Le pH, l'oxygène dissous, sont des paramètres physico-chimiques dont le suivi est indispensable pour optimiser le traitement des effluents. Dans certains cas, ces mesures doivent être complétées par un suivi du potentiel redox. Elles sont réalisées en continu à l'aide de capteurs spécifiques qui doivent résister aux agressions du milieu de mesure. Pour améliorer la mesure et réduire les opérations de maintenance les constructeurs ont travaillé sur la conception des sondes.
Le pH, l’oxygène dissous, sont des paramètres physico-chimiques dont le suivi est indispensable pour optimiser le traitement des effluents. Dans certains cas, ces mesures doivent être complétées par un suivi du potentiel redox. Elles sont réalisées en continu à l'aide de capteurs spécifiques qui doivent résister aux agressions du milieu de mesure. Pour améliorer la mesure et réduire les opérations de maintenance, les constructeurs ont travaillé sur la conception des sondes.
En phase aérobie, les bactéries consomment les matières organiques présentes dans l’effluent. L'optimisation du rendement passe par un contrôle des paramètres physico-chimiques du milieu, notamment, le pH, l’oxygène dissous et parfois même le redox. Seule une surveillance stricte de ces paramètres permet de maintenir les facteurs d’épuration à leur niveau le plus haut, tout en diminuant la consommation énergétique.
Si le principe de mesure est parfaitement connu, l'utilisation des électrodes de mesure dans ce milieu difficile présente de nombreux problèmes. Colmatage, encrassement, pollution des références font partie des pro-
…débit, celle de la DO est 1/45 fois plus petite que les précédentes versions, ce qui réduit de 95 % les perturbations dues aux débits. Bilan, l’électrode est insensible aux tourbillons et débits du liquide à mesurer. Quant à Aquacontrol, il commercialise une sonde de type galvanique à membrane en PTFE conçue par B&C Electronics dont la dernière génération OD 8182 est pourvue d’un gicleur en titane par lequel de l’air comprimé est éjecté pour nettoyer la membrane.
D’autres recherches aboutissent à de nouveaux principes de mesure. C’est le cas de l’optique qui a permis la conception de nouvelles sondes de mesure d’oxygène dissous.
L’optique pour fiabiliser la mesure de l’oxygène dissous
La mesure est effectuée à partir d’un élément sensible qui est stimulé par une lumière bleue en provenance d’une source lumineuse. En présence d’oxygène, une lumière rouge est alors émise. Elle est directement proportionnelle à la concentration en oxygène.
Avantages : aucun étalonnage n’est nécessaire et, contrairement aux capteurs habituels, la sonde ne nécessite aucun changement de membrane ou d’électrolyte. Le capteur, qui ne peut être détruit par des gaz toxiques comme l’H₂S, est ainsi garanti trois ans dans des applications difficiles comme les stations d’épuration.
Le principe est adopté par la FL3 Fluoroprobe, déjà à sa troisième génération de capteur, importé en Europe par Gimat et représenté en France par Patrick Aubin, ainsi que par la sonde LDO de Hach Lange lancée voici un an.
…blèmes rencontrés que les producteurs cherchent depuis longtemps à résoudre. Pour être fiable, la mesure d’oxygène dissous demande une maintenance stricte pour résoudre certains problèmes liés au principe même de mesure, comme celui de l’électrolyte qui se modifie au cours du temps ou l’encrassement de la sonde. Pour lutter contre ces problèmes, les constructeurs cherchent à produire des électrodes de mesure plus robustes et plus fiables.
La sonde InPro 6050 de Mettler-Toledo est dotée d’un corps en PPS et d’une membrane en téflon. Cette sonde, associée aux systèmes de nettoyage par injection d’air ou d’eau sous pression Easyclean, conjugue fiabilité de mesure et longue durée de vie, même dans les milieux les plus rudes. De plus, le câble VP6 de Mettler-Toledo garantit un degré de protection IP68 de la connexion câble-électrode.
Ainsi, Horiba propose une électrode d’oxygène dissous de haute précision. Cette cellule de mesure, dénommée DO, fonctionne à l’aide de la méthode pile galvanique avec diaphragme. Partant du principe que plus la surface de cathode est importante, plus elle est influencée par le débit, celle de la DO est 1/45 fois plus petite que les précédentes versions, ce qui réduit de 95 % les perturbations dues aux débits.
(1) Voir article sur les mesures de conductivité et d’oxygène dissous dans l’assainissement, L’eau, l’Industrie, les Nuisances de novembre 1999.
