PARTICULARITÉS DU COMPTEUR ÉCHANTILLONNEUR. Il existe actuellement sur le marché de nombreux dispositifs d’échantillonnage d’effluents liquides, dont les principes de mesure et de prélèvement sont souvent similaires. La Société FLONIC a voulu, pour répondre aux besoins exprimés dans ce domaine, faire preuve d’originalité, en concevant sur des principes nouveaux un compteur échantillonneur qui se singularise sur les points suivants : • la constitution directe d'un échantillon journalier très représentatif de l'effluent déversé, tant en volume qu’en composition, • le comptage direct et précis du volume d’effluent rejeté, • le fonctionnement continu, entièrement automatique et fiable, malgré les conditions difficiles inhérentes à une implantation extérieure de l’installation et à la composition physique et chimique de certains effluents, • la conservation de l’échantillon journalier pendant un minimum de 24 heures, dans les conditions requises de température et de sécurité de l’installation, permettant les interventions de l'utilisateur pour assurer l'entretien périodique et recueillir les informations nécessaires à son propre usage. Cet appareil sera présenté au Salon POLLUTEC, en décembre 1980, sur le stand FLONIC. Il a bénéficié, pour sa mise au point, des conseils du Laboratoire Régional du Nord de l'IRCHA, qui l’a testé sur différents sites et en a contrôlé les performances.
F. GROS, Chef du Laboratoire Régional du Nord de l'IRCHA, à Villeneuve-d'Ascq.
A. PONCHON, Ingénieur à la Société FLONIC, Branche VINCENT-INDUSTRIE.
PARTICULARITÉS DU .
Il existe actuellement sur le marché de nombreux dispositifs d’échantillonnage d’effluents liquides, dont les principes de mesure et de prélèvement sont souvent similaires.
La Société FLONIC a voulu, pour répondre aux besoins exprimés dans ce domaine, faire preuve d’originalité, en concevant sur des principes nouveaux un qui se singularise sur les points suivants :
- • la constitution directe d'un échantillon journalier très représentatif de l'effluent déversé, tant en volume qu’en composition,
- • le comptage direct et précis du volume d’effluent rejeté,
- • le fonctionnement continu, entièrement automatique et fiable, malgré les conditions difficiles inhérentes à une implantation extérieure de l’installation et à la composition physique et chimique de certains effluents,
- • la conservation de l’échantillon journalier pendant un minimum de 24 heures, dans les conditions requises de température et de sécurité de l’installation, permettant les interventions de l'utilisateur pour assurer l'entretien périodique et recueillir les informations nécessaires à son propre usage.
Cet appareil sera présenté au Salon POLLUTEC, en décembre 1980, sur le stand FLONIC.
Il a bénéficié, pour sa mise au point, des conseils du Laboratoire Régional du Nord de l'IRCHA, qui l’a testé sur différents sites et en a contrôlé les performances.
PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT ET RÉALISATION TECHNOLOGIQUE.
Les solutions adoptées, dont certaines ont fait l'objet de brevets, permettent d’assurer avec précision et surtout fiabilité les cinq fonctions essentielles suivantes :
- • le prélèvement de l’échantillon primaire,
- • le comptage du volume d’effluent rejeté,
- • la constitution de l’échantillon journalier,
- • la conservation de cet échantillon,
- • la sécurité de l’installation.
1. PRÉLÈVEMENT DE L'ÉCHANTILLON PRIMAIRE.
Afin de permettre l'adaptation à tous les cas de figure pouvant être rencontrés, il est prévu deux systèmes de prélèvement que nous décrivons ci-après. L'un fait appel à un système de déversoir spécial, l’autre permet la mise en place du sur tous les seuils de mesures de débit déjà en place.
1.1. Système de prélèvement par déversoir spécial (1).
L’effluent rejeté est « conditionné » par une pièce appelée « déversoir » (voir fig. 1), de façon à former des jets en chute libre, selon un écoulement laminaire, quel que soit le débit. Un « godet de prélèvement », muni à sa partie supérieure d'une « fente calibrée », est animé d'un mouvement rotatif périodique ; en coupant perpendiculairement les jets d’effluent, il en intercepte un « échantillon primaire » représentatif en volume et en composition.
