D?abord tenir ses objectifs de qualité d'eau, ensuite réduire la consommation d'énergie nécessaire pour obtenir cette qualité. La problématique vaut pour l'épuration mais aussi, dans certains cas, en potabilisation. L?accroissement des exigences sur les rejets, la dégradation de la ressource ne peuvent qu'accroître les consommations d'énergie. Raison de plus pour profiter des nombreuses possibilités analytiques pour conduire les installations de façon optimale en ne consommant pas plus d'énergie qu'il n?est nécessaire.
Directive sur les eaux résiduaires, directive cadre sur l’eau et ses objectifs pour 2015 : les contraintes qui pèsent sur la qualité de l'eau ne font que croître. Côté eau potable, les traitements doivent éliminer de plus en plus de substances. Du côté des eaux résiduaires, après le carbone, l’azote et le phosphore, ce sont les substances prioritaires qu'il va falloir s’attacher à éliminer.
Les équipements se compliquent, les étages se multiplient, entraînant de fait un accroissement global de la consommation d’énergie : aérateurs et agitateurs des bassins de boues activées, ventilateurs d’aspiration des odeurs des bâtiments, pompes de recirculation des boues et d’approvisionnement des centrifugeuses… Des économies d’énergie électrique sont possibles tout en épurant un maximum pour chaque kilowattheure consommé et ceci sans sacrifier à une logique purement comptable (cf. encadré ci-dessous).
Les économies portent également sur la consommation des réactifs : introduire la juste quantité, sans excès, nécessite des informations fiables. Des progrès significatifs en matière analytique ont eu lieu depuis quelques années, notamment avec l’arrivée des électrodes spécifiques, simples d’emploi, moins coûteuses que des analyseurs… sous réserve d’être correctement employées (voir encadré formation). Ce n’est qu’en disposant de données fiables et des algorithmes de fonctionnement que les procédés pourront être efficacement menés.
Des analyseurs et capteurs plus conviviaux
« Les exploitants montrent un intérêt certain pour les économies d’énergie et de réactifs dans l’assainissement. Ils souhaitent des appareils le plus simple possible avec une maintenance légère, concernant les nettoyages, les étalonnages, le renouvellement des réactifs. Sur ce dernier point, l’exemple des analyseurs de phosphate est révélateur : il y a quelques années, il fallait 10 litres de solution de réactif par mois. Aujourd’hui, un réservoir de 2 litres couvre une durée de six mois » explique Jean-Pierre Molinier de Hach-Lange France.
Patrick Descamps de Degrémont, en charge de l’instrumentation, confirme : « Certains parmi les derniers analyseurs de phosphate apportent une ouverture ; on peut se baser avec certitude sur les données et optimiser le dosage du chlorure ferrique, ils sont fiables. »
En matière de mesures, il faut distinguer celles de terrain nécessaires à la régulation pour actionner une vanne, ajouter un réactif, de celles touchant à la qualité réalisées au laboratoire. Jean-Pierre Molinier souligne la différence entre des installations existantes pour lesquelles on focalisera sur tel ou tel point, et les installations nouvelles pour lesquelles l’appareil s’intégrera dans une logique globale de fonctionnement.
Dans une station existante, les améliorations se font le plus souvent localement. C’est ainsi que l’on passera, par exemple, d’une logique d’aération horaire (déclenchement par horloge) à une logique basée sur la mesure de l’oxygène dissous, ou du potentiel redox et, maintenant, de mesures spécifiques d’ammonium et de nitrate pour déclencher ou arrêter l’aération d’un bassin.
Les préoccupations sont également différentes selon les capacités des stations concernées par ce type de démarche : l’utilisation des sondes à oxygène dissous et redox est un progrès pour les petites stations de 1 000 à 10 000 EH ; mais vouloir implanter des capteurs coûteux sur de telles stations n’est pas réellement rentable vu les consommations ; l’amortissement serait trop long. « En général, les exploitants respectent les normes de rejets quitte à consommer trop » indique Jean-Pierre Molinier. En revanche, sur les grosses stations, la surconsommation peut coûter très cher ; les analyseurs et capteurs prennent alors toute leur importance car ce sont des dizaines, voire des centaines, de milliers d’euros qui sont en jeu.
Depuis quelques années, l’analyse…
La mesure de l'azote sous ses formes ammonium et nitrate est possible avec des électrodes spécifiques et non plus des analyseurs. C'est la possibilité de mesurer in situ en continu ces deux paramètres, et de suivre au plus près l'activité réelle des micro-organismes et pas seulement un paramètre corrélé comme le potentiel redox, pouvant être affecté par d'autres espèces chimiques (par exemple un excès de chlorure ferrique issu du traitement physico-chimique en amont).
