La présence de niveaux élevés de phosphore et d’azote dans les eaux usées rejetées vers des zones particulièrement sensibles peut conduire au développement de processus d’eutrophisation avec des conséquences fatales sur la faune marine et la qualité des eaux de la zone. C’est pour cette raison que la législation actuelle impose des limites à la qualité des rejets des stations d’épuration (STEP). Dans les STEP, l’élimination du phosphore jusqu’à des valeurs inférieures à 1 mg PT/l doit être réalisée par précipitation chimique à l’aide de coagulants, compte tenu de leur rendement élevé. Cependant, ces processus dépendent fortement de la qualité de l’eau à traiter et du point de dosage des coagulants. Kemira a développé KemConnect™ P, basé sur un nouvel algorithme de contrôle, pour déterminer les doses optimales de coagulant. L’application de cette technologie dans la STEP de Vic (Catalogne) a permis d’augmenter de 15?% l’efficacité de l’élimination du phosphore et de réduire la consommation globale de coagulant de 8?% par rapport à la même période il y a un an, en maintenant à tout moment une qualité constante et uniforme des effluents.
INTRODUCTION GÉNÉRALE
Eutrophisation
On sait que des teneurs élevées en
nutriments (azote et phosphore notamment) dans les effluents en sortie de
station d’épuration peuvent conduire au
développement de processus en chaîne
dans les masses d’eau recevant lesdits
effluents : rivières, bassins ou lacs. Ces
processus sont appelés eutrophisation
et se caractérisent principalement par
une détérioration de la qualité de l’eau
du milieu récepteur avec des effets critiques sur la flore et la faune qui l’habitent [1-3].
L’augmentation de la disponibilité de
nutriments limitants dans les masses
d’eau réceptrices des rejets des stations
d’épuration représente une augmentation des processus photosynthétiques
qui conduisent à la formation de couches
ou de tapis d’algues, lesquels causent
des variations du pH de l’eau, réduisant
sa transparence et, par conséquent, la
possibilité pour la lumière du soleil d’y
pénétrer. Lorsque la population d’algues
entre dans la phase de mort cellulaire,
cela provoque une forte consommation
d’oxygène dans les processus de dégradation par d’autres micro-organismes,
ce qui conduit à la formation de zones
anoxiques et anaérobies avec des
effets mortels sur les organismes qui y
habitent [1 -4]. Dans certains cas, certaines espèces d’algues génèrent des
toxines nocives lors de leur dégradation, qui peuvent également affecter la
santé humaine lorsque ces plans d’eau
sont utilisés à des fins récréatives.
Mécanismes d’élimination du phosphore
Dans une station d’épuration, les composés du phosphore peuvent être
éliminés par des processus de nature
biologique (dans les cas où le traitement biologique est adapté à cet effet)
ou chimique par précipitation avec des
composés de type coagulant. Il peut être
intéressant de combiner les deux stratégies pour atteindre des pourcentages
d’élimination élevés.
• Élimination biologique du phosphore
Les procédés biologiques de déphosphatation nécessitent l’adoption de certaines configurations dans les réacteurs des stations d’épuration et requièrent dans un premier temps une étape anaérobie. À ce stade, les micro-organismes accumulateurs de polyphosphates (PAO) obtiennent de l’énergie en brisant les liaisons des molécules de polyphosphate (qu’ils accumulent au niveau intracellulaire) et en réduisant leur énergie par l’hydrolyse du glycogène en glucose. Ces deux ressources servent à consommer de la matière organique sous forme d’acides gras volatils ou d’autres substances facilement assimilables (C2 à C5 ) et à la stocker sous forme de polyhydroxyalcanoates (PHA). L’hydrolyse des molécules de polyphosphate entraîne la libération de phosphore dans le milieu [5-7]. En phase aérobie, les micro-organismes PAO métabolisent le PHA accumulé en phase anaérobie pour générer de l’énergie sous forme d’ATP qui permet la croissance de la population microbienne, la régénération du glycogène et l’accumulation intracellulaire de phosphore sous forme de polyphosphates.
L’objectif, en termes de phosphore, est
que son assimilation en phase aérobie soit supérieure à la libération qui
se produit en conditions anaérobies.
