Instrumentation et contrôle dans les usines de traitement d'eaux résiduaires

À l'heure actuelle, la plupart des unités de traitement d’eaux résiduaires utilisent une phase de traitement biologique aérobie dont les objectifs sont les suivants :

1. 1. Fournir une quantité d'oxygène suffisante pour maintenir une activité biologique maximale.
2. 2. Garder les micro-organismes en suspension.
3. 3. Assurer un mélange homogène des boues activées en retour avec les eaux usées.

La quantité d’air nécessaire pour maintenir un niveau suffisant d’oxygène dissous est fonction de :

• — la charge organique,
• — la qualité et la quantité des boues activées,
• — l'efficacité de l'élimination de la DBO,
• — les vitesses de changement d'état dans le procédé.

On rencontre couramment deux types de systèmes d'aération :

• — une diffusion d'air dans le milieu — appelée parfois aération sous pression — nécessitant l'utilisation d'une soufflerie ou d'un compresseur d'air externe ;
• — une aération mécanique produite par des aérateurs locaux.

Compte tenu des objectifs et des impératifs décrits ci-dessus, il semblerait que la meilleure manière de résoudre le problème serait de maintenir en permanence un excès d'oxygène dans les bassins d'aération.

A posteriori, une telle solution est non seulement génératrice d'un important gaspillage d’énergie, mais elle peut aussi entraîner la formation d'un floc si finement dispersé qu'il ne peut plus décanter.

Il est donc nécessaire de contrôler le fonctionnement des bassins d'aération.

* La première partie de cet article a été publiée dans notre n° 50 de décembre 1980, pages 53 à 58.

2° PARTIE

Une étude récente a montré que 20 % des traitements secondaires possédaient une régulation automatique de la teneur en oxygène dissous et que 70 % des utilisateurs étaient satisfaits des résultats qui leur permettaient des économies d’énergie de 10 à 40 % et une amélioration de 10 % de la DBO.

La plupart des problèmes posés par le contrôle de la teneur en oxygène dissous sont énumérés ci-dessous :

1. 1. La vanne contrôlant le débit d’entrée d’air dans les bassins d'aération a été surdimensionnée et elle ne commence à jouer son rôle d'organe réglant que lorsqu'elle est proche de la fermeture.

   Il en résulte une échelle de contrôle très faible et une excessive chute de pression à travers la vanne.

2. 2. La (ou les) souffleries ont été déterminées de telle sorte que toute demande de diminution du débit d'air ne peut être réalisée que par une mise à l'atmosphère.

   La puissance absorbée par le moteur de la soufflerie est donc toujours la même et aucune économie d’énergie n'est réalisée.

3. 3. Bien que les aérateurs mécaniques soient équipés de moteurs à vitesse variable, ils ont été sous-dimensionnés et doivent toujours fonctionner à la vitesse maximale pour que les solides restent en suspension.

   Là non plus, aucune économie d'énergie ne sera réalisée.

   Les aérateurs doivent être calculés de manière à pouvoir maintenir les solides en suspension à faible vitesse et disposer d'une réserve de puissance suffisante pour subvenir à une éventuelle augmentation des besoins en oxygène.

4. 4. L’air diffusé dans les bassins d’aération provient de la même source que celui utilisé pour le fonctionnement des vannes de régulation et du système d'aération du dessableur.

   Le débit d’air en sortie de la soufflerie vers les bassins d'aération ne peut donc être modifié sans entraîner des variations en un autre point de la station.

5. 5. Le meilleur emplacement des sondes d’oxygène dissous ne peut être déterminé que par l'expérience.

Si un emplacement arbitraire a été fixé lors du projet, sans possibilité de modification, la régulation ne donnera pas satisfaction.

6. Une sonde d’oxygène dissous fait partie de la grande famille des analyseurs chimiques et nécessite les mêmes opérations de maintenance et d'entretien pour fonctionner correctement.

Ce point est trop souvent négligé.

7. Certains opérateurs se plaignent que la régulation d’oxygène dissous se traduise par des variations rapides et violentes du débit d’air insufflé.

