Une station d’épuration se présente soit comme une unité de production autonome au sein d'une usine, soit comme une véritable usine avec ses ateliers, ses magasins, son administration lorsqu’il s’agit de traiter les eaux d'un grand ensemble urbain ou industriel. Comme toute installation industrielle, sa raison d'être est l'obtention d'un produit répondant à certaines normes de qualité et de quantité avec un coût minimum. Le critère économique doit tenir compte des incidences de la solution préconisée à la fois sur les investissements et sur les frais d’exploitation (main-d’œuvre, énergie électrique, réactifs, etc.).
L'automatisme étant le moyen de réaliser ces objectifs, l'épurateur a dû assimiler ses techniques pour participer au développement de leurs applications dans le traitement des eaux usées. Les progrès sont sensibles et des solutions satisfaisantes, adaptées aux cas les plus délicats, apparaissent.
Quelques rappels préalables sur les structures générales des chaînes automatisées nous aideront à dégager les caractères principaux des diverses possibilités offertes au concepteur.
1 ‑ RAPPELS
Les automaticiens se sont d’abord attachés à résoudre les problèmes de commande et de stabilité des systèmes asservis avant de s'intéresser à ceux que posent la représentation des systèmes physiques. Cette démarche initiale a abouti à la réalisation d’asservissements dont le meilleur exemple est celui utilisant le régulateur du type PID. Un habile dosage du signal d’erreur (écart entre la variable de sortie et la consigne) de son intégrale et de sa dérivée constitue le signal de commande ; on obtient satisfaction dans de nombreux cas.
Il ressort immédiatement que l'emploi de ces régulateurs est limité aux cas simples où la variable de sortie a une seule composante à réguler, mesurable en continu. Pour les problèmes complexes, ce régulateur élémentaire ne suffit plus, ne serait-ce que pour assurer la stabilité, ou encore lorsqu'on cherche des performances meilleures ; il est alors nécessaire de connaître le processus pour le modéliser.
Le modèle est un mode de représentation du système tel qu'il permette de prévoir son comportement à partir de l’observation des variables d’entrée. Il est alors possible d'agir sur le processus dans le sens désiré.
L'élaboration d'une commande optimale exige une description de ce processus par des lois mathématiques. Lorsqu'il y a recours à un modèle physique (comme nous le verrons ci-après) un modèle mathématique doit le compléter même s'il doit être simple.
Le modèle mathématique, issu de l'étape qualitative de caractérisation des phénomènes, contient des paramètres dont les valeurs numériques restent
à déterminer dans la phase quantitative d'identification.
L'évolution du traitement peut remettre en cause la validité du modèle et il faut souvent procéder à une réidentification de ses paramètres. Dans les systèmes à boucle ouverte seul l’exploitant peut le faire, alors que la présence d'un rétro-contrôle permet en général l'auto-adaptation.
ε(t) = écart entre les composantes des variables de sortie réelles et estimées.
Très schématiquement, on peut distinguer deux catégories de modèles mathématiques :
- — Les modèles de connaissance qui exigent une analyse physique. Ce sont en réalité les lois de la physique, de la chimie et de la biologie. Ces modèles ont généralement un pouvoir prédictif élevé.
- — Les modèles empiriques ou de représentation qui reprennent l'idée de la « boîte noire » et qui s’en tiennent strictement au comportement. Ils ont l'inconvénient d'exiger une longue période d'essai sur le processus. En fait, la vérité est intermédiaire et les boîtes sont « grises ».
La complexité du processus peut être telle que l'on ne sache pas la décrire avec suffisamment de précision pour toutes les valeurs possibles des variables d'entrée. On cherchera alors un modèle physique consistant en une reproduction sur maquette de tout ou partie du phénomène. Certaines grandeurs de sortie, obtenues pour des commandes particulières, peuvent être observées dans un délai très court par rapport aux constantes de temps du traitement réel.
L'utilisation de l'ordinateur facilite l'exploitation et améliore la fiabilité de tels modèles.