Cela dépend fortement de la relation
entre les niveaux d’acides gras volatils
et la teneur en phosphore de l’eau. Dans
des conditions de traitement stables, il
est possible d’atteindre des valeurs de
phosphore total comprises entre 0,5 et
2 mg PT
/l dans l’eau traitée en fonction des rapports entre les niveaux de
phosphore et d’acides gras volatils dans
l’influent [5-7]. Cependant, lorsque les
boues de traitement entrent dans des
conditions anaérobies, soit lors d’opérations de sédimentation, soit lors d’opérations de digestion, il peut se produire
une augmentation de la teneur en phosphore soluble dans l’eau en raison de
leur libération.
• Élimination du phosphore par précipitation chimique
L’utilisation de composés de type coagulant dans le traitement des eaux usées a un impact très important sur l’élimination du phosphore par précipitation chimique avec un coût relativement faible. Dans les stations où une stratégie de type CEPT (Coagulant Enhanced Primary Treatment) [6-9] a été mise en œuvre dans le traitement primaire, une partie des composés organiques du phosphore présents dans l’influent peut augmenter sa sédimentabilité grâce à l’utilisation de coagulants lors de cette étape. Le phosphore soluble sous forme d’orthophosphate provenant de l’influent lui-même ou provenant des processus de transformation et d’hydrolyse de polyphosphates ou de composés organiques lors d’un traitement biologique peut réagir avec des composés coagulants en formant un précipité.
Lorsque le chlorure ferrique est utilisé comme coagulant, la réaction de précipitation chimique peut être décrite selon l’équation 1. FeCl3 + PO 3- 4 FePO4 + 3Cl- ec. 1 Sur le plan stœchiométrique, le rapport Fe:P pour une précipitation complète de FePO4 est de 1 à 1,5:1 sur une base molaire. Ce rapport est connu sous le nom de facteur β [6-9]. Cependant, en pratique, il dépend de différents facteurs :
– L’étendue de l’élimination du phosphore ou la valeur souhaitée dans l’effluent de l’usine ; les valeurs de phosphore des effluents inférieures à 0,2–0,3 mg PO4 /l nécessitent des rapports Fe:P plus élevés pour que la précipitation soit complète. En effet, le métal, en plus du phosphore, réagit avec d’autres espèces contenues dans l’eau. Par conséquent, l’application de règles de proportionnalité pour les précipitations de phosphore avec des plages considérables n’est pas valide.
- Point de dosage de sel métallique ; La présence de solides en suspension, notamment de matières organiques particulaires, exerce un effet de demande de coagulant. Pour cette raison, à dose égale de coagulant, l’élimination du phosphore aura une portée différente si des processus de pré-précipitation (en traitement primaire), de précipitation simultanée (en traitement biologique) ou de post-précipitation (traitement tertiaire) sont mis en œuvre.
– Lors de l’utilisation de composés coagulants, il faut tenir compte du fait qu’en plus de la réaction décrite dans l’équation 1, la formation d’hydroxyde métallique peut se produire simultanément. L’équation 2 décrit le processus lorsqu’un coagulant à base ferreuse est utilisé dans le système: Fe3+ + 3H2O Fe(OH)3 + 3H+ (par exemple. 2)
La précipitation chimique du phosphore peut être en partie stœchiométrique comme décrit dans l’équation 1, tandis qu’un autre pourcentage peut avoir lieu grâce au piégeage de composés particulaires du phosphore dans des réseaux d’hydroxydes métalliques mais avec moins d’efficacité. La répartition entre les deux pourcentages, fortement dépendante du degré de mélange du processus, peut avoir un effet important sur le rapport Fe:P nécessaire.
PROJET DE NOUVELLE
DIRECTIVE SUR LE TRAITEMENT
DES EAUX USÉES URBAINES
(UWWTD)
Contextualisation et objectifs
La directive actuelle sur le traitement des eaux urbaines résiduaires (91/271/ CEE) [10] a été adoptée en mai 1991 avec pour objectif principal de protéger l’environnement des effets néfastes des rejets d’eaux usées et d’établir des normes minimales de traitement au niveau européen. Cependant, la nécessité de mettre à jour cette directive a conduit à une révision approfondie de celle-ci en 2019 [11]. Dans cette révision, différents points d’action ont été identifiés, parmi lesquels la mise à jour des limites de certains contaminants dans les eaux traitées en raison de l’avancement des techniques de traitement depuis la publication de la directive actuelle ainsi que l’inquiétude croissante face aux nouveaux contaminants émergents (d’origine pharmaceutique et microplastiques) et leur impact sur la santé des individus.