Cet inconvénient est dû au « temps de réponse » important de la boucle.

Il peut être évité si l'on utilise une régulation en cascade où la sortie du régulateur d’oxygène dissous agit sur la consigne du régulateur de débit d’air.

De cette liste qui est loin d'être exhaustive, on peut simplement tirer la conclusion suivante : le contrôle de la teneur en oxygène dissous dans les bassins d’aération est un problème spécifique à chaque type d’installation et il serait vain de tenter de décrire une installation type.

Ce n'est pas pour autant que ce problème doive être négligé au niveau du projet comme c'est trop souvent le cas aujourd'hui.

Quel que soit le mode de traitement biologique aérobie, les boucles de contrôle sont semblables et consistent en un capteur, un régulateur et un organe réglant.

Une première approche consiste à asservir cette boucle aux variations du débit d'influent dans le bassin d'aération.

Malheureusement, le capteur de débit ne fait pas le distinguo entre, par exemple, les eaux résiduaires issues de la décantation primaire, les eaux de pluie et les infiltrations.

Il en résulte une réaction identique de la boucle de contrôle de débit d'oxygénation, quelle que soit la nature de la variable détectée par le capteur de débit, d'où un gaspillage énergétique non négligeable.

Actuellement, on utilise couramment une boucle de contrôle en « feed back » où le régulateur de débit d’air reçoit un signal consigne en provenance de la mesure du taux d'oxygène dissous dans le bassin d’aération.

Le principe d'une sonde de mesure du taux d'oxygène dissous est semblable quel que soit le fabricant.

C’est un fonctionnement de type ampérométrique dans lequel les réactions chimiques entre deux électrodes métalliques différentes engendrent une différence de potentiel mesurable.

Les sondes sont munies — au niveau de l’électrode de mesure — d'une membrane semi-perméable et c'est d'ailleurs la mauvaise tenue dans le temps de cette membrane qui avait donné, dans un passé récent, une mauvaise réputation à ce type de mesure.

À l'heure actuelle, des progrès techniques conséquents ont permis d’éliminer ce problème et on peut affirmer que ce type de mesure est le meilleur pour cette application.

Certaines sondes possèdent un système de nettoyage automatique de la membrane. Sauf dans des cas bien particuliers, cet accessoire n'est pas nécessaire dans les bassins d’aération.

Nul n'est mieux placé, a priori, que le concepteur du bassin d'aération pour déterminer l'emplacement des sondes de mesure d'oxygène dissous.

Ce choix est fonction du type de fonctionnement choisi (continu ou séquentiel) ; du débit à traiter, de la forme du bassin, du type des aérateurs, etc.

En pratique, il est courant que le choix définitif se fasse expérimentalement lors de la mise en service.

Les sondes ne sont jamais installées à l'entrée du bassin d'aération ou dans des zones de « mortes-eaux ».

Les mesures d'oxygène dissous peuvent être enregistrées ou intégrées dans un calculateur.

L'opérateur peut aussi sélectionner à partir de son pupitre de contrôle la (ou les sondes) qu'il désire visualiser.

La mesure en continu du carbone organique total et/ou de la demande totale en oxygène associées au débit d’eaux résiduaires fournissent un signal représentatif de la charge organique du bassin et permettent de régler le débit d'air et celui de boues activées en retour en fonction de cette charge.

La sélection de l’organe réglant final est fonction du type d'aération.

Ce choix est aussi influencé par le souci constant d'économie d'énergie.

Ce dernier paramètre entre aussi en compte pour l’emplacement de l’organe réglant.

Si l'on considère, par exemple, une soufflerie actionnée par un moteur à vitesse constante, une vanne de régulation montée sur le refoulement fonctionnera parfaitement mais entraînera un gaspillage de puissance proportionnel à la perte de charge dans la vanne.

Ce ne sera plus le cas avec une vanne installée à l’aspiration.

Deuxième exemple : la soufflerie est du type à piston rotatif. Comme une telle unité fonctionne sur une faible échelle de pression, il n'est pas désirable d'opérer avec une vanne à l’aspiration ou au refoulement. Il est préférable d'utiliser un moteur à vitesse variable.