Il ressort de ces propos que la définition d'un modèle est la phase principale des travaux d'automatisation. Les qualités de conformité, de spécificité et d'efficacité qui lui sont demandées seront plus ou moins difficiles à obtenir selon, d'une part, les possibilités de caractérisation des phénomènes à partir des capteurs disponibles et, d'autre part, les conditions de son utilisation. Examinons maintenant ces deux aspects.
2 - L'INSTRUMENTATION EN EAUX USÉES
On peut s’étonner de trouver dans le domaine du traitement de l'eau une instrumentation moins riche que dans d’autres industries. Ce retard est probablement dû à une incitation économique tardive pour les instrumentistes et à des difficultés inhérentes aux eaux usées.
Dans une rapide présentation des capteurs disponibles pour l'automatisation, nous trouvons :
a) Les mesures de débits et de niveaux.
On dispose de capteurs fiables n'exigeant qu'un entretien réduit :
- — débits des eaux chargées en boues : capteurs électromagnétiques et les plus récents capteurs à ultrasons,
- — débits des eaux peu chargées en boues : on se ramène généralement à une mesure de niveau dans un canal ouvert comportant un déversoir ou un venturi,
- — débit d'air insufflé : on mesure une pression différentielle créée par un diaphragme ou un venturi,
- — niveau : les niveaumètres à tube et à ultrasons sont les plus courants.
b) Mesures de concentrations :
- — oxygène dissous : c'est une mesure essentielle pour le contrôle des processus biologiques. En plus des précautions normales d'installation et d'utilisation, il faut noter les risques d'interférences avec les chlorures et d’empoisonnement avec des réducteurs comme H₂S,
- — ions spécifiques : on trouve ces mesures en vue d'une action physico-chimique de neutralisation (pH, rH, Cu²⁺, CN⁻, etc.) ou de dosage (Cl⁻). Il importe quelquefois de surveiller la teneur en NH₄⁺ et en NO₃⁻.
Les électrodes spécifiques ont leur emploi souvent limité par des interférences dues à la présence simultanée d'un grand nombre d'ions de potentiels électriques voisins,
Leur utilisation pour le contrôle des processus biologiques impose de fréquents étalonnages correspondant aux fluctuations du rapport DCO/DBO₅ (ou DTO/DBO₅).
Le colmatage des circuits internes, la diminution de la représentativité de la mesure due au filtrage de l’échantillon, sont les conséquences des faibles volumes adoptés.
- — matières colloïdales et matières en suspension : on utilise la propriété qu’ont ces particules de diffuser la lumière. Soit a le diamètre de la particule (supposée sphérique) et λ la longueur d’onde de la lumière incidente. Deux cas nous intéressent pour les eaux usées :
- * λ/20 < a < λ : les lois de la diffusion sont très complexes et on préfère mesurer l’atténuation de la lumière transmise —
I transmise = I incidente — (I diffusée + I absorbée)
Les appareils construits sur ce principe sont appelés opacimètres —
- * λ < a : il y a essentiellement diffraction de la lumière.
L’intensité d’un rayon (monochromatique) diffracté varie en fonction de a, λ et de l’angle d’observation suivant une loi parfaitement connue. Il est possible de calculer la répartition granulométrique à partir de la distribution de l’énergie mesurée dans les fenêtres d’observations. Les instruments de contrôle industriel se limitent à une ou plusieurs fenêtres. Par exemple, nous pouvons mesurer avec un laser He-Ne (λ = 0,633 μm) la somme des volumes des particules de 1 à 20 μm contenues dans l’effluent à la sortie d’un clarificateur afin de contrôler son efficacité.
Les problèmes posés par les mesures optiques sont dus aux dérives de la source lumineuse, à l’atténuation de la lumière incidente provoquée par l’encrassement, à la présence de bulles de gaz dans l’échantillon, etc. De plus, la réponse de l’opacimètre n’est pas linéaire aux fortes concentrations en raison de l’augmentation des diffusions secondaires et, contrairement à la diffraction, la diffusion est influencée par les variations des indices de réfraction. En dépit des remèdes adoptés pour corriger ces erreurs, la mesure de l’opacité d’un milieu n’aura qu’une correspondance assez lointaine avec les MES.
