Les stations de traitement biologique des eaux usées sont des réacteurs complexes. Cette complexité est liée à l'hétérogénéité de la composition de la biomasse, à la diversité des réactions mises en jeux et à la variabilité de l'alimentation, tant au niveau quantité que qualité. Une meilleure connaissance des mécanismes biologiques ainsi que le développement des outils informatiques et des analyseurs en ligne ont fait évoluer les modes de contrôle et de régulation sur les stations. Actuellement, il est possible d'optimiser les principaux paramètres de fonctionnement d'une station d'épuration en temps réel, à partir de mesures en ligne et de modèles ou de règles simples. Au Danemark, l'utilisation de STAR (Superior Tuning And Reporting) sur plusieurs installations a permis de démontrer la faisabilité d'un tel système.
Une station d’épuration est un réacteur complexe qui associe une population bactérienne diversifiée et une alimentation variable. L’alimentation de la station de boues activées varie au cours de la journée (Figure 1) ; on a généralement un profil de débit journalier et de concentration qui suit le rythme de vie de la population. À ces variations dans la journée, il faut ajouter des variations saisonnières liées à la climatologie (temps de pluie), des variations liées au changement de la population (ville touristique) et des variations liées à des activités saisonnières (activités industrielles).
Le dimensionnement d'un tel réacteur se fait à partir de données de base de mieux en mieux documentées grâce à des mesures effectuées auparavant et pour un niveau de rejet défini.
Bien sûr, la station ne recevra pas tout au long de l'année la quantité de pollution qui a servi à sa définition, et il faudra qu'elle fonctionne correctement dans tous les cas en fournissant un effluent traité conforme aux
Mots clés : boues activées, élimination biologique de l’azote, régulation, analyseurs en ligne, variations de charge.
normes de rejet avec des coûts d'exploitation optimisés en permanence.
La régulation sur les stations d'épuration
Les systèmes de mesure sur une station d'épuration (Tableau 1)
L'instrumentation traditionnelle sur une station d'épuration comprend essentiellement des mesures de débit (eau, air) et des mesures de niveau (régulation tout ou rien d'une pompe).
En ce qui concerne le réacteur biologique, la mesure de l'oxygène dissous est assez répandue puisqu'elle permet d'optimiser les coûts énergétiques. Les systèmes de nitrification-dénitrification réalisés en une cuve et par séquençage de l'air peuvent être équipés de sonde Redox. La régulation se fait au travers de deux points de consigne qui permettent de définir les phases de nitrification et de dénitrification.
Cependant, les mesures d'oxygène et de Redox sont des mesures indirectes et globales, résultats de plusieurs phénomènes et leur utilisation repose sur l'hypothèse qu'en maintenant tel niveau d'O₂ dissous ou tel niveau de Redox, on obtiendra le niveau de rejet recherché.
Des développements plus récents permettent de disposer d'analyseurs donnant une mesure directe du paramètre à réguler. C'est le cas des analyseurs d'ammoniaque, de nitrate et de phosphate qui sont couramment utilisés sur des installations pilotes. L'utilisation de tels appareils en exploitation est encore loin d'être généralisée car ils nécessitent un entretien soutenu même si la situation évolue. L'utilisation de tels analyseurs est variable selon les pays et elle dépend de plusieurs facteurs tels que le coût de l'énergie, le niveau de rejet demandé, mais aussi de la culture du pays par rapport à la régulation et au contrôle.
En France, de façon générale, l'utilisation de ces analyseurs pour réguler les stations de traitement biologique est encore très rare ; elle est plus répandue dans les pays de l'Europe du Nord, en Allemagne et au Danemark par exemple (Nielsen et al., 1993).
Pour suivre le comportement hydraulique du clarificateur, des capteurs tels que turbidimètre et mesure de voile de boues ont été développés et permettent, en particulier, de mieux gérer les temps de pluie.