Troisième exemple : l'organe réglant est un aérateur mécanique installé dans le bassin. On réduit

le taux d'oxygène dissous en diminuant la vitesse de rotation du moteur.

Mais il faut être très prudent sur ce contrôle, car le mouvement des pales de l'aérateur assure à lui seul le mélange et le maintien en suspension de la boue.

Pour éviter de tomber en dessous de cette valeur critique, on affiche la vitesse minimale en consigne basse du régulateur.

Le régulateur utilisé est à action proportionnelle et intégrale. Ce peut être soit un régulateur conventionnel analogique monté en façade du pupitre de contrôle, soit un module logiciel d'un calculateur ou d'un microprocesseur.

L'utilisation d'une régulation en cascade est recommandée pour augmenter la stabilité du contrôle.

En effet, une boucle simple entraînerait de rapides changements du débit d'air et des variations brutales de l'équipement mécanique associé.

La forme la plus utilisée de contrôle en cascade consiste en une boucle de régulation du débit d’air dont le régulateur reçoit en consigne la sortie du régulateur d’oxygène dissous.

La boucle de contrôle de débit d'air agit soit sur la vanne de débit d'air ou sur le moteur de la soufflerie, soit sur la vitesse du moteur de l'aérateur ou sur l'angle d’attaque de ses pales.

Lorsque plusieurs sondes sont utilisées, leurs signaux individuels sont moyennés par l'intermédiaire d'un relais additionneur et c'est le signal résultant qui est utilisé dans la boucle de régulation.

Dans certaines stations, on utilise le signal de débit influent corrigé par le signal de l'analyseur pour piloter la régulation en oxygène dissous. Une telle méthode s'explique expérimentalement par le fait que la sonde est tôt ou tard susceptible d'émettre un signal erroné, et donc de nécessiter un arrêt pour maintenance, ce qui est très rarement le cas avec un débitmètre.

Cette méthode a cependant l'inconvénient d’être peu économe en énergie en cas d’arrivées d'eau de pluie ou d’infiltration.

Le succès du traitement secondaire dépend du bon fonctionnement de la décantation finale.

Le taux de solides en suspension dans les bassins d'aération commande la quantité de boues en retour des décanteurs secondaires.

La boue restante est évacuée des décanteurs par des pompes à fonctionnement continu ou séquentiel.

Il ne faut pas que cette boue séjourne trop longtemps dans les décanteurs car elle risque de devenir septique.

On utilise le plus souvent, pour les boues en retour, des pompes à vitesse variable commandées par des régulateurs de vitesse dont la consigne est soit affichée manuellement depuis le pupitre de contrôle, soit réglée automatiquement en fonction du débit d’entrée dans les bassins.

Ce débit est mesuré par des débitmètres électromagnétiques et enregistré.

En fait, la valeur idéale de consigne devrait être fonction de la concentration en matières organiques dissoutes dans l'influent. Les boues activées seraient alors recyclées proportionnellement à la demande.

La boue restante est parfois évacuée par des pompes à vitesse variable, mais le plus souvent, on utilise un fonctionnement en tout ou rien commandé par une minuterie (comme décrit dans le chapitre : « TRAITEMENT PRIMAIRE », 1re partie).

Un régulateur pas-à-pas démarre l'une après l'autre les pompes de chaque décanteur secondaire, la

durée du pompage étant contrôlée par une minuterie réglable ou par un densimètre à boues.

Les boues secondaires sont plus homogènes que les boues primaires, mais leur densité est encore très proche de celle de l’eau, ce qui rend difficile la détermination des limites de pompage.

Il est moins délicat de déterminer le niveau de l’interface eau-boue que dans le traitement primaire, les graisses ayant été éliminées au stade de l’aération.

Lorsqu’une seule pompe est utilisée pour évacuer les boues en retour et les boues traitées, les deux débits sont contrôlés par une vanne modulante pilotée par un régulateur conventionnel analogique.

