La mesure en continu de la DBO de courte durée

La demande biologique en oxygène est un paramètre important pour le contrôle des eaux usées. En effet, la connaissance, fiable et rapide, du contenu biodégradable, est indispensable pour le suivi économique du processus de traitement, qui s’étend de l’évaluation de la pollution éliminée à la régulation du fonctionnement des bassins d’aération et au contrôle de la charge de boue.

Cette opération est rendue possible par l’analyseur de DBO STIP qui réalise l'examen en continu d’un flux d’eaux usées en produisant une courbe de DBO avec un retard de trois minutes seulement (DBO de courte durée).

En raison de ce bref délai d’analyse et de la continuité de l'indication du résultat, la commande des stations d’épuration en fonction de la charge en DBO devient réalisable. La gamme de mesure de l’appareil est de 5 à 5 000 mg/l (mesurée en DBO 5) et peut être étendue jusqu’à 10 000 mg/l.

Nota. est seulement significative de la région linéaire de la courbe Michaelis-Menten, qui est repérée.

Principe de la détermination de la DBO de courte durée

a été développée à partir de la méthode analytique bien connue de la DBO. Dans la DBO5 classique, les micro-organismes se développent essentiellement au cours de la période de mesure qui s’étend sur cinq jours, alors que dans la DBO de courte durée la biomasse doit être présente dès le début de l’opération. De plus, des conditions spécifiques à cette méthode sont requises, à savoir :

• • les micro-organismes utilisés doivent être adaptés aux eaux usées qui sont analysées (seuls des changements à long terme de la qualité des eaux d’égouts peuvent entraîner une modification des organismes ; par ailleurs, il est essentiel que la caractéristique du système biologique soit constante). Des variations quantitatives dans la composition des effluents ne modifient pas les caractéristiques des micro-organismes ;
• • le ratio existant entre la biomasse et le substrat doit être élevé et constant ;
• • la quantité d’oxygène, qui n’entre pas dans la conversion du substrat, doit être constante et capable d’être éliminée ;
• • on doit pouvoir évaluer différentes mesures basées sur un niveau de référence commun.

Le modèle cinétique de Michaelis et Menten sert de fondement théorique à la mesure.

Dans ce modèle, la vitesse de la réaction biochimique, comme fonction de la fourniture en nutriment, prend l'aspect d'une hyperbole.

1. La concentration en effluent dans le bocal de réaction est constante et très faible. Elle est régulée par un dispositif automatique de sorte que la concentration d’oxygène et de micro-organismes corresponde à une valeur préréglée de 3 mg/l.
2. Un grand nombre de petits anneaux en plastique servent de surface de croissance aux micro-organismes. À l’intérieur de ces anneaux, les micro-organismes sont particulièrement bien protégés vis-à-vis de l’abrasion mécanique. Un écran empêche les anneaux de sortir du flacon de réaction.
3. Une pompe de circulation maintient les anneaux en plastique dans le bocal de réaction en mouvement turbulent permanent. En même temps, elle permet une distribution rapide de l’échantillon dans le bocal de réaction.
4. Des pompes de mélange fournissent en permanence 1 000 ml/min ; si la différence de concentration en oxygène entre le capteur d’entrée et celui de sortie tombe au-dessous d’une valeur préréglée, la quantité d’effluent est augmentée et l’eau de dilution est réduite, et vice versa quand la différence en oxygène augmente.
5. Le contenu en oxygène de l’échantillon est mesuré par les capteurs d’oxygène à l’entrée et à la sortie du dispositif. Si la différence de concentration en oxygène dévie d’une valeur préréglée, les pompes de mélange sont manœuvrées par le calculateur de sorte que la concentration en élément nutritif dans le bocal de réaction soit augmentée ou diminuée jusqu’à ce que la valeur de réglage soit à nouveau atteinte.

Durant les mesures de DBO en continu, les pompes de mélange sont contrôlées par la respiration des micro-organismes. La valeur mesurée est calculée à partir du rapport du débit des pompes. Le délai entre la mesure et l’affichage est de l’ordre de 3 min.