Tableau 1 : Les systèmes de mesures sur les stations d'épuration
| Mesures traditionnelles sur les stations : |
|---|
| • Débit eau |
| • Débit air |
| • Niveau |
| • Oxygène dissous |
| • pH* |
| • Température* |
| • Conductivité* |
| Mesures avancées : |
| • Redox |
| • MES boues |
| • MES/Turbidité Effluent |
| • Ammonium |
| • Nitrate |
| • Phosphate |
| • OUR |
| *Effluents industriels |
Les niveaux de régulation
Le problème étant posé, comment exploite-t-on les stations d'épuration, comment contrôle-t-on le procédé ?
L'objectif d'une bonne exploitation sur une station d'épuration est de faire fonctionner l'installation pour obtenir le niveau de rejet requis tout en maintenant les coûts d'exploitation aussi bas que possible sachant que le dimensionnement des ouvrages a été optimisé pour limiter les coûts de construction. Dans la majorité des cas, les consignes d'exploitation sont entrées manuellement dans le système de supervision au travers de tables horaires, documentées à partir d'analyses effectuées auparavant sur le site. Par exemple, à partir d'un profil type de débit et de pollution en entrée, on peut déterminer les débits d'air à mettre en œuvre (Figure 2) et le débit de recirculation des boues.
Pour les jours où la station fonctionnera dans un domaine proche du profil ayant servi à déterminer la table horaire, les résultats seront corrects, aussi bien au niveau de la qualité de traitement que des coûts d'exploitation. En dehors de ce domaine, temps de pluie, sous-charge ou surcharge exceptionnelle, on notera soit une dégradation de traitement, soit un coût d'exploitation excessif ou le cumul des deux.
Sur un certain nombre d'installations, la mise en place de la mesure de l'oxygène dissous dans le bassin d'aération permet d'adapter en temps réel la quantité d'air à mettre en œuvre pour maintenir le niveau d'O₂ dissous préalablement fixé. Sur d'autres installations, une mesure du potentiel Redox optimise en continu les temps d'aération et de non-aération des systèmes mono-cuve avec aération séquencée. C'est l'exploitant qui, en fonction des résultats de traitement obtenus sur la station, adaptera les seuils fixés.
L'évolution des connaissances des processus biologiques dans le traitement de l'eau usée au travers de modèles mathématiques plus ou moins complexes a permis d'envisager une optimisation plus poussée de la régulation. Associés à ces connaissances, le développement des analyseurs en ligne et des outils informatiques ont permis d'établir un contrôle du procédé basé, non plus sur de simples boucles de contrôle indépendantes, mais sur un système de contrôle plus global incluant plusieurs paramètres (Thornberg et al., 1993).
Cette réflexion a été entreprise par Krüger au Danemark à la fin des années 1980. Le système d'optimisation STAR est le résultat de ce développement.
Superior Tuning And Reporting (STAR)
Le concept développé dans STAR consiste en un système de contrôle en ligne qui adapterait le procédé comme un expert pourrait le faire s'il disposait de toutes les informations nécessaires aux instants t et t + 1. STAR est un système de pilotage qui concerne le traitement biologique d'une ins-
L’installation de boues activées, mais aussi l’ajout d’un sel métallique pour l’élimination physico-chimique du phosphore.
Organisation dans STAR
STAR agit au-dessus d’un système SCADA conventionnel ou d’un système PLC, à partir de mesures en ligne et de données sélectionnées. STAR est, à ce jour, réalisé selon UNIX et il est relié au système SCADA par un réseau.
La figure 3 présente la structure du système STAR.
Le principe de fonctionnement de cet ensemble est le suivant : c’est le système SCADA qui réalise la régulation, par exemple l’adaptation de l’aération à une consigne d’O₂ dissous, mais le point de consigne est déterminé par STAR. Le système SCADA transmet à STAR les mesures obtenues à partir des analyseurs en ligne ; à partir de règles basées sur des modèles simples, STAR détermine le nouveau point de consigne et le retransmet au système SCADA, qui l’applique.
