Pour réduire les coûts, Hach Lange place l'analyse d'ammonium et de phosphates au bord du bassin

30 novembre 2005 Paru dans le N°286 à la page 115 ( mots)

Rédigé par : Marie-odile MIZIER

Avec le lancement des analyseurs Amtax sc et Phosphax sc, Hach Lange déplace l'analyse d'ammonium et de phosphates en bordure de bassin. L'arrivée de ces équipements marque l'émergence d'une nouvelle génération d'appareils. Conçus pour la mesure directe sur l'effluent, dotés des dernières technologies de communication, ils réduisent les coûts d'installation et d'exploitation des appareils.

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En annonçant voici deux ans sa volonté de constituer une division Water Quality, le groupe Danaher avait clairement affiché son intention de se positionner comme un acteur majeur de l’environnement. Aujourd’hui, l’entreprise se positionne en force sur le marché de l’eau et complète sa plateforme sc avec une nouvelle gamme d’analyseurs en bord de bassin.

Associés au contrôleur SC 1000 présenté début 2005, ces analyseurs d’ammonium (NH4-N) et de phosphates (PO4-P) apportent une solution communicante pour optimiser non seulement la mesure et le procédé de traitement des effluents, mais aussi la maintenance des appareils. Ces analyseurs clés en main intègrent la prise d’échantillon par filtre immergé et le tube de transfert pro-

[Encart: ESC 1000 un transmetteur universel multivoie Le transmetteur universel SC 1000 complète la nouvelle plateforme numérique Hach Lange pour sa gamme de capteurs de mesure en continu. Il se compose de deux parties : un module de sonde, auquel les analyseurs et sondes sont directement reliés, et le module d'affichage portatif, qui intègre les fonctions de maintenance et de calcul. Il est doté d'un écran couleur tactile intuitif. Cet équipement communique simultanément avec jusqu'à huit sondes différentes. Il permet de créer un réseau en augmentant le nombre de modules de sonde, chaque module ajouté permettant la connexion de huit sondes supplémentaires (8, 16, 24, etc.). Tous les modules de mesure sont commandés par un seul module d'affichage. Le SC1000 peut être configuré spécifiquement en fonction du domaine d'utilisation. Les interfaces entrées/sorties possibles sont nombreuses : sorties analogiques, relais, liaisons numériques bus de terrain, entrées analogiques et relais numériques pour l'intégration d'autres capteurs. Il peut être fourni en option avec une interface GSM pour communication à distance. Toutes les fonctions : configuration, transmission de données, mise à jour de logiciel et diagnostic peuvent donc être exécutées à distance, sans exiger une présence sur site. Cela permet d'économiser des frais de déplacement et de main-d'œuvre. La protection contre l'accès non autorisé est évidemment assurée.]

protégé et hors gel. « Le développement de ces solutions a commencé voici cinq ans », précise le Dr Michael Haeck, Responsable Marketing Eaux résiduaires Europe chez Hach Lange.

Des développements commencés voici cinq ans

« Avant, lorsque l'exploitant souhaitait faire une mesure, il fallait construire un local hors gel pour les analyseurs, explique Dr Michael Haeck, puis amener l'effluent dans ce bâtiment pour pouvoir l'analyser, ce qui était contraignant et très coûteux. » Aujourd'hui, l'installation est directement réalisée en bord de bassin dans un boîtier étanche, pouvant être verrouillé, résistant aux intempéries et à une exposition prolongée au soleil ou au froid. L'échantillon est prélevé directement à l'aide d'un filtre à membranes, immergé dans le bassin. Il prélève l'eau en continu, la présence de bulles d'air au niveau des membranes empêche la formation des dépôts, ce qui conserve au filtre toute son efficacité dans le temps.

La faible distance entre la partie immergée et l'analyseur permet des prélèvements courts. Et la réduction de la taille des divers composants de l'instrument facilite le regroupement des parties échantillonnage et analyse dans un appareil, offrant ainsi une solution d'analyse clé en main. Les longues boucles d'échantillonnage font ainsi partie du passé. Cette proximité entre la prise d'échantillons et l'analyseur présente de nombreux avantages. Il n'y a plus d'altération de l'échantillon et le temps de réaction est plus rapide. Désormais, il suffit de cinq minutes entre la prise d'échantillon et l'indication de la valeur mesurée.