Les points identifiés ont fait l’objet d’une évaluation
d’impact pour déterminer la viabilité
de leur mise en œuvre et leur portée.
Ainsi, en ce qui concerne l’élimination
des nutriments (azote et phosphore),
l’établissement de limites plus strictes
(tableau 1) dans les effluents en sortie
des stations d’épuration a été proposée.
Leur mise en œuvre sera systématique
dans les stations de capacités nominales
supérieures à 100000 équivalents habitants mais également dans les stations
de capacités inférieures à 10000 équivalents habitants lorsque le rejet intervient dans des zones particulièrement
sensibles à l’eutrophisation.
Numérisation du contrôle des traitements
La proposition de révision de l’actuelle
directive sur le traitement des eaux
urbaines résiduaires établit la nécessité
de mettre à jour les stations d’épuration
en termes de technologies de l’information. L’objectif principal est d’accroître la
transparence des opérations et de disposer de données évolutives sur certains paramètres d’intérêt grâce à une
surveillance continue. La numérisation
des traitements obtenue grâce à la mise
en œuvre de ces mesures permet également d’utiliser tous les outils de gestion
de données disponibles et de soutenir
la prise de décision stratégique ainsi
que le développement d’une logique de
contrôle avec un haut degré de personnalisation de la station en question.
CONTRÔLE DE LA PRÉCIPITATION CHIMIQUE DU PHOSPHORE
La directive actuelle sur le traitement des eaux urbaines résiduaires ainsi que la proposition de modification établissent les limites maximales autorisées dans la concentration de nutriments (en l’occurrence le phosphore) dans les effluents de la station (tableau 1). Certaines stations disposent de permis de rejets cumulatifs sur une base annuelle, tandis que dans d’autres, la limite est journalière. Si l’on considère le processus de précipitation chimique du phosphore grâce à l’utilisation de composés de type coagulant, dans de nombreux cas, le respect des limites de rejet autorisées est obtenu en sacrifiant les coûts de traitement, c’est-à-dire grâce à un surdosage prolongé dans le temps.
Habituellement, la seule modulation appliquée résulte de la correction des doses mise en œuvre sur la base d’analyses quotidiennes pour vérifier la concentration des rejets en phosphore. Cette opération, diamétralement opposée à l’optimisation des coûts de traitement, peut être (et a été) aggravée en période de rareté des matières premières pour la fabrication des sels métalliques coagulants et d’augmentation des coûts énergétiques associés à leur fabrication. C’est pourquoi la mise en œuvre de stratégies de contrôle avancées est essentielle pour optimiser les coûts de traitement et l’utilisation efficace des produits chimiques qui y sont associés. Il existe différentes logiques de contrôle sur le marché associées au processus de précipitation chimique du phosphore grâce à l’utilisation de coagulants. L’une des plus courantes consiste peut-être à appliquer des boucles de contrôle fermées via un régulateur proportionnel, intégral et dérivé (PID) classique.
La
détermination de la concentration de
phosphore dans l’eau au moyen d’analyseurs automatiques n’est cependant
pas obtenue en continu comme c’est le
cas avec des valeurs telles que le pH,
le potentiel redox ou la conductivité
spécifique. Ceci, combiné aux temps
de rétention du processus, conduit à
ce que les boucles de contrôle basées
sur un schéma PID soient discrètes, ce
qui représente certainement un défi au
niveau du réglage des contrôleurs. À une
époque où les coûts des coagulants restaient faibles, un mauvais ajustement des
paramètres de contrôle conduisant à
des surdoses n’était pas préoccupant.
Cependant, le scénario actuel de disponibilité, de coûts de fabrication élevés et de prévision de limites de rejet
de phosphore plus strictes nécessite de
développer de nouvelles stratégies de
contrôle, en mettant l’accent sur le respect des limites établies dans la réglementation en vigueur et sur l’utilisation
de la quantité strictement nécessaire de
produits chimiques pour obtenir l’effet
recherché.
