Les stations d’épuration du type « boues activées nitrifiantes » sont très répandues et le deviennent de plus en plus en raison de leur capacité d’éliminer dans de bonnes conditions les pollutions carbonées, azotées et phosphorées. La régulation de l'apport d’air, paramètre essentiel du traitement, est basée le plus souvent sur une mesure d’oxygène dissous ou de potentiel Redox effectuée dans le bassin d’aération. D'un développement plus récent, la régulation Redox s’avère particulièrement adaptée lorsqu’il s’agit d’éliminer les pollutions azotées et phosphorées qui impliquent des phases anoxiques ou anaérobies (Charpentier et al., 1987 et 1989). Cependant la mesure du potentiel Redox (pas plus que celle de l’oxygène dissous) n’est un paramètre de qualité de l’effluent qui est rejeté dans le milieu récepteur. Les analyses classiques, effectuées sur des prélèvements manuels ou automatiques, restent donc le seul moyen de s’assurer de la conformité du rejet.
Le procédé Ecoredox* constitue une étape supplémentaire par rapport aux systèmes de régulation existants, puisqu’il permet de réguler la concentration en NH₄⁺ de l'effluent, l'un des critères de qualité de cet effluent, et qu'il assure simultanément l'optimisation de l’aération. Il s’agit d’une application du graphique NH₄⁺—NO₃⁻ (David et Charpentier, 1984). En effet, il a été observé que le maintien d’une concentration en NH₄⁺ (ou NO₃⁻) dans l’effluent aussi stable (et aussi faible) que possible constituait la meilleure garantie de qualité pour cet effluent et d’optimisation de la consommation électrique des aérateurs.
L'objectif de cette expérimentation était de montrer la faisabilité du procédé à échelle industrielle et d’évaluer son impact sur les principaux paramètres d’exploitation (qualité globale de l’effluent et consommation électrique).
* Procédé breveté.
Matériel et méthodes
Présentation du site de l’expérimentation
Le site choisi pour cette expérimentation a été la station d’épuration d’Yffiniac. Les raisons principales de cette décision étaient les suivantes :
* c'est une station d’épuration du type « boues activées faible charge », dans le bassin d’aération de laquelle il est possible d’alterner nitrification et dénitrification ;
* en raison de la très grande sensibilité du milieu récepteur (au fond de la baie de Saint-Brieuc), un objectif de qualité particulièrement contraignant est exigé pour tous les types de pollution habituellement véhiculés par des rejets domestiques ou agro-alimentaires. En outre, l’élimination des pollutions carbonées et azotées (objectif f, NK, de la réglementation française), cette station permet de réduire la pollution bactériologique grâce à un traitement de désinfection de l’effluent par le chlore gazeux. Enfin depuis 1988, un traitement de déphosphatation par addition de sulfate ferreux a été mis en œuvre durant la période estivale, contribuant à une élimination très poussée de la pollution phosphorée ;
* en 1982, cette station a été équipée d'une régulation Redox pour optimiser le fonctionnement des aérateurs.
Les caractéristiques nominales de l’installation sont les suivantes :
— 2 078 kg DBO₅/j ;
— 38 500 habitants-équivalents (sur la base de 54 g DBO₅/HE-j).
Le volume du bassin d’aération est de 6 000 m³, soit une charge volumique de 0,35 kg DBO₅/m³·j.
Principaux éléments de la régulation
La chaîne de régulation est présentée sur la figure 1.
Elle est essentiellement composée des trois éléments suivants :
* la régulation Redox ;
* un ammonium-mètre Hydro-environnement alimenté avec l’effluent de la station ;
* un automate de régulation sur lequel sont renvoyées les indications des deux appareils de mesure et qui permet d’introduire ou modifier les consignes Redox et NH₄⁺.
Principe de fonctionnement de la régulation
Il est basé sur le concept de la courbe NH₄⁺—NO₃⁻ (figure 2). Les zones en grisé correspondent à une élimination insuffisante de la pollution carbonée, soit parce que l’apport d’air est trop
faible (zone AB), soit parce qu'il est trop fort et entraîne un phénomène de dénitrification dans le décanteur secondaire (zone EF). La zone CD correspond à l'élimination maximale des pollutions carbonées et azotées. En outre, les études menées plus récemment au Centre Bretagne de la Compagnie Générale des Eaux ont mis en évidence le fait que cette zone CD est également favorable à deux objectifs de qualité de plus en plus souvent recherchés : l'élimination biologique du phosphore (il est important d'éviter le retour de NO₃⁻ dans le bassin anaérobie) et la désinfection (dont l'efficacité dépend étroitement de la qualité de l'effluent).
