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Voile de boue, une mesure indispensable

30 novembre 2020 Paru dans le N°436 ( mots)
Rédigé par : Jacques-olivier BARUCH

La mesure du voile de boue joue un rôle fondamental dans l’économie et la bonne marche des stations d’épuration. Elle peut se faire par ultrasons ou en optique. Avantages et inconvénients des deux méthodes

Dans le domaine du traitement de l’eau, la boue joue un rôle important dans les décanteurs, les épaississeurs ou les clarificateurs des stations d’épuration municipales ou industrielles. Rien ne sert de l’enlever trop tôt au risque d’amoindrir l’avantage de l’automatisation des procédés et d’augmenter inutilement les coûts. Mais point trop n’en faut afin d’optimiser l’épuration et éviter de contaminer les bassins d’eau clarifiée. Il faut donc mesurer le niveau des boues, soit la distance entre la surface supérieure de la boue (le voile de boue) et celle de l’eau ou bien la hauteur de boue par rapport au fond du bassin. Deux techniques sont en concurrence.

Des ondes sonores

TURBISENS : Turbidimètre compact pour mesure en immersion.

La première consiste à envoyer des ondes acoustiques, en l’occurrence des ultrasons. C’est le cas du Sonatax sc de Hach, du Turbimax CUS71D d’Endress+Hauser ou de l’IFL 700 IQ de WTW (Xylem Analytics). Dans ce cas, dans le capteur fixé en bord de bassin, un cristal piezo-électrique excité par une tension électrique émet, comme le fait un sonar, un train d’ondes ultrasoniques vers le liquide qui va réfléchir vers le capteur des ondes haute fréquence de la surface du voile de boue, dont la densité est plus élevée que celle de l’eau. Les ondes sont envoyées avec une fréquence de 650 kHz et un angle de 6° pour détecter les zones d’interface. C’est le temps nécessaire au signal ultrasonore envoyé pour atteindre les particules solides de boue et retourner au récepteur qui est mesuré. La zone d’interface est calculée à partir de la pente maximale et de l’amplitude maximale du signal. « En utilisant nos sondes WTW IFL 700 IQ pour mesurer la hauteur de voile de boues par ultrasons, l’aspiration des boues est contrôlée de manière plus efficace qu’avec une simple détection optique. On évite à la fois un départ de boues sur la sortie de station d’épuration mais aussi une arrivée d’eau claire sur le traitement des boues rendant un assèchement plus compliqué, long et donc plus coûteux », précise Ophélie Grill, Ingénieure Produits Solutions chez Xylem analytics France.

Le capteur Turbimax CUS71D est destiné à la mesure d'interface dans l'eau et les eaux usées. Il s'adapte à toutes les constructions de clarificateur pour une adaptation optimale à la tâche de mesure.

Le système de mesure ENV-100 de Proanatec utilise une technologie ultrasonique pour mesurer le niveau d’interface de boues dans différents types de clarificateurs, cuves de décantation et épaississeurs. Il fournit en continu les informations sous forme numérique et graphique représentant la distance de la couche de boues, une image du profil de l’écho. Il offre des applications supplémentaires, comme l’ASF (Abnormal Signal Filter) qui permet l’élimination de bruits parasites irréguliers pouvant venir de structures mobiles. La technologie incorpore en plus un système de nettoyage par air comprimé pour maintenir le capteur en condition optimale et garantir une mesure sans maintenance. Le système ENV100-P est décliné en version portable.

Ou de la lumière

L’optisys SLM 2100 utilise une sonde optique, ce qui permet d’éviter les erreurs dues aux réflexions sur les parois ou les zones de séparation ainsi que l’amortissement du signal provoqué par les résidus ou les boues flottantes.

L’autre méthode est optique. Le capteur est alors fixé au bout d’un axe vertical et parcourt toute la profondeur du bassin. L’eau dont la teneur en matières en suspension (MES) est à mesurer passe dans ce capteur qui envoie un faisceau infrarouge et le récupère, en sortie de capteur, atténué suivant la turbidité. Descendant jusqu’au fond du réservoir, il détecte toutes les phases des boues et fournit des mesures précises de concentration et de niveau. En mesurant plusieurs profils, il détecte la hauteur du voile de boue. C’est le principe utilisé par le CBX de Cerlic (Eletta Instrumentation), Sonatax de Hach, le Turbiggo de Datalink Instruments, le VisoTurb 700 IQ de WTW (Xylem Analytics), les MES5 (turbidité, MES et voile de boue) et VB5 (voile de boue uniquement) de Ponsel (Aqualabo) ou les Optisens TSS 2000 et Optisys SLM 2100 de Krohne. L’avantage d’utiliser une longueur d’onde infrarouge (de 850 à 870 nm selon les modèles) est que pratiquement aucune substance ne présente un effet d’absorption dans cette plage de longueur d’ondes, ce qui signifie que la couleur de l’échantillon n’a qu’une influence très faible sur le signal.