L'encombrement de l'équipement a également été revu à la baisse. Diminution du diamètre des tuyaux de transfert de l'échantillon, remplacement des pompes péristaltiques par une pompe à pistons rotatifs et injection des réactifs par pompes micro-piston... Tout est pensé pour réduire le volume mort et les besoins de réactifs, tout en simplifiant le fonctionnement de l'appareil. Pour réussir cette intégration, Hach Lange a dû s'approprier les microtechniques et un savoir-faire en microfluidique, notamment au niveau du pompage « où il est plus difficile de travailler sur de petits échantillons ». La conception d'un analyseur de process nécessite son intégration dans la chaîne de conduite du procédé.

Des analyseurs pour la conduite du procédé

Là encore, l'équipement tire parti des derniers progrès enregistrés en la matière. Il intègre la plate-forme SC, un transmetteur universel conçu pour l'ensemble des sondes et transmetteurs. Il a été développé par Hach Lange et présenté début 2005. Les modules SC communiquent via Profibus DP ou Modbus. La transmission des données est totalement transparente pour l'utilisateur et aucune programmation n'est nécessaire. « Mais le client n'est pas obligé de passer par ces protocoles, explique Jean-Pierre Molinier, Hach Lange France, s'il veut récupérer les données en 4/20 mA nous lui fournissons ce format traditionnel. Nous pouvons aussi travailler de façon transparente pour l'utilisateur. Nous fournissons alors un réseau hétérogène et à l'extrémité du réseau nous fournissons à l'exploitant toutes les informations qu'il souhaite, soit au format analogique, soit sur un bus de terrain numérique. »

La communication des appareils via un bus numérique autorise son contrôle à distance. Chaque capteur communique en numérique et se voit ainsi équipé d'une adresse ouvrant l'accès via le module de sonde aux courbes de calibration, de paramétrage, mais aussi à diverses informations nécessaires aux nouvelles approches pour la maintenance de l'équipement (diagnostique à distance par exemple). Toutes ces données peuvent être consultées et paramétrées depuis le PC opérationnel du site.

[Photo : En lançant les analyseurs Amtax sc et Phosphax sc, Hach Lange déplace l’analyse d'ammonium et de phosphates en bordure de bassin. L'arrivée de ces équipements marque l’émergence d'une nouvelle génération d'appareils.]

Une telle organisation simplifie également les opérations de paramétrage et de maintenance. Une partie de ces tâches peut être réalisée depuis le PC central, c'est le cas notamment de la surveillance du bon fonctionnement des capteurs. Grâce à ces techniques, le technicien est alerté en cas de dérive ou de dysfonctionnement des instruments connectés, directement sur le superviseur. En cas de problème il peut intervenir à distance pour mieux cerner le problème et éventuellement reparamétrer le capteur. Seules quelques interventions sont nécessaires périodiquement sur site comme le nettoyage des filtres du système de prélèvement. On estime chez Hach Lange que là où il fallait 4 heures par semaine d'intervention sur le site sur des équipements traditionnels, il faut maintenant 15 minutes toutes les dix semaines…

Pour les petites stations d'épuration, là où les opérateurs se font rares, Hach Lange est en train de développer une approche de télémesure de façon à pouvoir mettre en place une approche centralisée de maintenance, en regroupant par exemple plusieurs exploitations. Cette application, qui devrait être opérationnelle d'ici un à deux ans, intégrera une plateforme existante de télétransmission. Elle sera à terme intégrée à la plateforme numérique sc, y compris cette nouvelle génération d'analyseurs : l'Amtax sc pour la mesure d'ammonium et le Phosphax sc pour la mesure des phosphates. Ces deux instruments permettent déjà d'optimiser les process de traitement les plus sensibles, notamment la nitrification/dénitrification et l'aération.

[Encart : L'Amtax sc mesure la concentration de NH4-N L’analyseur Amtax sc mesure la concentration d’ammonium avec une électrode sensible au gaz. L’ammonium de l’échantillon est d’abord converti en ammoniaque gazeux. Le gaz NH3 traverse la membrane perméable de l’électrode qui le détecte. Cette méthode garantit une plage de mesure étendue dans les milieux sujets aux interférences pour des méthodes utilisant une électrode sélective aux ions. La mesure est réalisée en 5 min (y compris le temps d’échantillonnage), dans les plages de 0,05–200 mg/l avec une précision de 3 % ± 0,05 mg/l ; de 0,10–100 mg/l avec une précision de 3 % ± 1,0 mg/l et de 0,10–10,0 mg/l avec une précision de 4,5 % ± 0,1 mg/l. Cette mesure nécessite la filtration de l’échantillon à l’aide d’une membrane immergée. Le filtre situé sous l’analyseur est autonettoyant en continu par bulles d’air. La maintenance de l’équipement est simple. Il faut purger quelques minutes pour remplacer l’électrolyte et le cap de membrane et consacrer 30 minutes chaque mois à l’entretien du filtre.]