(1) Dispositif breveté en copropriété : G. de la ROCHEFOUCAULT, EDS S.A. et FLONIC S.A.
Contrairement aux autres procédés de « prélèvement par pompage », dont la sélection des particules solides lourdes ou légères est tributaire de la position de la crépine dans l’effluent, ce dispositif traite avec la même impartialité toutes les densités : en effet, la totalité du flux d’effluent étant coupée par la fente, l’échantillon recueilli a la même composition que l’effluent, même dans le cas de produits lourds tels que les boues, ou de produits légers et non miscibles tels que les huiles et les hydrocarbures.
a) Le déversoir.
Cette pièce comprend plusieurs canaux sensiblement parallèles et de profondeur différente. Leur fonction consiste à diviser l’effluent rejeté en plusieurs flux partiels, constituant chacun un jet vertical, réparti approximativement sur une portion cylindrique.
Lorsque le débit est faible, seul le canal le plus profond est alimenté, et au fur et à mesure que celui-ci croît, les autres canaux se remplissent successivement. La disposition et la forme de ces canaux ont pour effet de maintenir toujours une vitesse d’écoulement suffisante et, de ce fait, d’éviter la sédimentation des matières en suspension.
En aval du déversoir, un couvercle cloisonné intérieurement s’emboîte sur les canaux en formant des tuyères : celles-ci dévient les courants d’eau en les transformant en jets verticaux et établissent un régime d’écoulement laminaire.
b) Le godet de prélèvement à fente.
Cette pièce d’une contenance de deux litres environ est ouverte à sa partie supérieure par une fente métallique calibrée d’angle α. Celle-ci comporte deux lèvres minces en forme de lame, conçues de telle manière que seule puisse y pénétrer l’eau tombant sur cet orifice lors de son passage sous les jets et que l’autonettoyage soit réalisé.
La quantité recueillie à chaque fois, appelée « échantillon primaire », est aspirée à travers l’axe de pivotement du godet. Le mouvement de rotation périodique est assuré par un moteur synchrone avec une vitesse constante ω et une fréquence de passage σ ; ces deux paramètres pouvant être préréglés en fonction du taux de prélèvement à obtenir dont la formule est donnée par :
λ = α / ω
Un choix judicieux de ces paramètres σ, ω et α permet de garantir une bonne précision et de trouver un coefficient λ compatible avec les volumes de l’effluent rejeté et de l’échantillon à prélever. Cependant, λ ne pourra pas être inférieur à 1/10 000.
1.2. Système de prélèvement sur seuil de mesure de débit (2).
La relation entre hauteur d’eau et débit, qui est spécifique du seuil, est utilisée pour isoler un volume d’échantillon élémentaire représentatif du débit (voir figure 2).
La représentativité de l’échantillon en composition suppose que l’on isole une tranche de la veine liquide sur toute la hauteur de l’écoulement.
Deux méthodes sont utilisables :
— dans le cas d’un écoulement très hétérogène (huiles flottantes, sables décantables, etc.), la chambre d’isolement est constituée par un tube cylindrique qui descend dans l’écoulement et se ferme lorsqu’il atteint le niveau 0 du déversoir. La représentativité en volume est alors obtenue en faisant varier en continu la fréquence du cycle de prélèvement en fonction du débit écoulé sur le seuil et du volume d’échantillon isolé.
(2) Ce dispositif est un brevet IRCHA.
— dans le cas d'un écoulement homogène (ce qui est le cas le plus fréquent compte tenu des conditions d'écoulement des rejets d'eaux résiduaires), la chambre d'isolement possède par construction une forme intérieure telle, en fonction de la hauteur, que le volume d'échantillon collecté, est proportionnel au débit. Dans ce cas, la fréquence du prélèvement est fixe.
a) La chambre d'isolement.
Le volume intérieur de cette pièce tient compte de la loi de variation du débit en fonction de la hauteur d'eau, propre au déversoir, et de l'effet venturi engendré par la vitesse de l'écoulement au niveau de l'orifice inférieur de la chambre. Le diamètre de cet orifice (3 à 4 cm) permet d’éviter tout phénomène de bouchage.