Pour Cédric Fagot, Chef de marché Eau et Environnement chez Endress+Hauser, « la mesure de l'ammonium est une tendance lourde, les stations de plus de 100 000 EH sont pour la plupart équipées, ce qui représente près d’une centaine de sites en France. Les stations de tailles plus modestes y viennent ».
Jean-Pierre Molinier, Hach-Lange, confirme : « la demande s'accélère en France où nous vendons plusieurs dizaines d'unités par an ; la demande est importante en Grande-Bretagne sans parler de l'Allemagne déjà largement équipée et où le marché représente plusieurs centaines d'appareils ».
Les capteurs à électrode spécifique d'un ion (nitrate, ammoniaque) se placent directement en bord de bassin et sont simples d'utilisation, souligne Jean-Pierre Molinier : « l'avantage de nos sondes Cartrical, c'est leur convivialité : une seule cartouche étalonnée en usine convient pour la mesure. L'opérateur n'a pas à gérer les problèmes d'interférences, de température, etc. ».
WTW, avec sa technologie Varion® d'électrodes spécifiques ammonium, nitrate et combinées, revendique aussi la simplicité pour ses sondes en insistant pour la première mise en route sur la nécessité d'un calibrage sur site pour tenir compte de l'effet de matrice.
De la même façon, Swan, Izitec, Neotek-Ponsel, Proanatec, Aqualyse, Hanna Instruments, Thermo Fischer, Fondis Electronic, Anael, Mettler Toledo ou encore Heito proposent des solutions simples et éprouvées.
Toutes les électrodes de ces constructeurs sont compensées vis-à-vis d'ions interférents (potassium, chlore). « Une électrode installée complète avec son transmetteur coûte environ 8 000 € » indique Cédric Fagot, Endress+Hauser ; à cela s'ajoute l'étalonnage régulier et la maintenance avec remplacement périodique de la membrane sélective. Mais il prendra en considération ce que cela remplace : prise d'échantillon, filtration, colorimétrie (donc réactifs).
Patrick Descamps, Degrémont, souligne « l'intérêt pour ces électrodes spécifiques qui sont un progrès important pour l'exploitation des stations. Les offres des constructeurs sont maintenant assez proches et les prix devraient baisser. Avec les transmetteurs multivoies, on pourra probablement disposer prochainement de deux mesures pour 5 à 6 k€ ».
L'approche de Tethys Instruments est différente. La méthode utilisée pour déterminer la concentration d'ammoniaque est la spectroscopie UV en phase gazeuse en élevant le pH de l'échantillon. Cette méthode sélective ne présente pas de risque d'interférences ou de dérives contrairement aux méthodes colorimétriques ou aux électrodes spécifiques (nécessité de sonde de compensation). Ajouté à cela un coût de fonctionnement réduit (coût annuel d'environ 100 €), de plus en plus de stations d'épuration industrielles font le choix de cette méthode (Arcelor Mittal, Total ou Solvay). En com-
L’azote : un élément multiforme et complexe
La station d’épuration biologique “brûle” les composés organiques (production de gaz carbonique), détruit les composés azotés (production d’azote) et élimine les phosphates par précipitation chimique. De ces trois fonctions la destruction de l’azote est la plus complexe car cet élément existe sous de nombreuses formes : azote organique lorsqu’il est combiné dans des molécules carbonées plus ou moins compliquées, azote ammoniacal (forme réduite) et azote sous formes oxydées (nitrate, nitrite, monoxyde d’azote NO, hémioxyde d’azote N2O). Selon les conditions, les formes réduites ou oxydées voient leurs proportions modifiées. Ainsi l’azote organique se transforme partiellement en ammonium dans le réseau d’assainissement. Ammonium et nitrite sont toxiques pour les poissons, le nitrate favorise l’eutrophisation, NO et N2O sont des gaz à effet de serre ! Seul l’azote gazeux n’est pas polluant et retourne dans l’air.