La réduction du temps de maintenance a également poussé au développement de la sonde Aanderaa commercialisée par Nereides. Cette optode qui fonctionne quasiment sur le même principe ne nécessite pas de ré-étalonnage et mesure rapidement le taux d’oxygène dissous avec précision.
D’autres capteurs de ce type devraient arriver sur le marché dans les mois qui viennent. Endress+Hauser développe une optode pour les bassins d’aération des stations de traitement d’eaux usées, le contrôle des eaux de surface et l’aquaculture. Elle est annoncée à la commercialisation dès le premier trimestre 2005. Des molécules appelées “marqueurs”, sensibles à l’oxygène, sont fixées sur une pellicule avec des propriétés fluorescentes. Cette couche, en contact avec le milieu, est excitée par une lumière verte provenant du système optique placé à l’arrière de la membrane. L’oxygène dissous dans le milieu et la couche fluorescente va être rapidement en contact et atteindre l’équilibre. Les marqueurs, excités par la lumière verte incidente, vont répondre en lumière rouge. L’amplitude et la durée de la réponse dépendent directement de la quantité d’oxygène. Avec une quantité élevée d’oxygène, l’amplitude et la durée de réponse est faible et, au contraire, avec une quantité faible, l’amplitude et la durée deviennent plus importantes. En sortie de sonde, le signal est directement proportionnel à la concentration en oxygène. Comme les autres capteurs optiques, il est fiable et stable dans le temps et sa maintenance est réduite. De plus, la mémoire de ce capteur numérique contient toutes ses données d’étalonnage. À la mise en service, il suffit de connecter le capteur, aucun étalonnage n’est nécessaire pour qu'il fonctionne.
NéoSENS s’est également engagée dans le développement de capteurs technologiquement innovants et résolvant les problèmes actuels de maintenance et de fiabilité. Sur la base d’un principe photo-électrochimique (assurant la mesure et la détection de l’oxygène dissous dans une gamme de mesure allant des traces et ultra-traces jusqu’à la saturation et sur-saturation, et sans maintenance), NéoSENS envisage la commercialisation d’une “optrode” développée et réalisée en technologies Microsystèmes (microélectronique) en complément de la gamme de capteurs d’oxygène dissous néoxy™ actuellement commercialisés et produits sur les mêmes bases technologiques. Les capteurs innovants de NéoSENS permettent une mesure et détection dans une gamme de mesure maximale (des très basses aux très hautes teneurs) avec une très grande précision, une maintenance ultra allégée et une utilisation simplifiée. Les très faibles dimensions des capteurs permettent de les placer et de les utiliser dans un très grand nombre d’applications. Les capteurs néoxy™ possèdent également une intelligence associée permettant de mémoriser, entre autres, les 30 derniers étalonnages (horodatés) pour une traçabilité totale et une mise en route immédiate. Les produits NéoSENS trouvent leurs applications dans le domaine environnemental (milieux naturels, eau potable, assainissement), industriel (procédés, énergie, pétrochimie), agroalimentaire (vin, bière) et biotechnologies (fermenteurs).
Moins de maintenance pour les sondes pH et rédox
Mesurer le pH nécessite beaucoup de soin vis-à-vis de l’électrode de verre mais aussi de la transmission du signal entre le capteur et le transmetteur. Les faibles courants mis en jeu avec un capteur ayant une impédance élevée nécessitent une entrée à haute impédance sur le transmetteur. La présence d’humidité dans le connecteur de l’électrode peut engendrer des erreurs sur la mesure, voire la mettre en défaut. La technologie Memosens d’Endress+Hauser révolutionne la sauvegarde des données en les numérisant au niveau du capteur et en les transférant vers le transmetteur sans l’intermédiaire d'un contact et sans influence de l’humidité. La mémoire du capteur permet
également de conserver les données d'étalonnage et le numéro de série. D'autres informations, comme le temps de fonctionnement, les valeurs maxi et mini atteintes en pH et en température et le type de capteur seront également mémorisées. Lorsque l'électrode est connectée au transmetteur, toutes ces informations sont transférées automatiquement.
La mise en mémoire des données d'étalonnage aura une incidence non-négligeable sur la maintenance. Désormais, l'étalonnage peut être réalisé par un spécialiste dans les conditions optimales du laboratoire. Sur site, l'opération est simplifiée et se résume à un changement rapide de l'électrode en place par une électrode pré-étalonnée sans une intervention quelconque sur le transmetteur. Une telle procédure accroît la disponibilité de la mesure et donne l’assurance d'une plus grande qualité sur la maintenance et le suivi des mesures de pH.