Les capteurs de niveau du voile de boues dans les décanteurs sont dérivés des opacimètres. La mesure en continu de la hauteur du voile de boues ne peut être utilisée seule pour les extractions automatiques des boues en excès.
c) Les analyseurs automatiques de pollution :
Mesures de la DCO et de la DTO.
— Analyseur de biodégradabilité (Respiromètre) : voir ci-après.
d) Système « Autofloc » de détermination du taux de réactifs optimal pour un clarifloculateur.
Le principe est une mesure de turbidité au cours de la phase de coagulation sachant qu’à un maximum de cette turbidité correspondrait un minimum de turbidité résiduelle après décantation.
Notons enfin que la fiabilité des automatismes utilisant ces analyseurs peut être compromise par un mauvais fonctionnement de la chaîne d’alimentation des échantillons et qu’il faut apporter un soin particulier à sa réalisation.
3 - LES CHAÎNES DE RÉGULATION
- — Les premiers automatismes ont régulé une variable de sortie mesurable en continu. Ainsi, les actions physico-chimiques sont jusqu’ici presque exclusivement réalisées avec des régulateurs du type PID. On citera :
- ° la neutralisation du pH,
- ° la réduction de certains ions (métalliques par exemple) par un contrôle du potentiel redox,
- ° apports d’éléments extérieurs proportionnellement au débit (désinfection par chloration, apports d’ammoniaque, etc.).
— Le taux d’oxygène dissous dans les cuves biologiques est également maintenu constant avec de tels asservissements. Seule la grande variété des dispositifs d’aération engendre les particularités. La réalisation d’un système performant est essentielle : un défaut prolongé d’oxygénation aurait des conséquences fâcheuses pour la qualité de l’eau épurée, mais un excès n’améliorerait pas l’épuration et entraînerait une surconsommation en pure perte qui peut être estimée à 12 % environ par mg/l d’O₂ dissous au-dessus de ce qui est nécessaire. La bonne représentativité de la mesure, l’obtention d’un milieu homogène implique, pour la régulation, la prise en compte des impératifs de brassage.
— L’extraction des boues en excès est une autre fonction que l’on peut être tenté d’automatiser avec de tels asservissements en utilisant une mesure d’opacité des boues. Cette mesure n’est guère satisfaisante pour évaluer les MES et le recours à un modèle biologique, prenant en compte d’autres paramètres, est par conséquent indispensable sauf dans les cas simples des petites stations où les cycles de pollution sont réguliers et les quantités à extraire pratiquement constantes.
Nous abordons là le problème de la modélisation des processus biologiques de l’épuration et, qu’il s’agisse d’extraction des boues en excès ou de contrôle de la charge polluante à l’entrée, le principe de base adopté par O.T.V. sera le même, seules les formes définitives du modèle diffèrent en fonction de l’application et des moyens mis en œuvre. La respiration qui est en relation directe avec les besoins
énergétiques de la cellule, nous renseigne sur l'intensité des réactions anaboliques. C'est la seule variable d'essence biologique qui soit accessible.
La détermination de la consommation d'oxygène à partir du régime d’aération permet l’estimation de la quantité de pollution traitée et par conséquent de la production de boues. Les extractions sont ensuite réparties de façon à agir dans le sens du maintien du rapport de proportionnalité entre la population active et la charge instantanée (théorie du taux de croissance). Le risque de déséquilibre entre les différentes espèces est diminué et la régularité des résultats améliorée. Ces avantages auront une incidence économique d’autant plus grande que l’âge des boues sera faible et les flux de pollution variables.
