En dehors des mesures traditionnelles de la DBO 5, de la DCO et de la COT, il existe d'autres variables directement mesurables qui fournissent des informations précieuses sur le processus d'épuration biologique et la conduite des stations d'épuration. L'article concerne la mesure des taux de respiration et de calcul de la DBO instantanée ou de courte durée qui permettent d'intervenir immédiatement (une mesure toutes les minutes) sur les commandes de la station, à savoir la fourniture d'air, le taux de recirculation des boues, l'âge de celle-ci, la charge volumique et le débit des effluents à traiter. Les effets d'inhibition dus à la présence de toxiques peuvent être également contrôlés sur le champ. Les tests et essais permettant de suivre le bon fonctionnement des stations et leur pilotage ont été réalisés avec le respiromètre Manotherm RA 1000 dont les principales caractéristiques sont de mettre en ?uvre un seul capteur d'oxygène et d'utiliser la boue activée propre à la station. La DBO instantanée est calculée à partir de quatre différents taux de respiration, qui sont les taux de respiration endogène, instantané, réel et maximal.
Les différentes études portant sur le traitement par boues activées des eaux usées urbaines ou industrielles utilisent, en règle générale, les notions ou définitions suivantes :
R.end : taux de respiration endogène (endogenous respiration rate), qui mesure la demande en O2 d’une boue activée, afin d’oxyder les substrats intracellulaires en l'absence de substrats extracellulaires.
R.bas : taux de respiration de base (basic respiration rate), qui mesure la demande en O2 d'une boue activée, aérée pendant une heure et demie sans alimentation en eau usée. Cette période peut être considérée comme étant suffisante pour éliminer complètement les composés facilement biodégradables. La mesure de R.bas a lieu à partir d’un échantillon de boue activée prélevée dans une fosse de dérivation, dans laquelle un séjour d’une heure et demie est assuré, la boue étant continuellement recyclée dans le bassin d’aération (figure 2a).
R.inst : taux de respiration instantanée (instantaneous respiration rate) qui mesure la demande en O2 d’une boue activée prélevée dans le bassin d’aération (figure 2b).
R.act : taux de respiration réel (actual respiration rate) qui mesure la demande en O2 d'une boue activée prélevée dans le bassin d’aération, mélangée avec un échantillon calibré d'eau usée provenant d’une collecte en amont du bassin, le tout étant maintenu aéré (figure 2c).
R.max : taux de respiration maximal (maximum respiration rate), qui mesure la demande en O2 d’une boue activée alimentée avec un excès de composés facilement biodégradables. En pratique, on reprend la manipulation portant sur la mesure de R.act en augmentant le volume d’échantillonnage de l'eau usée prélevée en amont et en respectant un ratio « débit de l'effluent à traiter sur débit des boues » au moins égal à 0.03 (figure 2d).
R.ret : taux de respiration de la boue recyclée (return sludge respiration rate) qui mesure la demande en O2 de la boue recyclée (figure 2e).
RS.act : taux de respiration réel du substrat (actual substrate respiration rate) qui mesure la demande en O2 nécessaire à l’oxydation des composés facilement biodégradables.
RS.max : taux de respiration maximal du substrat (maximum substrate respiration rate) ; ce taux, de définition identique au précédent, est mesuré en présence d’un excès de composés facilement biodégradables.
R.spec : taux de respiration spécifique (specific respiration rate). Ce taux est lié à la mesure de toxicité. Il dépend de la nature du produit inhibant le processus de biodégradation.
Enfin la demande biochimique instantanée en oxygène (DBO inst.), appelée également demande biochimique courte durée (BOD short term), estime la consommation totale d’O₂ par la boue activée afin d’oxyder tous les composés facilement biodégradables. Comme nous le verrons plus loin, grâce au matériel mis à disposition, la possibilité de procéder à des mesures en continu, au moins toutes les minutes, permet d’utiliser l’appellation de DBO instantanée.
Ces différents taux de respiration sont schématisés sur la figure 1. Les figures 2a, b, c/d et e indiquent la corrélation existant entre les lieux de prélèvement et le type du taux de respiration concerné.
Principe de la mesure
Le respiromètre Manotherm RA-1000 utilisé dans les essais décrits ci-dessous permet de mesurer en continu, et de manière quasi instantanée, la concentration en O₂ dissous dans un liquide. Par application de la formule ci-dessous, cette mesure conduit au calcul de la consommation en O₂, du taux de respiration de la boue activée et, par la suite, de la demande biochimique instantanée en oxygène (DBO inst.) de l’eau à tester.