Algorithme développé par Kemira Oyj
Le cas de figure spécifique à chaque station d’épuration nécessite de développer des algorithmes de contrôle basés sur l’accumulation de données expérimentales relatives au processus d’élimination du phosphore dans la station. L’intégration des lois de contrôle de type Si Alors dans des algorithmes construits par logique floue est à la base de KemConnect P™, l’application développée par Kemira Oyj pour optimiser l’utilisation de coagulants dans le processus de précipitation chimique du phosphore. Les plus grands potentiels d’économie de produits chimiques dans le processus s’observent dans la mise en œuvre de KemConnect P en boucle de contrôle fermée (schéma de type feedback) avec détermination du phosphore dans les rejets et dosage à la sortie du traitement biologique.
Cependant, les caractéristiques de la station, sa configuration
ainsi que la disponibilité et l’emplacement des analyseurs automatiques de
phosphore peuvent nécessiter d’autres
types de stratégies de contrôle pour
lesquelles l’application est également
conçue.
KemConnect P™ n’est pas uniquement
un outil de contrôle local de l’élimination du phosphore par précipitation
chimique puisqu’elle est complétée par
une plateforme d’analyse des données
opérationnelles extraites du processus
lui-même. L’évaluation et l’incorporation de nouvelles expériences dans la
station permettent d’ajuster et de redéfinir les paramètres de contrôle ainsi
que de pouvoir répondre à de nouvelles
situations pour lesquelles un contrôle
traditionnel serait en dérive.
ÉTUDE DE CAS
Antécédents
Ce document présente la mise en œuvre de l’outil KemConnect P ™ dans la station d’épuration des eaux usées urbaines de Vic située dans la Communauté Autonome de Catalogne avec une capacité de traitement nominale de 340000 équivalents habitants (environ 25000 m3 /jour). Le schéma de traitement mis en œuvre à la station est détaillé dans le tableau 2.
Le contrôle de la précipitation chimique
du phosphore, préalablement à la mise
en œuvre de la solution KemConnect
P ™, est réalisé via un algorithme
développé dans la station elle-même
et prenant comme arguments d’entrée la valeur de la concentration en
orthophosphate à la sortie de l’unité
de décantation secondaire, ainsi que
le débit d’eau traitée. Le système de
contrôle établit 3 niveaux de dosage
de chlorure ferrique (FeCl3-2, FeCl3-3 et
FeCl3-4) en fonction de la concentration
en orthophosphate à la sortie (P2
, P3
et
P4
) et un schéma de dosage basé sur des
cycles on/off d’intensité FeCl3-1 et d’une
certaine durée lorsque la concentration en orthophosphate dans les rejets
est inférieure à la valeur de consigne
(P1
) (figure 1). Aux valeurs de production d’orthophosphate supérieures au
niveau défini comme P4
, la dose de chlorure ferrique n’augmente pas et reste à
l’intensité de FeCl3-4.
Logique de contrôle précédente
mise en œuvre
Il existe un historique d’exploitation de la station qui comprend les valeurs moyennes mensuelles du débit d’eau traitée, la concentration de phosphore total (mg PO4 -P/l) dans l’influent, après décantation primaire et à la sortie, ainsi que la consommation de coagulant dans le processus de précipitation chimique.
La figure 2 montre l’évolution de la concentration en phosphore aux points détaillés ci-dessus entre janvier 2019 et octobre 2022, lorsque la station régule le dosage de chlorure ferrique pour l’élimination du phosphore grâce à l’algorithme développé dans l’usine. La figure 3 montre l’évolution des valeurs mensuelles moyennes de consommation de chlorure ferrique au cours de la même période. Le tableau 3 présente le calcul des valeurs moyennes, des écarts-types et des valeurs maximales et minimales sur cette période pour la concentration de phosphore à la sortie et la consommation de chlorure ferrique. On observe que, pour la concentration en phosphore, certains épisodes conduisent à des valeurs moyennes mensuelles supérieures à 1 mg/l, atteignant des pics supérieurs à 2 mg PO4 /l. Cependant, lors de ces épisodes, le pourcentage d’élimination du phosphore continue d’être supérieur à 80% par rapport à la valeur de l’influent établie par la directive 91/271/ CEE (tableau 1).