(figure 1), représentant la variation de la vitesse de réaction V définie par la formule :

V = Vmax. L/(Km + L) (I),

où l’on a :

• Vmax. = vitesse maximum de réaction enzymatique
• L = fourniture en nutriment ou concentration du substrat
• Km = constante de Michaelis ou constante de saturation du substrat.

Pour des niveaux faibles de nutriment, on peut faire l’approximation suivante :

V = Vmax. L/Km (II).

En effet, comme on le voit sur la figure 1, la différence entre V1 et V2 est faible quand L est grand et des valeurs suffisamment grandes de V1 sont obtenues quand L est petit.

De plus, la vitesse de réaction est approximativement proportionnelle à la concentration en substrat, dès lors que celle-ci est suffisamment basse ; c’est-à-dire qu’une consommation du nutriment dans cette région entraîne une consommation d’oxygène proportionnelle.

La représentation expliquée ici s’applique, au sens strict, à une quantité constante d’enzymes avec une concentration variable du substrat et avec une diffusion libre du nutriment vers les enzymes. Ces conditions sont atteintes dans la méthode de mesure de la DBO en continu : les organismes se développent à l’intérieur de supports animés d’un mouvement libre avec une vitesse relative élevée et constante du transport du substrat comparée aux organismes, la biomasse restant constante.

La fourniture du nutriment en faible concentration (dilution avec l’eau du robinet) assure aussi que la dégradation du nutriment, sous toutes ses formes, ne modifie pas l’allure de la réaction qui est en train d’être déterminée (tant qu’il n’y a pas de toxicité présente) et garantit aussi que les mesures sont indépendantes du temps.

Les micro-organismes qui sont transportés dans l’appareil avec le flux d’eaux usées ne compromettent pas, de façon significative, le résultat de la mesure, puisque leur nombre est relativement faible par rapport à la biomasse du lit fluidisé et, de plus, leur activité est minimisée par le changement de milieu (dilution de l’eau, différence de température, etc.).

L’unité de mesure en continu de la DBO de courte durée

L’unité de mesure (figures 2 et 3) est installée dans une armoire résistante de 140 × 160 × 50 cm (l × h × p).

La partie gauche de l’unité comprend le sys-

Système de préparation de l’échantillon ; dans la partie droite inférieure se trouve l’équipement de mesure, et en haut à droite sont placées l’électronique avec affichage digital et l’imprimante graphique.

Les unités fonctionnelles sont représentées schématiquement sur la figure 2. La figure 3 montre une vue de face de l’analyseur, porte ouverte.

Préparation de l’échantillon

Considérant que le système de mesure utilise partout un débit relativement élevé de 1 l/min et des tuyaux de diamètre de 8 mm, aucune prescription particulière n’est imposée concernant la préparation de l’échantillon (notamment une micro-filtration qui modifierait les caractéristiques de l’eau usée).

Les eaux usées, avec les éléments non retenus au niveau du poste de dégrillage à l’entrée de la station d’épuration, sont pompées (pompe immergée équipée d’un dilacérateur) et amenées jusqu’à l’unité de mesure par l’intermédiaire d’un by-pass. Une partie de l’effluent est entraînée à travers une grille qui se rince automatiquement et dans laquelle l’écoulement se fait de façon longitudinale (filtration tangentielle).

Compte tenu de la simplicité de la méthode mise en œuvre, cette préparation de l’échantillon, qui est en fait une filtration grossière à 0,5 mm, représente une protection suffisante de l’équipement sans, par la même occasion, entacher d’erreur les résultats analytiques (figure 4).

L’eau usée à analyser est diluée avec l’eau du robinet en accord avec ces prescriptions, de façon à ce que la biomasse du lit fluidisé soit constamment alimentée, suivant la formule :

LK = 5 mg/l DBO5.

Le maintien à ce niveau de nutriment est assuré et contrôlé par la consommation d’O₂ indiquée (à l’O₂ des sondes de mesures). La biomasse, via sa respiration, détermine le contrôle de ses propres besoins en éléments nutritifs.

Le ratio du mélange, réalisé entre l'eau usée et l'eau de dilution, ajusté à 1 : n, sert à déterminer la concentration en nutriment de l'eau usée à respecter pour la détermination de la DBO.

L'équation de dilution est : n + 1 = L/LK. n et LK (consommation théorique d’oxygène) sont connus ; l'équation donne la valeur optimum de la concentration : L = LK (n + 1).