La chambre est actionnée en descente depuis une position d'attente extérieure à la veine liquide. La vitesse de descente permet un remplissage progressif du volume à isoler. L'admission de liquide par l’extrémité inférieure de la chambre évite toute sédimentation de l'échantillon. En position finale, la chambre vient en butée contre une soupape réglée au niveau 0 du déversoir. La soupape peut être remplacée, suivant les cas par un siège approprié, solidaire du fond du déversoir et aménagé au niveau 0.
Dans cette position et grâce à la fermeture simultanée de clapets de mise à l'air situés dans la partie supérieure de la chambre, l'échantillon se trouve parfaitement isolé.
b) Le prélèvement de l’échantillon.
Dès que l’échantillon est isolé, une surpression de 4 à 5 bars est appliquée à l'intérieur de la chambre et expulse le liquide par l'intermédiaire d'un tube central plongeant. Une telle pression évite tout bouchage de l'orifice intérieur du tube (diamètre environ 1 cm) et permet de véhiculer l'échantillon jusqu’à un niveau élevé par rapport à celui du rejet, tout en conservant des vitesses d'écoulement propres à assurer l'autonettoyage du tube.
Après expulsion de l'échantillon et maintien d'une période de balayage du circuit, la chambre est actionnée vers le haut avec ouverture immédiate des clapets. Pendant la remontée, les parois intérieures de la chambre et le tube central sont nettoyés par un courant d’air comprimé ainsi que l’orifice inférieur de la chambre et le clapet en position haute finale.
L’ensemble du dispositif offre une bonne reproductibilité (écarts inférieurs à 1 %). Il permet par ailleurs de travailler avec des volumes de liquide importants. Sa conception le met à l'abri des problèmes de colmatage habituellement rencontrés dans le domaine de la constitution d'échantillons d’eaux résiduaires et lui confère donc une excellente fiabilité pour un fonctionnement sans surveillance.
Le faible encombrement du système permet de l'implanter dans un regard enterré et fermé. Les circuits de commande et d'évacuation sont alors souterrains, jusqu’à un poste central éloigné.
Pour les déversoirs de largeur importante (supérieur à 1 m) le prélèvement peut être réalisé en différents points, dans des positions aléatoires de façon à tenir compte, statistiquement, d'une éventuelle hétérogénéité latérale de la veine liquide.
2. COMPTAGE DU VOLUME D'EFFLUENT REJETÉ.
Les échantillons primaires, prélevés à chaque séquence sont envoyés par aspiration dans un « réservoir intermédiaire ». Un capteur à pression hydrostatique associé à un système, dit « bulle à bulle » en mesure à chaque fois le niveau. Le dépassement d'un seuil déterminé provoque automatiquement la vidange de « l'échantillon intermédiaire » dans un réservoir de stockage et la prise en compte de la mesure de niveau par la logique électronique : cette information est totalisée directement sur un compteur. (Voir figure 3.)
La mesure de niveau prise en compte étant faite dans une plage réduite, voisine du seuil de déclenchement, peut être garantie avec une excellente précision.
Un enregistrement est prévu en option, afin de permettre un suivi des variations de débit de l'effluent.
3. CONSTITUTION DE L’ÉCHANTILLON JOURNALIER.
La propriété de proportionnalité des échantillons primaires par rapport au débit de l'effluent déversé permet de constituer directement et sans faire de mélange ni calcul, un « échantillon final » représentatif de la pollution journalière.
Cette caractéristique du compteur échantillonneur CE 100 permet de simplifier profondément les méthodes de contrôle et de prélèvement, effectués tant par les organismes officiels que par l'industriel utilisateur ; il suffit alors de lire directement sur un compteur le volume rejeté, et de prélever dans un réservoir de stockage un seul échantillon pour l’analyser.
3.1. La séquence de fonctionnement automatique.
Le réservoir se vide périodiquement, lorsque son seuil de niveau est atteint dans un des deux réservoirs de stockage d'une contenance de 20 litres. Un programmateur horaire commande toutes les 24 heures, par l'intermédiaire d'un vérin, la déviation du tuyau de vidange vers l'un ou l'autre de ces réservoirs.