Mise en œuvre de KemConnect P ™
La mise en œuvre de KemConnect P™ pour contrôler le dosage de chlorure ferrique dans le processus de précipitation chimique débute en novembre 2022, prenant environ 20 jours pour configurer et ajuster les paramètres de l’algorithme en fonction de la dynamique du système. Les résultats obtenus entre novembre 2022 et mai 2023 sont présentés dans ce document.
La figure 4 montre les valeurs moyennes
mensuelles de concentration en phosphore dans l’influent, après décantation
primaire et à la sortie de la station. La
figure 5 montre les valeurs de consommation mensuelle moyenne de chlorure
ferrique à la station. Le tableau 4 présente le calcul des valeurs moyennes, des écarts-types et des valeurs maximales et minimales sur cette période
pour la concentration de phosphore à
la sortie et la consommation de chlorure ferrique.
On peut observer que la valeur moyenne de la concentration en phosphore à la sortie au cours de la période est particulièrement influencée par les valeurs atteintes lors du démarrage du système et du réglage des paramètres de contrôle. Une fois l’ajustement effectué, les valeurs moyennes restent inférieures à 1 mg PO4 /l. La même chose se produit avec la valeur maximale détectée sur cette période, laquelle est atteinte lors du démarrage du système. La comparaison la plus intéressante, indiquant une utilisation plus efficace du chlorure ferrique dans le processus, est celle qui peut être établie entre le kg de chlorure ferrique utilisé et le kg de phosphore introduit dans la station.
Une comparaison sur toute la période surveillée sans contrôle par KemConnect P™ (de janvier 2019 à octobre 2022) avec la période comprise entre novembre 2022 et mai 2023 indique que le processus de précipitation chimique du phosphore consomme 2,2% de chlorure ferrique en moins par kg de phosphore introduit (tableau 5) avec une économie globale de consommation de chlorure ferrique de 6%. De même, des valeurs moyennes mensuelles de concentration de phosphore à la sortie inférieures à 1 mg/l et une plage de fonctionnement plus étroite (min/max) sont obtenues, démontrant la stabilité de l’algorithme de contrôle.
Cependant, certains facteurs ont une influence très importante sur le calcul des valeurs moyennes à la station:
- Festivités
- Incidents à la station.
- Situations anormales ; pandémie, avec des changements d’habitudes tant au niveau domestique qu’industriel, affectant le fonctionnement de la station.
CONCLUSIONS
– La mise en œuvre de KemConnect
P dans le processus de précipitation
chimique du phosphore a permis de
fonctionner à des valeurs de phosphore à la sortie comprises dans les
plages établies par la directive 91/271/
CEE avec une consommation de chlorure ferrique inférieure à celle de la
stratégie précédente de la station. De
cette manière, on augmente l’efficacité dans l’utilisation des ressources,
en l’occurrence le coagulant utilisé dans la station, en réduisant les
coûts de traitement (kg de chlorure
ferrique/kg de phosphore introduit).
– L’algorithme de contrôle utilisé dans
l’unité KemConnect P™, en réduisant les temps de réponse aux perturbations du système, a permis de
limiter la plage de concentration de
phosphore à la sortie avec des valeurs
maximales mesurées 37% inférieures
à la stratégie précédente. Cela permet une plus grande stabilité dans le
contrôle du processus et moins de
fluctuations dans le dosage du chlorure ferrique.
– La surveillance, l’enregistrement
et l’analyse des données de processus effectués via KemConnect
P permettent de numériser le traitement par précipitation chimique
du phosphore, augmentant ainsi sa
visualisation pour une meilleure compréhension et une aide à la prise de
décisions stratégiques.
– L’utilisation de coagulant dans la
précipitation chimique du phosphore n’est pas un processus linéaire.
Lorsque des valeurs de phosphore à
la sortie inférieures à 0,5 mg PO4
/l
sont requises, les rapports molaires
Fe:P augmentent par rapport à ceux
nécessaires lorsque l’élimination du
phosphore requise est inférieure. Une
bonne stratégie de contrôle est essentielle car la consommation de coagulants à des taux d’élimination élevés
peut augmenter considérablement.
La mise en œuvre de KemConnect
P dans des scénarios plus restrictifs
tels que ceux proposés par la proposition de modification de la directive
actuelle sur le traitement des eaux
urbaines résiduaires peut contribuer
à une réduction des coûts de traitement chimique.
