel, indépendamment de l’image momentanément présente sur l’écran, par la touche d’acquittement de l’image correspondante au défaut présent. La partie du synoptique dans laquelle se situe l’origine du défaut apparaîtra automatiquement au centre de l’écran ;
• – la mise en marche ou l’arrêt, à l’aide du crayon lumineux, d’un quelconque organe moteur ainsi que le démarrage ou l’arrêt de commandes séquentielles ;
• – l’édition sur l’imprimante (figure 2, 5) de chaque manipulation, de chaque dérangement ou alarme.

Grâce à la communication entre les calculateurs de processus, il est possible de surveiller et de conduire l’installation totale à partir de l’une des deux salles de contrôle.

Le calculateur de processus (figure 2, 3) a pour tâche de saisir dans les systèmes d’automatisation toutes les données nécessaires et de les traiter sous forme de procès-verbaux journaliers et mensuels de maintenance par l’intermédiaire d’une imprimante de sortie.

CONCLUSION

L’expérience menée avec les systèmes d’automatisation, de surveillance et de conduite, après deux ans de fonctionnement est concluante. Le personnel d’exploitation s’est, pendant la phase de mise en service, rapidement familiarisé à cette nouvelle technique.

La surveillance et la conduite par l’intermédiaire de consoles de visualisation constituent un réel progrès, grâce à la rapidité d’action obtenue ainsi qu’à la transparence du processus. La mise en œuvre de tels systèmes d’automatisation a pour conséquence immédiate l’optimisation de la consommation en réactifs chimiques, en énergie, ainsi que l’optimisation du personnel à employer. Ainsi cette installation de 750 000 équivalents-habitants n’emploie que 26 personnes comprenant le personnel d’encadrement, d’exploitation, de laboratoire et de maintenance.

Après la mise en service et grâce à la haute disponibilité des calculateurs de processus qui est supérieure à 99,95 %, il s’est avéré qu’il était possible de conduire cette installation par un seul homme à partir de la salle de contrôle Byggnad B/X. La salle de commande Byggnad Z est depuis lors inoccupée et ne sert que pour des manipulations momentanées ou en secours.