Ce système automatique permet de récupérer alternativement dans chaque réservoir l'échantillon d'une journée complète. Cet échantillon est alors conservé pendant les 24 heures suivantes en vue de prélèvement, puis il est évacué automatiquement afin d'autoriser le cycle suivant.
3.2. Le diviseur statique (3).
Du fait de la limitation du taux de prélèvement λ, il est parfois nécessaire de rediviser l'effluent pour obtenir un échantillon journalier inférieur à 20 litres. Cette opération est effectuée par un dispositif simple et robuste, constitué d'un cône et d'un tube de prélèvement placé sous celui-ci. (Voir figure 4).
L’échantillon intermédiaire se vide sur le cône et s'y répartit également sur toute sa surface en une nappe homogène dont un pourcentage constant est recueilli par le tube de prélèvement. Le rapport de division donné par construction (1/10 à 1/20) est remarquablement répétitif du fait de l'absence d'organes mobiles ; sa précision n'intervient d’ailleurs pas sur le comptage du volume effectué en amont de la division.
(3) Dispositif breveté FLONIC.
Un deuxième tube de prélèvement placé sous le même cône permet de récupérer un autre échantillon final identique destiné à l'utilisateur pour son propre usage. Cette fonction supplémentaire permet de concilier sécurité et autocontrôle.
Afin d’éviter l'accrochage de fibres sur les bords du tube de prélèvement, des lames ont été placées sous le cône et sont nettoyées automatiquement à chaque vidange.
3.3. Le compartiment réfrigéré.
Les échantillons sont conservés à basse température, dans un compartiment isothermique et réfrigéré. Ainsi l’évolution éventuelle de l’échantillon est limitée dans les meilleures conditions.
Ce compartiment est séparé en deux parties de façon à permettre à l'utilisateur de prélever son propre échantillon pour contrôle industriel.
4. SÉCURITÉ DE L’INSTALLATION.
Cette installation automatique peut nécessiter dans certains cas difficiles un entretien périodique. Aussi l'échantillonneur a été conçu de façon à permettre que certaines opérations de nettoyage soient rendues possibles sans dérèglement de l'appareil.
Ce délicat problème a été résolu en adoptant le principe de séparation de l'appareil en compartiments isolés et en permettant ou en interdisant leur accès aux services entretien de l'utilisateur comme suit :
- Ensemble déversoir-préleveur : accès autorisé sous contrôle automatique.
2. Armoire électrique et pneumatique : accès réservé aux seuls Services de Contrôles mais lecture possible du compteur et de l'enregistreur par l'utilisateur.
3. Réservoir intermédiaire et diviseur statique : accès autorisé sous contrôle automatique.
4. Réservoirs de stockage : accès réservé aux Services de Contrôles.
5. Réservoir de stockage utilisateur : accès libre.
Exemple de sécurité du système : nettoyage du compartiment 3.
Celui-ci ne peut être ouvert qu'à un moment précis de la journée. À ce stade, les organes ont une position telle (voir figure 5) que l’échantillon final conservé est parfaitement hors d’accès et que l'utilisateur peut procéder à des opérations de nettoyage sans risquer de le perturber. Cette opération devant être cependant de courte durée, le temps d'ouverture de la porte sera indiqué par l'enregistreur.
D'une manière générale, l'appareil a été conçu de façon :
- — à interdire toute intervention ou erreur de manipulation entraînant des perturbations sur l’échantillon final,
- — à contrôler les interventions d’entretien de façon à expliquer a posteriori l’origine d’incidents ou de dérèglements éventuels.
CARACTÉRISTIQUES.
1. CONSTITUTION DES ÉLÉMENTS.
- • Déversoir : béton vibré.
- • Godet ou préleveur : stratifié fibre de verre/résine époxyde.
- • Boîte de commande du godet : boîte étanche en acier inoxydable.
- • Armoire hydraulique et électrique : type extérieur,
- — Porte extérieure : tôle acier protégée par peinture polyuréthane.