Ce concept, mis au point à la station d'épuration d'Yffiniac entre octobre 1980 et mai 1981, est maintenant largement utilisé pour le réglage des aérateurs. Si, d'après les analyses de l'effluent, le point figuratif de la station se trouve à gauche de la zone CD, l'aération est augmentée en modifiant manuellement le réglage des minuteries ou les consignes des régulations Redox ou oxygène dissous. Dans le cas inverse, l'aération est diminuée.
Le procédé Ecoredox constitue une automatisation complète de ce concept. En effet, c'est l'ammonium-mètre lui-même, sans intervention de l'opérateur, qui assure une correction automatique des consignes Redox, dès qu'une légère dérive de qualité de l'effluent est enregistrée.
Déroulement de l'expérimentation
Après une phase préalable de mise au point (mi-mars à fin avril 1989), le procédé a été mis en œuvre dans son intégralité. Durant une première période (mai et juin 1989), la valeur visée pour la concentration en NH₄⁺ de l'effluent était de 4,5 mg N/l, correspondant à l'objectif de qualité NK₁ (NK < 10 mg N/l). Durant une seconde période (juillet à octobre 1989), elle était de 1 mg N/l, ce qui permettait de garantir l'objectif de qualité NK₂ (NK ≤ 7 mg N/l).
Incidence du procédé sur la qualité de l'effluent et les produits de traitement
Du lundi 16 mai au dimanche 22 mai 1989 (1ʳᵉ période ; concentration de 4,5 mg N/l visée pour NH₄⁺-effluent ; objectif NK₁), des prélèvements moyens d'influent et d'effluent ont été réalisés sur sept jours consécutifs afin d'évaluer l'incidence de la régulation sur la qualité de l'effluent (élimination des pollutions carbonées, azotées, phosphorées et bactériennes) et les produits de traitement (consommation d'électricité des aérateurs et consommation de chlore pour la désinfection).
Conditions de fonctionnement de la station durant la semaine de prélèvement
Le tableau I montre que la station a reçu en moyenne un flux polluant correspondant aux deux tiers de sa capacité organique nominale, avec une variation assez sensible d'un jour sur l'autre en raison de la part prépondérante des rejets d'origine industrielle (laiterie). Le temps ayant été sec, le flux hydraulique a été plus régulier, correspondant également en moyenne aux deux tiers de la capacité hydraulique nominale.
L'addition journalière de sulfate ferreux dans le bassin d'aération, signalée ci-dessus, et dont le but est d'obtenir une élimination très poussée de phosphore, avait été mise en œuvre depuis le mois de mars ; en revanche le traitement de désinfection de l'effluent est effectif toute l'année.
Élimination des pollutions carbonée, azotée et phosphorée
Le tableau II fait apparaître d'excellents résultats pour les trois types de pollution. Bien que l'objectif d'élimination de l'azote (imposé par le réglage des consignes de la régulation) eût pu être encore plus poussé comme c'est le cas lors de la deuxième période d'essai, on observe une très bonne élimination de la pollution carbonée (niveau f atteint). Bien entendu la très bonne élimination de la pollution phosphorée doit être mise en relation avec l'addition de sulfate ferreux.
Mais plus encore que la qualité intrinsèque de l'effluent, c'est la stabilité de cette qualité qui est à noter : en effet, lors des différentes analyses réalisées, les écarts observés d'un jour sur l'autre restent dans la marge d'incertitude de la mesure elle-même. Si écart significatif (hors de la marge d'incertitude) il y a, il peut s'expliquer par la très légère variation des MES dans l'effluent, paramètre indépendant du réglage de l'aération.