R(t) = Q [Ce(t) − Cs(t)] / V, où R(t) : taux de respiration au temps t (mg O₂/l/h), V : volume de la cellule de mesure (l), Q : débit de passage de l’échantillon dans la cellule (l/h), Ce(t) : concentration en O₂ à l’entrée de la cellule — parcours sens 1 — au temps t (mg O₂/l), Cs(t) : concentration en O₂ en sortie de la cellule — parcours inverse sens 2 — au temps t + Δt (mg O₂/l), Δt : temps moyen de séjour dans la cellule (s), en général 30 secondes.
Les concentrations en O₂ doivent dépasser 1,5 mg/l et la différence Ce(t) − Cs(t), qui mesure la consommation en oxygène, doit avoisiner 0,5 mg/l. Cette valeur est obtenue par réglage automatique ou manuel du débit traversier de l’échantillon dans la cellule de mesure.
Les figures 3a et 3b montrent le fonctionnement de base de l’appareil.
L’échantillon à tester est dirigé par une pompe péristaltique de débit variable Q, asservie ou non, dans une cellule équipée d’une sonde de mesure d’oxygène (figure 3a). Dans le sens 1, le liquide pénètre à la base du capteur, le sens du circuit étant assuré au moyen d’un jeu de quatre électrovannes. Une première mesure est réalisée puis une deuxième mesure, 30 secondes plus tard, le sens étant inversé (figure 3b) par permutation de l’ouverture et la fermeture des électrovannes. Ces cycles sont reproduits toutes les minutes ou plus pendant toute la durée des essais. L’homogénéisation dans la cellule de mesure est assurée par une pompe de recirculation. L’intérêt essentiel que procure la mesure avec une seule sonde est évident : plus d’étalonnage et réétalonnage de sondes à caractéristiques différentes comme cela se pratique avec les appareils existants, plus de problème de correction dans les calculs.
Détermination de la demande biochimique instantanée en oxygène
La manipulation a été réalisée avec le matériel de base constitué par le respiromètre couplé avec un réacteur biologique de laboratoire (figure 4).
Ce matériel fait partie de l’équipement utilisé pour les essais réalisés à Bennekom (Pays-Bas) (figure 5).
Le mode opératoire comporte le transfert dans le réacteur de 2 à 3 litres de boues activées provenant de la station. L’expérience commence en aérant le réacteur, tout en maintenant le pH et la température. La mesure montre un taux de respiration de base constant qui, lors de l’introduction d’un échantillon d’eau usée de volume connu, va croître brusquement pour décroître lentement puis rapidement. L’expérience prend fin quand le taux de respiration retrouve sa valeur initiale et constante.
La DBO inst. peut alors se calculer selon la succession des séquences suivantes :
R.bas(b) = {R(K) + R(K + 1) + ..... + R(N)}/N
R.bas(e) = {R(K) + R(K + 1) + ..... + R(N)}/N
R.bas = 1/2 {(R.bas(b) + R.bas(e)}
O₂(cons) = [{R(K) + R(K + 1)×0,5} + {R(K + 1) + R(K + 2)×0,5} + … + {R(N – 1) + R(N)×0,5}]/60
O₂(bas) = (N × R.bas)/60
O₂(CFB) = O₂(cons) – O₂(bas)
DBO inst. = {(Vₐ + Vₛ)/Vₛ} × O₂(CFB)
où : R.bas(b) : taux de respiration de base avant ajout de l’échantillon d’eau usée (mg O₂/l/h), R.bas(e) : taux de respiration de base lorsque celui-ci retrouve sa valeur initiale en fin de test (mg O₂/l/h), R.bas : taux moyen de respiration de base (mg O₂/l/h), R(K) : taux de respiration à la mesure n° K (mg O₂/l/h), N : nombre de mesure, O₂(bas) : masse d’oxygène consommée pour maintenir le taux de respiration de base, O₂(cons) : masse d’oxygène consommée pour oxyder complètement les composés facilement biodégradables et maintenir le taux de respiration de base (mg O₂/l), O₂(CFB) : masse d’oxygène consommée pour oxyder uniquement les composés facilement biodégradables (mg O₂/l).
Les essais réalisés en juin 1990 sur une eau usée prélevée dans la station d’épuration de Bennekom ont donné les résultats suivants :
Conditions opératoires :
* volume de l’échantillon Vₛ = 200 ml, * volume de la boue activée Vₐ = 2 l, * matière sèche = 2,5 g/l, * pH = 7,1-7,3, * temps d’aération pour activer les boues = 2 h, * température = 20-21 °C, * pression atmosphérique = 1020 mbars.