Optimiser le traitement pour réduire les coûts

Pour dégrader la matière organique présente dans les boues, il faut selon la température du milieu, introduire 0,9 à 1,3 kg d'oxygène par kilogramme de DBO. De même, en phase de nitrification, il faut apporter 4,3 kg d'oxygène par kilogramme d'azote, avant d'en retirer en phase de dénitrification. L'apport de l'oxygène est très souvent réalisé par une aération forcée de l'effluent. Avec un coût énergétique estimé à 58 % de l'énergie totale consommée pour traiter l'effluent, l'aération des bassins est un poste coûteux. Pour le réduire, il est nécessaire d'optimiser le traitement et de mesurer la concentration d'oxygène dissous. Le problème est que la valeur de ce paramètre varie énormément avec la température du milieu et la concentration de matières en suspension, ce qui rend difficile une régulation précise du procédé. Avec un capteur, la mesure est peu précise, avec plusieurs, elle devient coûteuse et complexe à mettre en œuvre.

Une autre approche consiste à compléter cette mesure d'oxygène dissous par une mesure de la concentration d'ammonium en sortie du bassin de nitrification. La conjugaison de ces deux mesures permet d'asservir l'entrée d'air nécessaire à l'aération. En adoptant cette conduite, les ingénieurs de Hach Lange précisent qu'il est possible de réduire de 27 % la consommation d'air, ce qui représente une économie de 100 000 €/an pour une STEP de 50 000 EH, chiffre correspondant à une réduction énergétique de 1 000 000 kWh chaque année.

Pour réaliser ces économies, il faut investir dans un analyseur d'ammonium. D'après Hach Lange, il faut compter 20 500 € pour l'analyseur et 5 000 € pour la programmation et la mise en réseau. En amortissant ces coûts sur 8 ans, il en va de 266 €/mois auxquels il faut ajouter 120 €/mois de coût opérationnel, ce qui représente 386 €/mois. Le coût énergétique par équivalent habitant est estimé à 0,17 € sur lequel il est possible…

[Photo : Les analyseurs Amtax sc et Phosphax sc sont installés côte à côte en bord de bassin, avec les filtres directement immergés juste sous les analyseurs. Les tubes sont isolés de façon à être protégés du gel pendant l'hiver. De cette façon, l'échantillon peut être transféré quel que soit le temps du point de prélèvement à l'analyseur.]

[Photo : Par rapport aux précédentes générations (ci-dessus), l’encombrement de l’équipement a également été revu à la baisse. Diminution du diamètre des tuyaux de transfert de l’échantillon, remplacement des pompes péristaltiques par une pompe à pistons rotatifs et injection des réactifs par pompes micro-piston... Tout est pensé pour réduire le volume mort et les besoins de réactifs, tout en simplifiant le fonctionnement de l’appareil.]

d’économiser 15 % ce qui représente 0,025 €.

« L’investissement est donc rentable dès que la STEP fait plus de 15 500 EH », précise Dr Michael Haeck.

Pour pousser plus loin l’optimisation du traitement, il est possible de compléter ces mesures par une ou des mesures de la teneur en phosphates en différents points du process d’épuration. La concentration en ortho-phosphates peut alors être mesurée à différents niveaux, là où le contrôle de sa valeur optimise le procédé de traitement. C’est le cas de l’étape de pré-traitement, là où le dosage du phosphate permet d’optimiser la quantité de produits de conditionnement, ou encore au niveau du post-traitement tertiaire pour respecter les contraintes législatives européennes conduisant à la réduction drastique de la concentration de phosphore total. « Un dosage au niveau du procédé de nitrification/dénitrification peut également être intéressant car il faut du phosphore pour bien optimiser cette phase », explique Dr Michael Haeck.