- — Bacs de récupération et coffre isothermique : acier inoxydable.
2. GAMME D'UTILISATION ENVISAGÉE.
- — Plage de débit : 15 à 100 m³/h 40 à 200 m³/h avec une sécurité de dépassement de 120 %.
- — Taux de prélèvement λ : peut varier suivant les cas de 1/100° à 1/10 000° pour le 1° étage de division.
- Pour le 2° étage de division (diviseur statique) : rapport 1/10° ou 1/20°.
- — Fréquence de prélèvement : réglable de 0,2 à 0,5 passage par minute.
3. DISPOSITIFS DE SÉCURITÉ.
Pour le personnel :
- — Coupure automatique du courant 220 V, lors de l'ouverture de l’armoire.
- — Protection par disjoncteur différentiel.
- — Caillebotis plastifiés autour de l’armoire.
Pour le fonctionnement :
En cas de coupure de courant : conservation :
- — de la pression d'air comprimé,
- — des informations en mémoire.
PRÉCISION DE L'ÉCHANTILLONNEUSE.
Des séries très complètes d’essais ont été effectuées pour vérifier la précision et la fidélité de ce matériel et ont nécessité la construction d'un banc spécial de contrôle.
Ces essais peuvent se résumer ainsi :
1. PRÉCISION DE PRÉLÈVEMENT PRIMAIRE.
Système concerné : prélèvement par déversoir spécial et godet à fente.
1.1. Première série d'essais.
Objet : variation du taux de prélèvement en fonction du débit.
Résultats : dispersion extrême par rapport à la moyenne : — 1,6 % à + 2,5 %.
1.2. Deuxième série d’essais.
Objet : erreur relative sur la composition de l’échantillon primaire par rapport à celle de l'effluent en fonction du débit.
Résultats : erreur = — 3 %, + 2 %.
2. PRÉCISION DU SYSTÈME DE COMPTAGE.
Système concerné : capteur et totalisateur.
Troisième série d'essais.
Objet : erreur relative de comptage commise sur la mesure de volume d'un échantillon intermédiaire.
Résultats : erreur inférieure à 0,7 %.
3. PRÉCISION DU DIVISEUR STATIQUE.
3.1. Quatrième série d’essais.
Objet : dispersion du rapport de division autour de la moyenne.
Résultats : – 2,3 %, + 2 %.
La précision du diviseur statique n’intervient pas sur le comptage qui est fait en amont ; elle n’intervient que sur la composition finale de l’échantillon.
3.2. Cinquième série d’essais.
Objet : écart relatif entre la concentration de l’échantillon intermédiaire et celle de l’échantillon final (avant et après division).
Résultats : – 1,7 % (voir ci-dessous).
Nature de l’échantillonConcentration en matières en suspension (mg/litre) – écart en %
- Boue activée :
- — essai a : 3 180 → 3 158 (0,7 %)
- — essai b : 3 157 → 3 104 (1,7 %)
- Eau de papeterie :
- — essai c : 4 860 → 4 790 (1,4 %)
- — essai d : 6 108 → 6 088 (0,3 %)
Remarque : Ces écarts ne sont pas supérieurs à ceux qui résultent de la détermination des matières en suspension.
CONCLUSION.
Le dispositif COMPTEUR ÉCHANTILLONNEUR CE 100 présenté ici rend aujourd’hui possible le prélèvement en continu d’échantillons PROPORTIONNELS au DÉBIT, très REPRÉSENTATIFS de la nature de l’EFFLUENT.
Le stockage assuré pendant un minimum de 24 heures dans des conditions fiables de conservation permet d’assurer :
— aux différents Services de Contrôles, l’analyse et la recherche de pollution régulière ou accidentelle avec une JUSTE DÉTERMINATION ;
— à l’utilisateur, l’AUTO-CONTRÔLE de ses rejets de façon permanente et la détection des pertes de fabrication.
Cette possibilité nouvelle offerte à l’utilisateur, grâce au compartiment lui étant spécialement réservé, lui permettra de conduire au mieux ses fabrications, donc diminuer ses coûts et… ses redevances.