Tableau I
Caractéristiques du fonctionnement de la station de lundi 16 mai au dimanche 22 mai 1989
| Caractéristiques du fonctionnement | Moyenne journalière | Jour Mini | Jour Maxi | Valeurs nominales | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Flux polluant kg DBO₅/j | 1 300 | 1 100 | 1 560 | 2 075 | ||
| DCO (mg O₂/l) | 1 500 | 49 | 38 | 61 | 50 | 96,7 |
| DBO₅ (mg O₂/l) | 790 | 10 | 8 | 12 | 15 | 98,7 |
| % Capacité organique nominale | 63 | 53 | 75 | — | ||
| MES (mg/l) | 262 | 6,5 | 4,5 | 9,5 | 20 | 97,5 |
| Flux hydraulique m³/j | 1 640 | 1 410 | 1 770 | 2 600 | ||
| NK (mg N/l) | 178 | 10 | 9 | 12 | 10 | 94,4 |
| NH₄⁺ (mg N/l) | 80 | 4,7 | 4 | 5,2 | — | — |
| % Capacité hydraulique nominale | 63 | 54 | 68 | — | ||
| NO₃⁻ (mg N/l) | 0 | 0 | 0 | 0 | — | — |
| Pt (mg P/l) | 28,2 | 0,75 | 0,5 | 1,0 | 1 | 97,3 |
| PO₄ (mg P/l) | 24,1 | 0,4 | 0,25 | 0,6 | — | — |
Tableau II
Résultats obtenus du lundi 16 mai au dimanche 22 mai 1989
| Paramètres | Influent (moyenne journalière) | Effluent (moyenne journalière) | Effluent (jour maxi) | Niveau ELNP-92 | % élimination |
|---|---|---|---|---|---|
| DCO (mg O₂/l) | 1 500 | 49 | 38 | 61 | 96,7 |
| DBO₅ (mg O₂/l) | 790 | 10 | 8 | 15 | 98,7 |
| MES (mg/l) | 262 | 6,5 | 4,5 | 20 | 97,5 |
| NK (mg N/l) | 178 | 10 | 9 | 10 | 94,4 |
| NH₄⁺ (mg N/l) | 80 | 4,7 | 4 | 5,2 | — |
| NO₃⁻ (mg N/l) | 0 | 0 | 0 | 0 | — |
| Pt (mg P/l) | 28,2 | 0,75 | 0,5 | 1 | 97,3 |
| PO₄ (mg P/l) | 24,1 | 0,4 | 0,25 | 0,6 | — |
Élimination de la pollution bactériologique
La grande stabilité de la qualité de l’effluent permet une très bonne efficacité de la désinfection (140 coliformes totaux et 10 coliformes fécaux dans 100 ml) pour un taux de chloration très raisonnable de 2,5 g Cl₂/m³ d’effluent (un taux compris entre 3 et 4 g Cl₂/m³ est généralement préconisé pour cette qualité d’effluent). Ce faible taux rejoint celui que l’on observe dans les conditions d’un essai en laboratoire (tableau III), ce qui induit une utilisation optimale du réactif, puisque la valeur de chlore résiduel total dans l’effluent, en fin de bassin de contact, est également minimisée (0,5 à 1,0 mg Cl₂/l).
Rappel de l’objectif de désinfection :
« < 1 000 coliformes totaux dans 100 ml (soit 3 unités logarithmiques dans 100 ml), « < 100 coliformes fécaux dans 100 ml (soit 2 unités logarithmiques dans 100 ml).
Consommation électrique des aérateurs
Si l’on se base sur la courbe NH₄⁺—NO₃⁻ de la figure 3, on peut estimer en première approche que le fait de maintenir la concentration en NH₄⁺ de l’effluent à l’intérieur d’une fourchette de 1 à 2 mg N/l grâce à la régulation Ecoredox induit une économie de 5 à 10 % de la consommation électrique des aérateurs par rapport à une régulation Redox classique, qui permet le maintien de la concentration en NH₄⁺ de l’effluent à l’intérieur d’une fourchette de 5 mg N/l. La régulation Ecoredox constitue donc une étape supplémentaire dans la démarche qui, après la mise en évidence de la courbe NH₄⁺—NO₃⁻, a consisté tout d’abord à mettre en place le suivi des formes azotées de l’effluent par des analyses de terrain puis, dans un second temps, à mettre au point la régulation Redox.