Résultats :
* demande biochimique instantanée en O₂ : DBO inst = 245 mg O₂/l, * taux de respiration maximum = 74 mg O₂/l/h, * taux de respiration de base = 14 mg O₂/l/h, * temps nécessaire à la complète oxydation des composés facilement biodégradables = 36 mn.
Résultats intermédiaires :
* R.bas(b) = 13,0 mg O₂/l/h * R.bas(e) = 13,6 mg O₂/l/h * R.bas = 13,3 mg O₂/l/h * O₂(cons) = 29,8 mg O₂/l * O₂(bas) = 7,8 mg O₂/l * O₂(CFB) = 22,0 mg O₂/l
Un exemple du tracé de la courbe qui en résulte est présenté sur la figure 6.
En reprenant les schémas a, b, c/d, e de la figure 2, il est possible de programmer le respiromètre pour réaliser les séquences suivantes :
— ajustement du débit d’échantillonnage Q.sam tel que : Q.sam × V.at = Q.inf × V.res.
— calcul de la DBO inst. sortie eau traitée : DBO.inst.(s) = {V.res/Q.sam} × {(R.ins – R.bas)}/{1 – {(R.ins – R.bas)²/(R.act – R.bas)²}}
— calcul de la DBO inst. entrée eau usée : DBO inst.(e) = DBO inst.(s) + {V.at (R.act – R.bas)}/Q.inf.
— Âge des boues T.slu déduit de : Q.s = (V.at/T.slu) (MS.at/MS.ret) ou encore Q.s = (V.at/T.slu) (R.bas/R.ret)
Q.sam = débit de l’échantillon (m³/h), Q.inf = débit de l’effluent à traiter (m³/h), Q.s = débit des boues activées (m³/h), V.at = volume du bassin d’aération (m³), V.res = volume de la cellule de mesure (m³), DBO inst.(e) = demande biochimique en O₂ entrée de station (mg O₂/l), DBO inst.(s) = demande biochimique en O₂ sortie de station (mg O₂/l), T.slu = âge des boues (h), MS.at = matière sèche des boues dans le bassin d’aération (kg/m³), MS.ret = matière sèche des boues recyclées (kg/m³).
Pilotage d’une station d’épuration
Les objectifs de conduite d’une station sont clairement définis : * éliminer les composés titrant en DBO, * utiliser un minimum d’énergie d’aération pour réduire les coûts et inhiber certaines réactions, * fonctionner en charge volumique maximale, * améliorer les caractéristiques de fixation des boues activées, * développer certaines souches de bactéries spécifiques.
Parmi les principaux paramètres réglant la conduite d’une station, l’exploitant peut faire varier : * la concentration en oxygène dissous dans le bassin d’aération, * le taux de chargement en boues, * l’âge des boues, etc.
…par les variables de fonctionnement suivantes : * le débit d’air, * le débit de l’effluent à traiter s’il existe un bassin tampon en tête de station, * le taux de recirculation des boues, * le débit d’extraction des boues, etc.
La mesure des différents taux de respiration avec une réponse quasi instantanée obtenue à l’aide du respiromètre permet d’agir immédiatement et d’optimiser : * la meilleure concentration en biomasse, * le débit optimal et la charge maximale, * la consommation minimale en énergie, * le contrôle et l’action sur la variabilité de la nature des effluents.
Contrôle et réglage de la concentration en oxygène dissous dans le bassin d’aération par la mesure de R.act
Ce paramètre, aisément mesurable, permet d’agir sur la consommation en oxygène afin d’avoir en permanence une concentration en O₂ optimale.
Contrôle et pilotage de l’âge et du taux de soutirage des boues par les mesures de R.bas et R.ret
Cette opération est schématisée sur la figure 7.
Contrôle et pilotage des sous-charge et sur-charge de station par R.act et R.max
Le détail des dispositifs correspondants est représenté sur les figures 8 et 9.
Dans le cas d’une présence de bassin tampon en tête de station, le respiromètre permet de piloter le débit de l’effluent afin de satisfaire le ratio optimal (R.act/R.max) déterminé lors de la mise en service. Ce ratio est en effet le meilleur paramètre indicatif de la valeur optimale en biomasse.
L’évolution du ratio (R.act/R.max) max. donne également un renseignement précieux permettant de réagir en cas de variation de la DBO.
Les courbes des figures 10 et 11 montrent le suivi des taux de respiration R.act, R.ins, R.bas, RS.max, et RS.act d’une station dont le taux de chargement correspond à 0,18 kg de DCO/kg MS/j. La figure 11 fait apparaître un sous-chargement, RS.act ne dépassant pas 30 % du RS.max. Il serait possible de traiter plus d’effluents avec la même quantité de boue activée. Sur la figure 10 on peut constater que 50 % de R.act sont consacrés au maintien de la respiration de base et 50 % sont destinés à l’oxydation des substrats.