L’opérateur prédétermine les valeurs de pompage et modifie manuellement le point de consigne du régulateur suivant le type de boue pompée.

V. TRAITEMENT DES BOUES

Les boues sont composées d’un mélange d’eau et de solides.

Selon leur origine, on distingue des boues primaires, secondaires, en excès… Elles sont aussi qualifiées suivant leur état : brutes, digérées, déshydratées, épaissies…

Les boues sont donc produites à différents niveaux du procédé et deux des principaux objectifs d’une station de traitement sont de neutraliser les boues sanitairement parlant, et de les transformer en une substance facilement manipulable.

C’est pourquoi une part importante des capitaux investis sur une nouvelle station est consacrée au

traitement des boues et ce ratio reste valable en ce qui concerne le contrôle du traitement des boues proprement dit par rapport à la totalité de l'instrumentation.

Dans le traitement des boues, on distingue les étapes suivantes :

— Sédimentation  
  concentration : 0,5 - 6 %,  
  type de traitement : primaire, secondaire, chimique.  

— Épaississement  
  concentration : 2,5 - 12 %,  
  type de traitement : gravité, flottation, centrifuge.  

— Déshydratation  
  concentration : 15 - 40 %,  
  type de traitement : digestion, filtre sous vide, filtre-presse.  

— Évacuation  
  type de traitement : incinération, épandage.

Chacune de ces étapes nécessite l'instrumentation suivante :

— contrôle des pompes ;  
— mesure de débit, niveau, densité.

Pour rester maîtres du traitement des boues, les techniciens de la station doivent avoir une parfaite connaissance des phénomènes qui se déroulent et une vision immédiate de tous les paramètres et de leur variation.

En bref, ils doivent voir et comprendre tout ce qui se passe, faute de quoi, ils peuvent tout aussi bien mettre la régulation en mode manuel et souhaiter que tout se déroule bien !

En réalité, il est nécessaire que l'opérateur ait sous les yeux un synoptique animé ou un écran de visualisation montrant en permanence tout le système de traitement des boues (pompes comprises) ainsi que les valeurs des différents paramètres (débits, niveaux, densités). Avec un tel instrument de travail, l'opérateur peut planifier dans le temps les phases de pompage et éviter les périodes de rétention trop importantes qui peuvent produire une boue septique, ainsi que l'évacuation de boues insuffisamment épaissies ou déshydratées.

La bonne exécution de planning entre pour une part importante dans la réduction des coûts d'exploitation, car le rendement d'une unité de traitement de boues est toujours fonction du résultat obtenu à l'étage précédent.

Contrôle des pompes.

Comme dans beaucoup d'applications, une grande variété de pompes centrifuges ou à piston est utilisée dans le pompage des boues. Un des plus anciens modèles, encore utilisé aujourd'hui, est la pompe à piston plongeur, simple, double ou triple.

Ce sont des pompes à fonctionnement tout ou rien, qui ont la particularité de pouvoir délivrer directement un signal proportionnel au volume de boues pompées.

En effet, elles possèdent un compteur mécanique sur chaque piston, qui est susceptible de fournir des impulsions (par ouverture et fermeture d'un contact sec) à chaque déplacement du piston.

Si l'on adjoint à ce système un convertisseur contact/courant additionneur, on peut avoir une idée du débit de pompage.

Bien entendu, cette méthode pêche par son manque de linéarité et son imprécision mais elle a le mérite d'être peu coûteuse.

Pratiquement, tous les autres types de pompes à boues peuvent être contrôlées de la même manière :

— Si le pompage est séquentiel avec une courte durée et une fréquence rapide, on préférera un contrôle par minuterie (comme, par exemple, dans la digestion anaérobie).

— Par contre, si le pompage est asservi au maintien d'un niveau constant dans un réservoir, on choisira un moteur à vitesse variable.

Mesure de débit.

La nécessité de perdre le moins de charge possible et d'éviter tout bouchage de tuyauterie a rendu l'emploi du débitmètre électromagnétique quasi universel.