Stabilité de la qualité de l’effluent sur une longue période
Durant la deuxième période (juillet à octobre 1989 ; concentration de 1 mg N/l visée pour NH₄⁺, objectif NK), 4 prélèvements moyens d’effluent ont été réalisés sur 24 heures par le SATESE (organisme officiel de contrôle) à des dates différentes, permettant d’évaluer la stabilité de la qualité de cet effluent sur plusieurs mois.
Le tableau IV met en évidence une parfaite stabilité de la concentration en NH₄⁺ de l’effluent durant les 4 mois de l’observation. NK et DBO₅ sont également très stables. Les valeurs nettement plus élevées de Pt en septembre et octobre doivent être reliées à l’arrêt de l’addition de sulfate ferreux au début septembre. La variabilité des MES peut être due à des phénomènes liés à la décantation. La régulation de l’aération est donc parfaitement maîtrisée, puisque les critères de qualité de l’effluent qui en dépendent directement (NH₄⁺, NK, DBO₅) sont parfaitement stabilisés.
Principaux avantages du procédé confirmés par l’expérimentation d’Yffiniac
Comme nous le faisons ressortir ci-après, le procédé combine les avantages de la mesure du Redox dans les boues activées et de la mesure de NH₄⁺ effectuée sur l’effluent.
Le critère ultime du dispositif de régulation testé est la concentration en NH₄⁺ de l’effluent (critère de qualité notifié dans la circulaire officielle du 4 novembre 1980). La courbe NH₄⁺—NO₃⁻ montre que la maîtrise de ce paramètre n’est pas seulement la garantie d’une bonne élimination azotée (NH₄⁺, NI, NO₃⁻), mais également d’une bonne élimination de la pollution carbonée (DBO₅, DCO) et de l’optimisation de la consommation électrique des aérateurs. C’est aussi le paramètre essentiel de l’optimisation de la désinfection de l’effluent par le chlore et de l’élimination biologique du phosphore dans les stations de type « boues activées nitrifiantes ».
Ce contrôle en continu peut être considéré comme davantage représentatif de la qualité de l’effluent que des analyses effectuées sur des prélèvements moyens sur 24 heures réalisés périodiquement (hebdomadairement ou mensuellement), qui ne tiennent pas compte des dépassements ponctuels des normes. Ce type de contrôle répond aux exigences de la législation des pays nord-européens (Allemagne, Danemark).
• La mesure de NH₄⁺ est effectuée sur un effluent bien épuré et très peu
Tableau III
Résultats de désinfection obtenus en laboratoire et sur la station
| Origine des résultats | Taux de traitement (g Cl₂/m³) | Coliformes totaux (unités log dans 100 ml) | Coliformes fécaux (unités log dans 100 ml) |
|---|---|---|---|
| Essai en laboratoire | |||
| 0 | 5,84 | 4,6 | |
| 1 | 4,34 | 3,6 | |
| 2 | 3,70 | 1,81 | |
| 3 | 3,71 | 0,7 | |
| 4 | 1,18 | 0 | |
| 5 | 1,08 | 0 | |
| Résultats en station | |||
| 2,5 | 2,15 | 1,15 | |
| 2,5 | 0,78 |
Tableau IV
Résultats obtenus de juillet à octobre 1989
| Paramètres | Effluent 11/7/89 | Effluent 18/8/89 | Effluent 18/9/89 | Effluent 11/10/89 | Effluent moyenne des 4 prélèvements | Niveau N, NK, P/2 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DCO (mg O₂/l) | 63 | 44 | 44 | 70 | 55 | 50 |
| DBO₅ (mg O₂/l) | 5 | 3 | 3 | 4 | 4 | 15 |
| MES (mg/l) | 4 | 8 | 12 | 12 | 9 | 20 |
| NK (mg N/l) | 3,4 | 2,8 | 3,0 | 2,5 | 2,9 | 10 |
| NH₄⁺ (mg N/l) | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | |
| NO₂⁻ (mg N/l) | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | |
| NO₃⁻ (mg N/l) | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | |
| NGL (mg N/l) | 3,6 | 3,0 | 3,2 | 2,7 | 3,1 | |
| Pt (mg P/l) | 0,9 | 2,4 | 1,0 | 3,0 | 1,1 | 7,1 |
| P₂O₄ (mg P/l) | 0,5 | 2,3 |
Chargé en MES, ce qui facilite la mesure, simplifie le processus analytique et contribue à la fiabilité du dispositif de régulation.