Chez Lange, le capteur pHD remplace l'électrode de référence traditionnelle Ag/AgCl par une électrode de mesure immergée dans une solution tampon interne qu'il suffit de remplacer une fois par an. La mesure se fait par la différence des potentiels entre ces deux électrodes de mesure et une tige de masse en titane. Ce principe différentiel supprime le point de fragilité des électrodes traditionnelles : l'électrode de référence. Il résout aussi les problèmes d’empoisonnement et de dérive des capteurs de pH et rédox. « La durée de vie et la fréquence de maintenance constatée est trois fois plus longue », souligne Jean-Pierre Molinier Hach Lange.
De son côté, Aqualyse a équipé depuis avril 2004 sa multiparamètre Memodat 9 d'une nouvelle sonde d’oxygène dissous optique “RDO”. La puissance de calcul du processeur installé optimise le traitement des signaux du capteur optique. Cette puissance apporte un bon filtrage des bruits parasites, une gamme de mesure étendue et surtout un temps de réponse extrêmement court.
Ces avancées, couplées à une électronique plus robuste, fiabilisent les mesures.
La chaîne de mesure s’adapte à l'environnement
Compacité et robustesse peuvent qualifier les dernières nouveautés.
Heito
Le danois MJK (commercialisé en France par EFS) lance pHix, un transmetteur de pH compact intégrant dans un même boîtier la cellule de mesure, les câbles et le transmetteur.
De son côté, ABB vient de commercialiser deux nouveaux analyseurs à entrée unique et double entrée : la version AX488, dédiée à la mesure de l'oxygène dissous, est ainsi disponible en version monovoie avec PID intégré ou version deux voies identiques ou différentes. Il est ainsi possible, par exemple, avec un seul analyseur, de contrôler via deux capteurs situés dans deux zones différentes, l'aération totale d’un bassin. Ceci permet de réduire les dépenses d’investissement.
…ment, d’économiser l’espace et surtout de minimiser les coûts d’installation par rapport à l’utilisation de deux analyseurs à entrée unique. Quant à l’AX468 d’ABB, il permet de combiner mesure de l’oxygène dissous avec pH ou redox.
Associé à la sonde Aquaclip 100 qui mesure température, conductivité, pH, rédox, oxygène dissous, profondeur, l’Acteon 3000 de Martec Ponselle est adapté aux mesures de terrain. Cet appareil de 600 grammes et 2000 heures d’autonomie peut mémoriser 32 768 mesures.
De son côté, Swan propose parmi une large gamme d’instruments d’analyse, des systèmes complets dédiés à la mesure pH/redox et oxygène dissous. Ils peuvent être configurés en fonction des exigences liées à chaque application. Swansensor pH AY et Redox AY sont des capteurs fiables et faciles à utiliser qui se caractérisent par une longue durée de vie, même dans les eaux usées à charge élevée, grâce à leur matrice polymère stable. Des transducteurs pH/Redox avec boîtiers aluminium IP65 ou plastique IP54 intègrent tous les composants requis pour la mesure continue de la qualité des process.
Dans le domaine de la mesure de l’oxygène dissous, Swan propose le FAM Oxysafe, un système dédié aux applications dans les environnements sévères. La cellule de mesure est équipée d’une sonde de température intégrée. Le calibrage est simple, le temps de séjour très long (> 1 an) et le capteur ne contient aucune électronique. De nombreuses fonctions de surveillance sont disponibles : température du boîtier, rupture de la membrane… etc.
Aqualyse équipe nombre de clients avec une électrode de pH/Rédox différentielle « pHD » (« ELDIFF »), caractérisée par une bonne fiabilité et un coût de possession réduit. L’analyseur multiparamètres U-20XD d’Horiba est destiné au contrôle de la qualité des eaux. Logé en boîtier IP67 protégé par une enveloppe caoutchouc, il mesure le pH, le potentiel rédox et l’oxygène dissous jusqu’à 100 m de profondeur.
Quant à Hanna Instruments, elle propose un testeur étanche de pH/Redox et température. Il dispose d’un double affichage du paramètre pH/rédox et de la température. Les électrodes amovibles peuvent être remplacées aisément en quelques secondes. La sonde de température intégrée autorise des mesures précises et rapides dans une gamme de –5,0 à +60,0 °C ± 0,5 °C. Quant au pH et rédox, ils se mesurent respectivement de –2,00 à +16,00 pH (± 0,05 pH) et ± 1000 mV (± 2 mV). L’étalonnage est automatique.