Différents niveaux de sécurité existent dans l’ensemble du système pour protéger l’exploitation de la station. Il est possible, par exemple, de déconnecter STAR du pilotage et d’assurer momentanément le contrôle de l’installation sur un niveau de consigne fixe par le seul système SCADA.
STAR permet aussi de gérer les données et les informations de la station, d’établir des rapports, des bilans, des courbes, etc. L’interface utilisateur de STAR est basée sur la technologie Internet, ce qui permet un suivi délocalisé des données et du fonctionnement de la station.
Qualité des données
La dynamique des mesures effectuées actuellement avec les analyseurs en ligne dépend plus du traitement de l’échantillon que de la mesure en elle-même. Cependant, il existe de grandes différences dans les appareils selon les fournisseurs. On peut estimer que les appareils utilisés ont un temps de réponse qui peut varier de 10 à 50 min (Thomsen et al., 1995). Les temps de réponse incluent aussi les délais liés au système de contrôle et à la station. Ils peuvent être estimés à partir des actions de contrôle précédentes, puis compensés.
Stratégie de pilotage
Sur une usine de dépollution des eaux, les paramètres d’action sont peu nombreux.
Par exemple, dans le cadre de la nitrification, si théoriquement l’efficacité de traitement dépend de nombreux paramètres (quantité de biomasse nitrifiante, température, quantité de substrat (O₂ et N-NH₄), temps de séjour), sur une station d’épuration, pour un âge de boues donné, à l’instant t, seuls le niveau d’oxygène dissous dans le réacteur et la durée de la phase d’aération sont les éléments d’actions potentielles.
Aussi, dans les systèmes de pilotage, il faut, à partir de données directes ou calculées, établir des règles de conduite simplifiées qui n’introduisent que les actions disponibles sur le site.
STAR contient différents modules de pilotage qui peuvent être implantés en totalité ou partiellement en fonction de l’objectif que l’on s’est fixé et des paramètres d’action de la station. Les principaux modules sont les suivants :
- régulation du point de consigne de l’O₂ dissous ;
- régulation de la durée de la phase aérée et de la phase anoxie ;
- régulation du débit de recyclage de la liqueur mixte dans les systèmes de nitrification-dénitrification en deux cuves ;
- régulation de l’ajout de carbone extérieur en dénitrification ;
- régulation liée au principe de l’Aération Tank Settling (ATS) qui permet, par réarrangement hydraulique du procédé, d’accepter des charges hydrauliques sur le clarificateur sans en perturber son fonctionnement.
Le schéma ci-dessous (figure 4) rend compte des relations entre la mesure des analyseurs en ligne et le paramètre régulé. Nous allons décrire ci-dessous quelques-uns des principaux modes de fonctionnement de STAR.
Point de consigne de l’oxygène dissous :
Le point de consigne en O₂ dissous peut varier en fonction du niveau de NH₄ dans le bassin et de la charge sur la station. En période de forte charge (azote et carbone), le besoin en nitrification est élevé et il faut que la consigne en O₂ dissous soit élevée. En cas de faible charge, c’est la dénitrification qui va être limitante et il va falloir fixer un point de consigne faible en nitrification afin de conserver une quantité maximale de DCO pour la dénitrification.
Ces phases de faible charge ou forte charge sont connues à partir des analyses d’ammoniaque, du niveau d’O₂ dissous, du débit d’air, et de calculs et règles simples intégrés dans STAR.
Durée des phases aérées et non aérées :
Dans les systèmes de nitrification-dénitrification en une cuve ou pour le système Biodénitro de Krüger (Christensen, 1975), il est nécessaire…
de déterminer des temps d’aération pour la nitrification et des temps de non-aération pour la dénitrification. Ces durées sont optimisées par la mesure des nitrates, de l’ammoniaque, de l’O₂ dissous et quelques règles simples qui permettent d’anticiper sur le procédé et de prédire les valeurs sur un temps raisonnable. La mise en place du séquençage de l’aération peut aussi être intégrée dans la cuve « aérée » d’un système à 2 cuves pour optimiser les coûts d’exploitation et favoriser la dénitrification.