Sur le process de dosage du conditionnement, ces mesures permettent d’optimiser et de faire de réelles économies grâce à un contrôle plus strict des produits ajoutés. Par exemple, Hach Lange précise qu’en introduisant une mesure de phosphates sur une boucle de contrôle de chlorure ferrique, il est possible d’économiser respectivement 4000 tonnes et 1500 tonnes de produits chaque année, tout en minimisant la production de boues donc le coût du traitement. Tout comme l’essai en configuration réelle des analyseurs, ces scénarios ont été testés à la station de traitement des eaux usées de Düsseldorf en Allemagne.

Des tests en conditions réelles

Pour valider ses instruments en conditions réelles, Hach Lange travaille en partenariat avec la STEP de Düsseldorf Sud qui sert de station pilote. « Cette station d’une capacité de 70 000 EH est gérée par un client historique de l’entreprise, qui utilise nos appareils depuis 1980 », commente Michael Kueppers, Support technique Europe, « elle possède sur le site toutes les générations de nos analyseurs ce qui nous permet de suivre l’évolution des équipements ». Les analyseurs Amtax sc et Phosphax sc y sont installés côte à côte en bord de bassin, avec les filtres directement immergés juste sous les analyseurs. Les tubes sont isolés de façon à être protégés du gel pendant l’hiver. De cette façon, l’échantillon peut être transféré quel que soit le temps du point de prélèvement à l’analyseur.

[Encart : Hach Lange confirme sa présence sur le marché de l'eau Installée à Noisy le Grand en Seine-Saint-Denis, Hach Lange s’adresse spécifiquement à la surveillance des eaux potables et des eaux usées municipales ou industrielles. Elle commercialise les marques Polymetron, Lange, Buhler Montec, Sigma. Elle commercialise des analyseurs de process permettant de mesurer des paramètres aussi divers que le chlore, le nitrate, le phosphate, le fluor, les sulfures, les chlorures, le pH/redox, la turbidité... Ces produits sont complétés par une gamme d’analyseurs sur site et au laboratoire permettant de réaliser des tests visuels, mais aussi des photomètres et spectrophotomètres, des turbidimètres, des préleveurs et des débitmètres. Hach Ultra Analytics répond aux besoins des industries agro-alimentaires, pharmaceutique, semi-conducteurs, de la production d’énergie et de la cogénération. Spécialiste de l'eau pure et ultrapure, l'entreprise commercialise les marques : MetOne, Orbisphere, Polymetron, Anatel, Pacific Scientific Instruments, Hiac.]

[Encart : Le Phosphax sc réduit de plus de 50 % la consommation des réactifs Pour mesurer le phosphate et l’ortho-phosphate, l’analyseur Phosphax sc met en œuvre la méthode de dosage par vanadomolybdate. Un volume constant d’échantillon est pompé puis envoyé dans la cuvette du photomètre où il est mélangé avec le réactif. Le photomètre à diodes électroluminescentes à deux faisceaux mesure la couleur jaune, signe de présence de PO4. Pour être plus précis, l’appareil détermine automatiquement, avant chaque dosage, la couleur intrinsèque de l’eau. La méthode colorimétrique jaune nécessite très peu de réactif, ce qui réduit le coût d’exploitation. Quand on mesure le phosphore total (modèle Phosphax Sigma), il est important d’intégrer la partie présente dans les particules. Pour la récupérer, l’appareil est équipé d’un générateur d’ultrasons qui casse les particules encore présentes dans l’effluent à doser afin de bien la prendre en compte. « Ceci permet d’avoir de très bons résultats », précise Michael Kueppers, du Support Technique Europe, « nous obtenons une bonne corrélation avec la mesure officielle faite en laboratoire ». Cet analyseur dose le PO4-P en 5 minutes (y compris le temps d’échantillonnage) dans les plages 0,05 – 15,0 mg/l et 1,00 – 50,0 mg/l avec une précision respective de 2 % + 0,05 mg/l et 2 % + 1,0 mg/l. Il est doté des fonctions de nettoyage et d’étalonnage automatiques, d’auto-diagnostics complets. Une version permettant de mesurer le phosphore total et les ortho-phosphates seuls est également disponible pour les analyses plus rapides. Du côté de la maintenance, le système reconnaît automatiquement les performances du filtre. Dès que ses paramètres se détériorent, il faut nettoyer sa surface pour enlever les dépôts. Quant aux consommables (réactifs), il faut intervenir tous les 3 mois pour leur remplacement (modèle Phosphax Sigma).]

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