Sur les boues primaires, compte tenu de la présence de graisses et d’ordures ménagères, on utilise souvent un débitmètre avec réchauffage du corps de mesure.

Pour tous les autres types de boues, un débitmètre classique avec revêtement téflon est le plus souvent employé.

Dans les deux cas, et plus particulièrement sur les boues primaires, il peut être utile de prévoir un nettoyage ultrasonique des électrodes.

Mesure de niveau.

Les transferts fréquents et souvent complexes de boues d'un point de l'unité à l'autre justifient l'existence de fosses et de puisards.

Il en résulte la nécessité de connaître et de contrôler en permanence le niveau de l’eau (sinon des boues) dans ces réservoirs. Pour cela, on utilise le plus souvent des capteurs de niveau de type capacitif ou des ensembles de bullage associés à des capteurs de pression différentielle-transmetteurs électroniques.

Ces appareils délivrent un signal 4—20 mA linéaire directement proportionnel au niveau et utilisé pour le contrôle et la visualisation.

Lorsqu'un fonctionnement en tout ou rien est demandé, le signal analogique est envoyé sur des relais d’alarme à seuil réglable dont les contacts de sortie libres de potentiel permettent le démarrage et l'arrêt des pompes concernées.

Un autre type de mesure couramment rencontré est le niveau du voile de boues.

Pour cela, on utilise une cellule photo-électrique immergée. Ce système employé initialement dans les décanteurs secondaires sert aussi parfois pour vérifier la mesure de densité pendant les phases de pompage.

Mesure de densité.

Les densimètres sont parfois utilisés en liaison avec les débitmètres pour fournir une indication du débit massique de boues.

Cependant, leur rôle primordial est le contrôle de la concentration des boues pompées.

L'opérateur doit connaître la densité des boues pendant chaque cycle de pompage de manière à planifier correctement cette opération et à éviter le pompage de boues insuffisamment concentrées.

Il faut veiller à ce que la tuyauterie de prise d'échantillon n'ait pas une longueur trop importante afin que la lecture de densité soit immédiate et la moins erronée possible.

Compte tenu des différences importantes entre boues primaires et secondaires, il n'est pas surprenant que l’on utilise des méthodes d’épaississement particulières à chacune.

Les boues primaires sont généralement épaissies par gravité. Les décanteurs fonctionnent en continu et peuvent produire des concentrations de 10 % en 24 heures.

Le fonctionnement des racleurs, le contrôle du niveau et du pompage doivent être en permanence visualisés et équipés d’alarmes.

Les boues secondaires sont le plus souvent traitées par flottation (voir la figure 8).

Après épaississement, les boues sont déshydratées pour séchage ou évacuation finale.

Cette opération est effectuée au moyen de filtres sous vide ou de centrifugeuses qui produisent un gâteau de boue pouvant être facilement manipulé et transporté.

Bien que ces systèmes fassent souvent partie de spécifications techniques distinctes du reste de la station et soient fournis avec leur propre armoire de commande, leur fonctionnement est en général piloté à partir du calculateur, du microprocesseur ou du pupitre de contrôle principal de l'unité.

La figure 7 représente l'instrumentation équipant un filtre sous vide et le système associé de conditionnement des boues.

À chaque étape de son traitement, la boue court le risque de devenir septique et de dégager des odeurs désagréables. La chloration est le moyen le plus couramment utilisé pour prévenir ces problèmes car son action est à la fois désinfectante (curative) et oxydante (préventive).

Bien entendu le chlore, sous forme de solution chlorée, doit être injecté en amont de l'aire de stockage.

VI. DIGESTION ANAÉROBIE

La digestion anaérobie a été largement utilisée dans le passé pour stabiliser les boues issues de traitement d’eaux résiduaires.

La consommation d'énergie de ce système étant faible par rapport à d'autres méthodes, il semble que ce procédé ait encore de beaux jours devant lui.

Cependant, la digestion anaérobie a longtemps été considérée comme un procédé instable, difficile à contrôler et générateur de problèmes.

Cette réputation était due, en fait, à la méconnaissance de la composition chimique, de l'état du procédé et de l'incapacité qu'avaient les opérateurs de contrôler ce procédé.