Débit de recyclage dans les systèmes à 2 cuves : dans les systèmes de nitrification-dénitrification à 2 cuves, la dénitrification s’effectue dans une cuve placée en amont de la cuve aérée. Cette cuve est alimentée par l’influent qui contient la pollution et par la liqueur mixte qui contient la boue et les nitrates de l’eau épurée.
La mise en place dans ces systèmes en 2 cuves d’une aération séquencée dans la cuve « aérée » permet d’optimiser le débit de recyclage.
L’optimisation de ce recyclage avec STAR se fait à 2 niveaux : un premier niveau, réalisé à partir de la mesure en nitrate, détermine une première valeur de recyclage à mettre en œuvre. Un deuxième niveau, établi à partir des mesures d’oxygène, du débit d’air et des nitrates, et d’un calcul qui détermine la capacité de dénitrification de la biomasse, donne une deuxième valeur de débit de recyclage. La régulation s’effectue avec la valeur la plus basse obtenue.
Application du contrôle en ligne par STAR sur la station de SYDKYSTEN (DK)
Le système STAR est implanté maintenant sur plusieurs stations avec un nombre plus ou moins important de modules.
La station de Sydkysten (Figure 7) traite l’azote par un procédé en 2 cuves et le phosphore est éliminé par addition de sel métallique en co-précipitation (dans le bassin de boues activées). La station a été dimensionnée sur une base de 17 000 équivalents habitants et reçoit environ 65 % de sa charge nominale.
Avant de mettre STAR en place sur une station existante, il est possible (et il est recommandé) d’effectuer une évaluation de la réduction des coûts d’exploitation que la mise en place d’un tel système de contrôle peut permettre d’obtenir.
Cette évaluation peut se faire à l’aide d’une station mobile équipée des analyseurs en ligne nécessaires et du système de traitement des données et par l’utilisation d’un modèle de simulation des boues activées – Modèle IAWQ Activated Sludge Model n° 1 (Henze et al., 1987).
Ceci a été réalisé durant un mois sur la station de Sydkysten et, suite au calibrage du modèle avec les données collectées, il est apparu un gain potentiel des coûts d’exploitation de 20 % sur cette station.
Cette étude préalable permet aussi de fixer les modules de STAR à mettre en place sur la station pour une meilleure optimisation. Pour Sydkysten, les modules suivants ont été implantés :
- la durée de la phase d’aération et de la phase non aérée ;
- le point de consigne de l’O₂ dissous ;
- 2 points d’ajout de réactif ;
- le débit de recyclage (de nitrate) ;
- le dosage de carbone extérieur.
L’optimisation de la régulation de l’oxygène dissous et de l’alternance de phase a été obtenue en 1 mois. L’optimisation du contrôle du recyclage de la liqueur mixte a été réalisée sur cette première expérience en 3 mois et l’ensemble fonctionne maintenant de façon tout à fait satisfaisante (Figure 8).
Sur les premières heures de la matinée la
charge est faible ; le point de consigne de l'oxygène dissous est amené à une valeur basse ; les phases d’aération sont brèves et correspondent, en fait, aux durées minimales imposées. Après 13 heures, la charge devient plus importante, les phases d’aération augmentent et le point de consigne en oxygène est plus élevé, permettant de maintenir le NH4 à un niveau acceptable.
Sur la station de Sydkysten, la mise en place du contrôle par STAR a montré que le fonctionnement séquencé de l’air dans la cuve « aérée » permettait de réduire les coûts énergétiques du fait de la réduction du débit d’air mais aussi du recyclage puisque, dans la majorité des cas, la dénitrification s’est effectuée dans cette cuve, limitant ainsi la nécessité d’une recirculation.