Contrôle de la variabilité de la nature des effluents à traiter par R.inst
Les tracés des figures 12 et 13 du taux de respiration instantanée R.inst et de la DBO
inst. montrent que la nature de l'effluent change.
La mesure et le calcul des différents paramètres permettent de définir les caractéristiques standard de bon fonctionnement de la station. Pour savoir si, par suite de la modification de la nature des produits à traiter, l'exploitation optimale s’éloigne des standards optimaux, la mesure du taux de respiration instantanée R.ins met en évidence toutes modifications possibles. Dans le cas où la station n’est pas surchargée, R.ins est égal à R.bas ou R.en. Par contre, si la station est en surcharge, la DBO inst. s’accroît avec R.ins. Ainsi, les mesures de R.ins et R.bas indiquent toute surcharge et permettent le retour au fonctionnement optimal.
Détermination de la toxicité
La figure 14 illustre la décroissance brusque du taux de respiration en présence de différentes doses d’ajouts d’élément toxique (cyanure de potassium à 0,00017, 0,0122, 0,129 et 2,58 mg/g de MS).
Mode opératoire : un échantillon renfermant un produit toxique (cyanure de potassium par exemple) est ajouté à une préparation étalon d'une boue activée mélangée avec un substrat (chlorure d’ammonium par exemple) introduit en premier. Le taux de respiration endogène (absence de substrat) a été préalablement mesuré dans le réacteur biologique aéré, dont la température et le pH sont maintenus constants pendant toute la durée des essais. Des concentrations différentes en cyanure ont été testées. La décroissance rapide et le seuil de respiration dépendent de la concentration et de la nature du toxique. Il est alors possible de classer les polluants selon leur toxicité et de déterminer leurs cinétiques.
Les essais précédents permettent de déterminer les paramètres d’inhibitions :
E(t) = [R(O) — R(t)]/[R(O) — R.en] × 100 %
où :
E(t) : % d'inhibition au temps t après ajout de l’échantillon,
R(O) : taux moyen de respiration avant ajout de l’échantillon (mg O₂/l/h),
R(t) : taux de respiration au temps t après ajout de l’échantillon (mg O₂/l/h),
R.en : taux moyen de la respiration endogène avant addition du chlorure d’ammonium.
Par calculs successifs des E(t) à t = 1 h, 2 h ou plus, en fonction des doses de toxique exprimées en mg de produit/g de MS, il est possible de tracer des courbes ayant l’allure de celle de la figure 15.
Le paramètre standard RC50 peut alors être calculé sur le graphe, en prenant E(t) égale à 50 %. RC50 est lu sur l’abcisse.
Des essais, entrepris en août 1990 sur un échantillon d’eau usée inhibée par des doses croissantes de toxiques, ont donné les résultats suivants :
Conditions opératoires :
* toxique : cyanure de potassium,
* doses = 0,000173 mg/g MS (1), 0,0122 mg/g MS (2), 0,129 mg/g MS (3), 2,58 mg/g MS (4),
* durée d’aération = 2 h,
* teneur en MS = 3,5 g/l,
* volume = 2 l,
* pression atmosphérique = 1020 mbar,
* température = 20-21 °C,
* pH = 7,1-7,3.
Résultats :
* taux de respiration de base 22 mg O₂/l/h,
* taux de respiration endogène = 18 mg O₂/l/h,
* taux de respiration après ajout de substrat à l’équilibre = 65 mg O₂/l/h,
* palier de la respiration mesurée après ajout du toxique = 63 mg O₂/l/h (1), 52 mg O₂/l/h (2), 24 mg O₂/l/h (3), 14 mg O₂/l/h (4).
Conclusion
Grâce aux mesures des différents taux de respiration et au calcul immédiat de la DBO instantanée, la maîtrise de la conduite des stations d’épuration d’eaux usées urbaines et industrielles est accessible. La mise en œuvre du respiromètre Manotherm RA 1000 (qui se présente en deux versions : transportable ou du type rack, en armoire) peut avoir lieu :
* soit en « batch » de manière discontinue manuelle ou entièrement automatique, toutes les 30 à 45 mn par exemple (mesures en laboratoire) ;
* soit en continu et en ligne, de manière automatique avec production de résultats toutes les minutes (contrôle et pilotage en salle de commande).
* Conçues avec le concours du Département de contrôle de la pollution des eaux de l’Université d’agriculture de Wageningen (Pays-Bas).
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