— Certains rejets industriels sont carencés en azote ou en phosphore et il est nécessaire de doser cet apport d'éléments nutritifs en fonction de la pollution à traiter ; nous le faisons sur les bases de l’estimation qui nous a permis la détermination de la production de biomasse. À la différence de l’automatisme des extractions des boues en excès, ce mode d’évaluation du flux polluant ne convient pas toujours. En effet, la valeur instantanée de la respiration globale est très bruitée en raison de la complexité des lois mécaniques du système et il est indispensable de la filtrer en introduisant un retard parfois préjudiciable. Une solution à ce problème d’évaluation de la pollution biodégradable avec anticipation sur le processus est proposée pour la régulation de la charge.
— Les difficultés apparaissent véritablement avec les traitements des rejets industriels très souvent caractérisés par des débits et des compositions très variables. Si le contrôle de ce flux ne s'avère pas toujours absolument indispensable, il demeure néanmoins le moyen d'approcher l’optimum du fonctionnement du processus biologique. Ce système suppose évidemment l’existence d’un traitement complémentaire qui atténuera les fluctuations de la charge en la répartissant dans le temps avec un bassin tampon ou en l’écrétant avec une clarifloculation.
Les premières régulations de charges polluantes ont été effectuées, en dépit de leurs inconvénients, avec des analyseurs de composition chimique des effluents (DCOmètre, DTOmètre, etc.). Dans certains cas il a fallu ajouter un système de détection de la toxicité des rejets. En réalité, seuls les toxiques violents sont susceptibles de déclencher une alarme et ces dispositifs risquent de ne pas prévenir une lente détérioration du traitement.
Le recours à un modèle physique plus perfectionné des phénomènes biologiques est le prolongement des techniques d'analyses mises au point au Centre de Recherches d'O.T.V. Une présentation détaillée de ce nouveau système est faite ci-dessous.
— Nous venons d'évoquer l’intérêt majeur des traitements physico-chimiques qui est sa souplesse d’adaptation aux fortes variations de charges que l'on peut rencontrer dans les zones industrielles ou urbaines à grandes fluctuations de population. Il est bien sûr attendu de l’automatisation du procédé une constance dans la qualité de l’eau épurée associée à une consommation minimale de réactifs très onéreux. Là aussi nous ne disposons pas de modèles mathématiques suffisants car leur étude exige de nombreux essais qui risquent d’être contestés par l’évolution de la nature des rejets. L'adoption d'un modèle physique est à nouveau la solution retenue par O.T.V.
4 - EXEMPLES DE DÉVELOPPEMENTS RÉCENTS
a) Contrôle de la charge polluante par un respiromètre automatique (brevet O.T.V.)
En injectant un substrat dans un réacteur correctement aéré et contenant des boues prélevées dans la station, on peut suivre instantanément la consommation d’oxygène et déterminer l’aptitude des microorganismes à le dégrader.
À cette notion de traitabilité s’attachent deux paramètres essentiels pour la conduite du traitement qui sont la cinétique globale des réactions biologiques et la quantité de pollution dégradable par les microorganismes en présence. La durée des réactions aérobies est en effet limitée par le temps de séjour dans la cuve d’aération, ce qui nous conduit à une contrainte sur le débit. Par ailleurs, l’équilibre de la population bactérienne est susceptible d’évoluer avec la quantité de pollution dégradable introduite.
La charge polluante influence donc le rendement énergétique et la qualité de l'épuration. Une charge optimale sera alors déduite après examen des résultats d’exploitation et l’algorithme de régulation permettra de l’approcher dans le respect des diverses contraintes.
On met en évidence la similitude de fonctionnement du modèle et du processus en distinguant les phases dites de « contact » et d’« assimilation ».
La phase de contact où les chaînes carbonées sont scindées et fixées par les micro-organismes correspond à la courbe obtenue avant le retour de la respiration à sa valeur initiale. La synthèse de la pollution adsorbée se poursuit dans l’assimilation.