Quelle méthode choisir ?

Visualisation en temps réel du niveau du voile de boue avec le transmetteur  DIQ S/282-CR3 de WTW..

Que ce soit pour la surveillance et l’optimisation des process de sédimentation, l’automatisation de l’extraction des boues ou la mesure dans les épaississeurs de résidus, les deux méthodes donnent des résultats différents suivant le contenu réel de l’eau boueuse et du type de boues. Avec les sondes optiques, deux seuils de concentration peuvent être programmés afin de détecter à la fois le niveau de boue et celui des flottants. Mais ces sondes sont 40 à 45 % plus chères que les systèmes à ultrasons. Il est donc normal que cette dernière soit la méthode préférée des investisseurs, mais il faut veiller à placer le système à plus de 50 cm des parois du bassin pour évider les réflexions. Cependant, des logiciels adaptés permettent de masquer les signaux reflétés par les structures dans le réservoir (tuyaux, tiges, etc.). En revanche, les exploitants préfèrent désormais s’équiper en optique, plus adaptée à l’hétérogénéité des compositions de bassins. « Le choix de la technologie est directement lié à l’application et aux informations souhaitées par l’exploitant, reconnaît Stéphane Morlat, responsable d’Eletta Instrumentation qui fabrique les capteurs de mesure optique de voile de boue CBX. La technique optique permet de mesurer aussi bien le niveau des flottants, ce qui permet d’éviter toute surverse, ainsi que le niveau de voile de boue, qui pourra ainsi être maximum dans le décanteur. Par contre, si le bassin ne contient ni mousses ni matières flottantes, l’ultrason peut être suffisant. Le SIAAP d’Achères s’est équipé de 3 CBX, car les bassins de décantation contiennent beaucoup de flottants, leur teneur varie beaucoup et très rapidement dans certains cas ».

Le CBX de Cerlic offre un système d’autonettoyage à l’eau après chaque mesure et détecte 2 seuils de concentration présélectionnés.

« Contrairement aux transmetteurs de niveau de boues à ultrasons, la mesure optique permet d"éviter les erreurs dues aux réflexions sur les parois ou les zones de séparation ainsi que l’amortissement du signal provoqué par les résidus ou les boues flottantes », ajoute Damien Jacquier, responsable des divisions Eau, Energie et Environnement France et Afrique chez Krohne. Autre inconvénient des ultrasons, leur sensibilité aux fluctuations de température. Plus la température augmente, plus les ondes sonores se propagent rapidement entre le capteur et le voile de boue. Même si le niveau n’a pas changé, il apparaît plus proche pour le capteur. Il faut donc bien étalonner son capteur et rectifier la mesure selon les conditions météorologiques.

Le Royce 711, commercialisé par Cometec, possède deux fonctions indépendantes permettant à l’utilisateur de mesurer une concentration ou de localiser rapidement un voile de boues dans un bassin. Les 2 modes sont étalonnés séparément.

« La grande question qui se pose, poursuit Sandra Moinet de Bamo, est quel est l’intérêt de suivre en continu le niveau de boue ? A ma connaissance, les stations d’épuration ne régulent pas l’arrivée des eaux en fonction du voile de boue dans les décanteurs. La mesure en continu permet uniquement de connaître le niveau de boue mais cette donnée n’est pas vraiment exploitée malgré les équipements, d’autant plus que certains techniciens font toujours des mesures manuelles via les mesures portables ! Dès lors, une simple mesure (ou deux) en immersion sont suffisantes pour déclencher des alertes éventuelles. Cela réduit les budgets, simplifie l’installation et la maintenance. Nous préconisons donc deux alternatives : les sondes CP2 ou le Turbisens, qui permettent de détecter si un niveau haut est atteint rapidement, et de valider les capacités de traitement du décanteur pour déclencher une alerte en cas d’arrivée massive et exceptionnelle d’eaux chargées ».