Bien entendu, l'utilisation intelligente de l'instrumentation amène des solutions à ce problème mais il ne faut pas s'attendre à des miracles et le contrôle parfait d'une digestion n'est pas encore pour demain.

Le contrôle idéal nécessiterait la connaissance et la régulation parfaites du pH, du temps de rétention, de la température, de la concentration en biomasse, du dosage, du niveau de boue, de l'alcalinité, de la concentration en acides volatils, de la production de gaz.

Parmi ces paramètres, les plus importants sont : la température, le pH, la production de gaz et le niveau.

Si l'on pouvait installer dans le digesteur un pH-mètre idéal qui ne soit pas affecté par les graisses, les huiles, etc., la plupart des problèmes de digestion n’existeraient pas.

Il ne faut pas rêver, mais le contrôle automatique du pH par adjonction de carbonates, bicarbonates, NaOH ou NH₃ permet de maintenir ce pH dans des limites raisonnables comprises entre 6,8 et 7,4.

Pour cela, il est impératif que la maintenance (nettoyage, vérification) de la sonde de pH soit très bien exécutée.

La température est le paramètre le plus important à contrôler et, heureusement, c’est le plus facile.

La composition de l'influent à l'entrée de chaque station de traitement d’eaux résiduaires détermine quels micro-organismes doivent prédominer au niveau du digesteur pour atteindre la meilleure efficacité.

DIGESTION ANAÉROBIE

Lorsque cette détermination est effectuée, on peut calculer l'échelle de température qui favorise la prolifération de ces micro-organismes (la plupart des digesteurs d'eaux résiduaires urbaines fonctionnent à une température comprise entre 32 et 35 °C).

Comme rien n'affecte plus un micro-organisme qu'une brusque variation de température, il est nécessaire de contrôler celle-ci en plusieurs points et dans une fourchette n'excédant pas 1 °C. Cette méthode est couramment utilisée pour les digesteurs de grande capacité dans lesquels la boue séjourne entre 10 et 30 jours.

La recirculation des boues à travers l'échangeur de chaleur est réalisée par des pompes à vitesse variable.

Une régulation en tout ou rien sur la chaudière d'eau chaude est suffisante.

Le contrôle des gaz de digestion fournit en général tous les signes précurseurs d'un mauvais fonctionnement de la digestion.

Normalement, les gaz de digestion comprennent environ 70 % de méthane, 30 % de dioxyde de carbone et des traces de gaz inertes telles que l'azote. Une augmentation du taux de CO₂ jusqu'à 35 % est l'indication infaillible d'un mauvais fonctionnement.

La mesure du débit de gaz n'est pas sans problème. Le gaz est fourni à une faible pression, ce qui nécessite un grand soin dans le calcul de l'organe déprimogène, élément primaire du débitmètre.

De plus, ce gaz est humide, sale et de composition variable, d'où risques de corrosion de l'organe déprimogène et de bouchage des prises de pression.

On utilise le plus souvent les bonnes vieilles plaques à orifice, équipées de pots de condensation et reliées à un capteur de pression différentielle basse échelle.

Ce débit est le plus souvent enregistré et totalisé.

La pression à l'intérieur du digesteur est mesurée et visualisée. Il en est de même pour le débit de soutirage des boues digérées à l'aide d'un débitmètre électromagnétique. Le signal résultant est totalisé.

Une économie d'énergie appréciable est réalisée si un bon mélange est assuré à l'intérieur du digesteur (grâce à un agitateur contrôlé par une minuterie) et si la recirculation est contenue et constante.

Un mélange stœchiométrique d'air et de méthane dans la partie supérieure du digesteur peut entraîner un important danger d'explosion.

Ce risque est éliminé en utilisant des digesteurs à couvercle « flottant », qui éliminent les possibilités d'entrée d'air en cas de dépression à l'intérieur du système.

Grâce à un transmetteur de niveau monté sur le couvercle du digesteur, l'opérateur peut connaître à chaque instant la quantité de gaz disponible.