Le contrôle du débit est effectué par rapport aux données obtenues sur l’adsorption de la pollution. Les fluctuations des paramètres du processus d’assimilation sont prises en compte puisqu’elles modifient la qualité des boues qui sont prélevées régulièrement pour effectuer les tests. Le rapport de la Demande en Oxygène (S) pour adsorber le flux de pollution admis dans la cuve d’aération sur la respiration « endogène » de l’ensemble des boues de cette cuve est particulièrement représentatif de la charge admise. Il est introduit comme consigne d’exploitation.
La détection des inhibiteurs n’est plus qu’un aspect de l’analyse de l’affinité des boues pour le substrat injecté. La présence de toxiques est associée à une diminution de la respiration moyenne et de la cinétique d’adsorption. Dans certains cas la tendance inhibitrice ne se déclare qu’à la suite d’un grand nombre d’injections ; inversement, l’adaptation des boues à un substrat peut demander plusieurs jours. Ces problèmes de traitabilité étant fréquemment posés avec les rejets industriels, l’exploitant peut disposer d’un réacteur pour faire ces études.
— Pour être fiable et totalement automatisé, cet analyseur est doté (grâce à la présence d’un micro-ordinateur) d’un grand nombre de contrôles. On peut citer les fonctions suivantes :
- * autocontrôle du bon fonctionnement de tous les organes mécaniques et instruments de mesure,
- * autoétalonnage des sondes à oxygène et calcul du transfert d’oxygène dans les boues,
- * solutions de rechange en cas de panne sur l’un des réacteurs.
On notera enfin que :
- — la durée du test est de 20 minutes environ,
- — le choix de la consigne de débit doit tenir compte du fonctionnement du traitement complémentaire,
- — les extractions de boues et les apports éventuels d’oligo-éléments sont également déduits des tests respirométriques,
- — des journaux d’exploitations et des graphes sur les bilans des données d’exploitation peuvent être mis à disposition,
- — la station d’épuration des rejets de fabrication de produits pharmaceutiques de l’usine SAPCHIM à Sisteron est automatisée par un système possédant ces caractéristiques. Ci-dessous la salle de commande avec le pilote à gauche.
b) Automatisation des procédés physico-chimiques (brevet O.T.V.).
Ce projet, inspiré du précédent, est en cours de réalisation.
Un floc-test associé à un décanteur constitue un modèle physique des clarifloculateurs. Un diffractomètre à laser He-Ne évalue, pour chaque dosage, le volume des particules restant en suspension après clarification. Trois essais sont effectués pour déterminer ainsi la courbe de l’efficacité du traitement en fonction du dosage de réactifs et en déduire le dosage optimal.
[Figure : sans légende]Durée des analyses : 10 minutes environ.
Le système de régulation de la clarifloculation est totalement intégré dans l’analyseur. Un rétrocontrôle sur l’eau de sortie du processus réel permet en effet une autocorrection des paramètres du modèle.
Les autres avantages sont :
- — l’utilisation d’un Floc-test qui est un meilleur simulateur du clarifloculateur que le Jar-test,
— le contrôle de la turbidité de l’effluent de sortie par un diffractomètre à laser et non par opacimètre,
— la présence, grâce au micro-ordinateur, des fonctions automatiques d’étalonnage et de contrôle du fonctionnement.
5 — CONCLUSIONS
L’instrumentation et l’automatisation d’une station d’épuration doivent être choisies en fonction de son importance et des variations quantitatives et qualitatives du flux de pollution. Les équipements actuellement disponibles permettent d’apporter des solutions satisfaisantes dans de nombreux cas en améliorant la fiabilité et en réduisant les coûts d’exploitation.
Beaucoup de stations d’épuration ont été équipées d’un dispositif électronique chargé d’effectuer des tâches de surveillance et de régulation.
La baisse du coût des ordinateurs numériques et des imprimantes permet maintenant leur utilisation sur des stations de moyenne importance.
La mise au point toute récente de nouveaux appareillages capables de simuler en continu et très rapidement l’impact de l’eau à traiter sur le comportement d’une station traitant une pollution présentant des fluctuations importantes constitue un progrès notable en biotechnologie.