Maintenance et transmission

Question maintenance, les capteurs optiques sont sensibles à l’opacité du milieu traversé en particulier de la vitre qui protège l’émetteur. Le CBX de Cerlic proposé par Eletta Instrumentation est équipé d’un système d’autonettoyage par douche annulaire qui permet un nettoyage du câble et du capteur. Les opérations de maintenance sont donc grandement réduites. Krohne vend en option un système de nettoyage par aspersion automatique pour son Optisys SLM 2100. Les systèmes à ultrasons sont quant à eux autonettoyants à condition de posséder des balais d’essuie-glaces qui doivent être vérifiés une fois par mois et changés tous les ans. Pour son Turbimax CUS71D, Endress+Hauser recommande ainsi en option des capteurs avec essuie-glace pour mesurer le voile de boue où le colmatage et l’encrassement sont possibles (décanteurs primaires et secondaires, cuves de décantation, épaississeurs, etc.). Selon l’entreprise d’origine suisse, un détecteur de voile de boue standard est suffisant pour la mesure du voile de boue dans un décanteur secondaire équipé d’un racleur de surface ou dans un décanteur d’eau claire. Dans le cas ou on utilise un capteur optique, l’utilisation d’un capteur fixe est moins contraignante à l’entretien qu’un capteur mobile.

La transmission des données est équivalente en ultrasons ou en optique. Les MES5 et VB5 d’Aqualabo se connectent en Modbus sur tous les transmetteurs disposant d’une entrée RS-485. Ces capteurs MES5 et VB5 sont aussi connectables à un module AquaMod autonome, sans fil et communicant via radio LoRa (propriétaire).

La sonde de niveau de boues DO300 de SDEC se compose d’une canne graduée munie à son extrémité inférieure d’un capteur optique capable de discerner l’interface liquide clair/boue, et d’un avertisseur sonore. Quand le capteur optique rencontre le haut du dépôt de boue, le boîtier émet un signal sonore. La lecture de la graduation sur la canne permet de connaître la profondeur du haut du dépôt. En continuant d’enfoncer la canne, on sonde alors le fond, notant la profondeur de celui-ci sur la graduation. La différence des deux mesures détermine ainsi l’épaisseur de la couche de boues.

La plupart des capteurs ont aussi naturellement une sortie en 4-20 mA, mais il est aussi possible de communiquer en mode radio. « Le bassin de post-décantation circulaire est l’application la plus courante des modules radio, car les données de notre capteur de niveau de boue IFL ne peuvent pas être transférées au IQ Sensor Net par des câbles en raison du pont tournant », avertit Méhalia Medjahed, ingénieure Produits Solutions chez WTW. C’est aussi la solution choisie par Krohne qui opte pour un système sans fil et sans licence.


Fixe ou portable

La plupart de ces capteurs sont installés en poste fixe afin de suivre les traitements des effluents industriels, de piloter l’extraction des boues en bassin d’aération, de surveiller les ouvrages de décantation primaire ou secondaire ou d’optimiser les filières de traitement des boues, mais les fabricants proposent aussi des versions portables pour les fosses ANC ou les chantiers de dragage. « Les portables sont utilisés pour des mesures ponctuelles sur les petites installations qui ne nécessitent pas de mesure en continu. Ou encore pour contrôler le bon fonctionnement de l’instrumentation en ligne sur les clarificateurs de stations d’épuration importantes », déclare Julien Garrigues, responsable commercial de WTW (Xylem Analytics) qui propose le Multi 3620 avec une sonde VisoTurb 900 P (en mode turbidité ou MES) et un câble de 10 mètres gradué. Avec un avantage : ce portable polyvalent est utilisable pour d’autres applications en stations d’épuration comme les mesures d’O2 dissous (optique) et du redox dans les bassins d’aération. Cometec propose son DTR01 (ultrasons) ou son Royce 711 (optique), SDEC son DO300 (optique), Equipements Scientifiques son SID-10200 (optique avec câble de 6 ou 9 mètres), tandis que Cerlic propose son Multitracker, le seul équipé d’un capteur de pression hydrostatique qui permet de mesurer la profondeur de bassin. 
Le système ENV100-P portable est conçu pour offrir une solution économique quand de très nombreux clarificateurs doivent être contrôlés. L’utilisateur peut paramétrer l’appareil selon les spécifications terrain et déstocker tous les résultats par une sortie RS232.

Ce dernier associé au capteur de MES affiche le profil exact du voile de boue et des flottants dans le bassin. L’unité de contrôle peut également recevoir un capteur de mesure d’oxygène dissous ou de MES seul. Aqualabo propose les mêmes capteurs MES5 ou VB5 avec un transmetteur Acteon 5000 ou S200 en poste fixe ou avec l’Odeon en version portable. Dans ces versions portables, les données sont enregistrées dans le capteur et récupérées souvent par des ports USB. Le Multitracker de Cerlic, qui peut sauvegarder 250 profils organisés par lieu ou campagne de mesures, les code en CSV pour les intégrer dans des tableaux Excel comme le fait Hach avec son Sonatax sc.

Fixe ou portable, ultrasonique ou optique, les exploitants ont le choix. Il ne faudra pas seulement regarder les différences de coûts, mais aussi les performances des process à optimiser. 


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