• Les durées respectives des périodes aérées et non aérées continuent d’être gérées par la mesure du Potentiel Redox, ce qui permet d’optimiser l’alternance des phases oxydantes-nitrifiantes et des phases réductrices-dénitrifiantes dans le bassin d’aération. Dans le cas d’Yffiniac, nous avons pu obtenir une concentration très faible en NH₄⁺ de l’effluent (< mg N/l), sans que les NO₃⁻ apparaissent, bien que le bassin d’aération ne soit pas précédé d’un bassin non aéré.
• Dans le cas d'une régulation classique Redox (ou oxygène dissous), il y a nécessité de contrôler manuellement la qualité de l’effluent, afin de réajuster, si besoin est, les consignes de la régulation. Ce n’est plus utile avec Ecoredox, qui constitue une automatisation intégrale de la fonction aération à partir d'une mesure en continu de la qualité de l’effluent. Le contrôle qui reste indispensable est celui du bon fonctionnement des appareillages (ammonium-mètre en particulier), ce dernier étant gérable lui-même, au moins en partie, par un automatisme.
• Ecoredox apparaît comme un procédé novateur et séduisant. En effet, il associe la régulation Redox, particulièrement adaptée à la maîtrise des phénomènes de nitrification et de dénitrification, avec la mesure de la concentration en NH₄⁺ de l’effluent, qui est le paramètre le plus significatif de l’optimisation de l’aération et de la qualité de l’effluent. Cependant, des variantes de ce procédé peuvent être envisagées, notamment en remplaçant la mesure du Redox par celle de l’oxygène dissous ou bien en substituant une mesure de NO₃⁻ à celle de NH₄⁺.
Conclusion
Basé sur le concept de la courbe NH₄⁺-NO₃⁻, Ecoredox est un procédé de régulation de la concentration de NH₄⁺ de l’effluent, critère de qualité qui figure dans les circulaires officielles et qui constitue une garantie de la bonne élimination des pollutions carbonées et azotées. Il permet en outre une automatisation intégrale de la fonction aération, grâce à une mesure du Redox des boues activées.
L’expérimentation d’Yffiniac a permis de confirmer la fonctionnalité et la fiabilité du procédé sur une période de six mois consécutifs. Elle a également établi qu’en contribuant à resserrer les limites des variations de la concentration en NH₄⁺ de l’effluent (1 à 2 mg N/l), il constituait par rapport à une régulation Redox classique (ou oxygène dissous) un progrès dans la stabilité de la qualité de l’effluent, dans des conditions optimales de désinfection et de consommation électrique des aérateurs.
Aux avantages apportés par le bon fonctionnement de la station, le procédé associe le contrôle continu de la qualité de l’effluent rejeté dans le milieu récepteur, ce qui permet d’alléger les contrôles classiques par prélèvements/analyses et de répondre à des exigences du contrôle de la stabilité du traitement qui figurent dès à présent dans les législations de certains pays nord-européens (Allemagne et Danemark).
Compte tenu du coût de l’ammonium-mètre (il est nécessaire de disposer d’un appareil fiable), ce procédé paraît à ce jour plus particulièrement adapté aux stations du type « boues activées nitrifiantes » à partir d’une capacité de 50 000 Hab.-Équ., voire moins si des exigences de qualité très contraignantes sont requises pour l’effluent.
Bibliographie
Charpentier (J.), Florentz (M.), David (G.). Oxidation Reduction Potential (ORP) regulation : a way to optimize pollution removal and energy saving in the low load activated sludge process, Water Sciences and Technology, vol. 19, 1987, pp. 645-655.
Charpentier (J.), Godart (H.), Martin (G.), Mogno (Y.). Oxidation-Reduction Potential (ORP) regulation as a way to optimize aeration and C, N and P removal : experimental basis and various full-scale examples, Water Sciences and Technology, vol. 21, 1989, pp. 1209-1223.
David (G.), Charpentier (J.). Un graphique pour l’utilisation optimale de l’énergie en liaison avec l’élimination de la pollution carbonée et azotée, Techniques et Sciences Municipales, vol. 79, n° 2, février 1984, pp. 63-62.