La valeur de la DBO 3 minutes qui est obtenue dans l'analyseur peut être convertie en DBO₅ par une fonction de calibration (figure 7).

Sur le modèle de base, les valeurs mesurées vont de 5 à 5000 mg/l DBO. Les résultats sont donnés sur l'imprimante graphique (figure 6).

Maintenance

Les opérations de maintenance sont facilitées par le fait que le système de canalisation, d'un diamètre de 8 mm, est constitué de cuivre nickelé dans la partie analytique, ce qui concourt à diminuer la fréquence des interventions. D’autre part, le colmatage des tuyaux est minimisé par l'action toxique du cuivre en surface.

Les électrodes d’oxygène doivent être recalibrées une fois par semaine (sans qu'il y ait nécessité de démonter l’unité).

Pour calibrer la pente, de l'eau maintenue en température et saturée en oxygène passe sur les électrodes ; le calculateur détermine lui-même la valeur désirée. Toutes les vannes du système de canalisation étant contrôlées par le calculateur, leur état (ouvert ou fermé) est enregistré électroniquement.

Toutes les interventions de maintenance (nettoyage, calibration des électrodes et pompes) sont guidées par un dialogue interactif entre l'opérateur et le calculateur. Sur l'affichage sont énumérées les différentes étapes et les ajustements manuels (ex : ouverture, fermeture de vanne) qui doivent être réalisés lors des opérations d’entretien.

Expérience pratique avec l’unité de DBO₃

De nombreux analyseurs de ce type ont déjà été mis en service dans des stations d’épuration urbaines et industrielles (chimie, papeterie, agro-alimentaire). Nous ne présenterons, ci-après, qu'un seul exemple parmi ces nombreuses réalisations, concernant une station d’épuration allemande à deux étages, dont la régulation est réalisée par cet appareil en fonction de la charge des eaux usées.

Cette station reçoit des eaux usées de la ville et des eaux de type industriel (boucheries, boulangeries...). De très fortes concentrations et des fluctuations importantes sont induites par ces dernières activités. La charge journalière fluctue d'un facteur 7, entre 500 et 3500 kg de DBO₅/jour.

Une première étape du traitement consiste en un dégrillage, un dessablage et une décantation primaire, suivie par le passage dans un filtre percolateur ; la seconde étape comporte le passage dans un bassin de boue activée. Les relevés journaliers représentés sur la figure 8 montrent les variations de charges à l’entrée de la station du vendredi au dimanche. Le samedi, après 14 heures, on observe une chute importante des concentrations et charges, chute qui se maintient pendant tout le week-end.

Cette faible charge augmente la concentration en O₂ au premier étage de l’aération, et des boues remontent au niveau du décanteur secondaire. L'impact important de la charge en DBO en début de semaine conduit à un mauvais fonctionnement et une diminution des capacités épuratoires de la station avec des valeurs de DBO et d’azote rejetés élevées.

Le système de contrôle de la station est représenté sur le schéma de la figure 9.

Au point de mesure installé à la sortie du filtre bactérien, la concentration en DBO et le débit d'eau sont mesurés. La charge en DBO est ainsi connue, elle est maintenue constante par le contrôle de la vanne située en aval de l’alimentation du filtre. Cette opération rend possible la régulation du système en faisant varier la capacité du filtre bactérien dans le cas de fortes fluctuations de charge, de façon à maintenir presque constante la charge de boue à l’étage d’aération. Cela permet aussi d’adapter l’apport d’oxygène de façon à ce que l’étage de dénitrification puisse être opérationnel.

Des contrôles complémentaires peuvent être aussi automatisés ; il existe à cet effet un analyseur de DCO en continu ainsi que deux modèles de toxicomètres.

BIBLIOGRAPHIE

[1] Continuous short-time BOD-measurement 3, G. Riegler, Darmstadt. Translation from « Korrespondenz Abwasser ».

[2] Oxygen Demand Monitoring, Peter Kalter, STIP.

[3] Biological Wastewater Treatment, C. P. Leslie Grady, Jr., Henry C. Lim.

[4] Fondements théoriques du traitement biologique des eaux, Technique et Documentation, Henri Roques.