Tableau 2 : Réductions sur les coûts énergétiques et sur l’éthanol sur Sydkysten
| Réductions | espérée | obtenue |
|---|---|---|
| Énergie | 25 % | 30 % |
| FeCl3 | 35 % | 30 % |
| Chaux | 100 % | 100 % |
| Éthanol | 45 % | 100 % |
Après un an d’exploitation de la station avec un système de contrôle avancé, les gains d’exploitation attendus ont été largement obtenus. Le tableau ci-dessus (Tableau 2) présente les gains espérés d’après les simulations préalables et ceux obtenus sur les coûts énergétiques et sur les réactifs.
La mise en place d’une régulation pour réduire les coûts d’exploitation inclut le maintien de la qualité de l’effluent traité ou son amélioration. Avant la mise en place de STAR, la station de Sydkysten produisait un effluent contenant un résiduel très faible en N-NH4 (~ 1 mg/l) mais un niveau de nitrate souvent limite vis-à-vis du niveau requis. La station reçoit une pollution très variable ; d’un jour à l’autre, la charge en DCO peut être multipliée par 7. Avec le système de pilotage STAR, il est possible d’accomplir un contrôle adaptatif multi-critères pour améliorer la qualité de traitement dans presque toutes les configurations de charge.
Tableau 3 : Résultats du traitement avant et après la mise en œuvre de STAR
| N-NH4 (mg/l) | NNO3 (mg/l) | P-PO4 (mg/l) | NT (mg/l) | PT (mg/l) | |
|---|---|---|---|---|---|
| Avant | 1,4 | 6,5 | 0,7 | 7,4 | 0,7 |
| Après | 0,8 | 5,8 | 0,9 | 6,6 | 0,7 |
Comme le montre le tableau 3, les gains obtenus sur les coûts d’exploitation réalisés grâce à la mise en place de ce contrôle se sont accompagnés d’une amélioration de la qualité de l’effluent traité au niveau de l’azote total d’environ 10 %.
Conclusion
Dans les stations d’épuration, l’utilisation de mesures en ligne telles que l’ammoniaque, les nitrates et les phosphates, associée à une régulation basée sur des règles simples, permet d’optimiser le fonctionnement du procédé.
La mise en place d’un système de contrôle avancé comme STAR sur la station de Sydkysten a permis d’optimiser l’aération, le recyclage des boues et a démontré l’inutilité d’un ajout de source carbonée externe pour la dénitrification.
De plus, l’utilisation d’un système de mesures en ligne et de contrôle sur les stations améliore nos connaissances sur les procédés de traitement et permet d’envisager d’optimiser les dimensionnements de ces procédés.
Remerciements : Nous remercions les spécialistes de STAR de chez Krüger qui nous ont permis de rédiger cet article.
Références bibliographiques
Carstensen, J., Madsen, H., Poulsen, N. and Nielsen, M. K. Grey Box Modelling in two Time Domains of Waste Water Pilot Scale Plant. Environmetrics, Vol. 4, n° 2, pp 187-208.
Christensen, M. H. Dénitrification of Sewage by Alternating Process Operation. Progress in Water Technology, Vol. 7, n° 2, pp 339-347, 1975.
Henze, M., Grady, C. P. L. Jr., Gujer, W., Marais, G. V. R. and Matsuo, T. Activated Sludge Model n° 1, IAWPRC Scientific and Technical Report n° 1, IAWPRC, London, 1987.
Henze, M., Grady, C. P. L. Jr., Gujer, W., Marais, G. V. R. and Matsuo, T. Activated Sludge Model n° 2, IAWPRC Scientific and Technical Report n° 4, IAWPRC, London, 1987.
Nielsen, M. K. and Lynggaard, A. Superior Tuning and Reporting (STAR) – a new concept for Online Process Control of Waste Water Treatment Plants. IAWQ ICA conference, Banff, Canada, June 1993.
Thomsen, H. and Kisbye, K. N and P Online meters: Requirements, maintenance and stability. Wat. Sci. Tech., Vol. 33, n° 1, 1995.