Pour réaliser ces transformations, différentes populations de bactéries travaillent séquentiellement pour la nitrification de l’azote organique et de l’ammonium en milieu aérobie (soufflage d’air) puis la dénitrification anaérobie (en plusieurs étapes) dont le stade ultime est l’azote gazeux. Deux opérations délicates car les bactéries nitrifiantes sont fragiles (température), présentes seulement dans des boues d’un certain âge et toutes ont besoin de nourriture (d’où l’apport de méthanol en dénitrification) et nécessitent un rapport favorable carbone azote et phosphore. D’où l’intérêt de surveiller régulièrement (prélèvement et tests) voire en continu (électrodes spécifiques) les concentrations d’ammonium, de nitrate et l’oxygénation. L’obtention d’un régime stable de fonctionnement des bactéries nécessite du temps ; un pic de pollution en entrée peut entraîner des perturbations de plusieurs jours par ralentissement de la nitrification. Plus la détection est précoce, plus il sera possible de limiter les perturbations.
Hach-Lange cite l’exemple de la station de Waibstadt (23 000 EH) en Allemagne qui utilise une électrode à ammonium et un capteur optique d’oxygène dissous dans différents bassins. L’aération est modulée pour les bassins de boues activées par une consigne à 2,0 mg/l d’oxygène (si supérieur, arrêt du turbo-compresseur) et par le déclenchement de l’aération des bassins de nitrification lorsque l’ammonium dépasse les 2 mg/l. Ce fonctionnement, plus en accord avec la vie des bassins, apporte une économie d’énergie chiffrée à 15 000 €/an et une meilleure gestion des variations accidentelles d’azote à l’entrée de la station.
WTW, qui propose aussi des sondes à électrodes spécifiques, avance, pour l’Allemagne, un argument supplémentaire : des déductions de taxes correspondant aux investissements en appareillages de mesure peuvent être pratiquées si un site prouve que ses rejets ont été significativement traités (loi sur l’eau AbwAG).
Les sondes ne suffisent plus. Il faut alors avoir recours à des analyseurs plus sophistiqués tels que le Sentinel de Anael, où les ajouts de tampon de force ionique et la méthode par ajouts dosés sont possibles. La mise en place d’un tel analyseur, son utilisation et son entretien courant restent cependant d’une grande simplicité. De plus, Anael dispose d’une gamme étendue d’analyseurs pour le suivi et la régulation de paramètres tels que COT, DCO, azote, phosphore et turbidité, permettant d’optimiser au mieux le procédé de traitement.
Optimiser l’efficacité énergétique
Est-ce la garantie d’économies d’énergie ? « Les économies d’énergie peuvent être très variables. Sur une station déjà équipée de sonde redox et exploitée correctement, on peut gagner 10 à 15 % sur l’énergie d’aération » remarque Cédric Fagot. Pour Pascal Dauthuille, Responsable du Pôle Assainissement et Environnement du Cirsee Suez Environnement, « nous avons très tôt été partisans de la mesure redox. Les électrodes de mesures ammonium et nitrate sont devenues moins chères, plus résistantes et plus fiables et certaines stations les utilisent pour la régulation soit directement soit comme information complémentaire et cela évite des surconsommations. Aujourd’hui, les grosses stations n’ont pas vraiment de problème d’épuration, plutôt d’investissement, et l’arrivée des nouveaux cahiers des charges, avec l’élimination des substances prioritaires n’ira pas dans le sens de la réduction des coûts ».
Mais pour comptabiliser les économies d’énergie éventuellement réalisées sur les principaux postes, il faut disposer de compteurs divisionnaires capables de sous-
Des comptages ciblés de consommation. Or, il semble que cette pratique ait été abandonnée. Il faudra la relancer peut-être à moindre coût grâce aux possibilités de l’électronique, des communications sans fil et d’éventuels services proposés par les fournisseurs d’énergie.
Disposer des concentrations d’ammonium et de nitrate est une chose, encore faut-il bien utiliser ces données. « La mesure est une chose, la biologie en est une autre. Il faut avoir une vision globale du procédé ; c'est bien d’optimiser l'oxygène mais attention à d’éventuelles répercussions sur d'autres points de l'installation. En tant que constructeur, nous devons proposer un bon fonctionnement tout au long de l'année malgré les variations de charge » précise Patrick Descamps. Eric Fievez, responsable Énergie Automatisme chez Degrémont acquiesce : « les fabricants de capteurs apportent de nouvelles solutions de mesures intéressantes ; certains fournisseurs de systèmes de compression d’air proposent aussi des solutions intégrant des capteurs. Mais faire de la régulation implique la modélisation du procédé et c'est le métier des spécialistes du traitement de l’eau. Nous seuls avons cette connaissance approfondie des procédés et des retours d’expérience ».
De son côté, Veolia Eau a lancé la régulation AMONIT™ adaptée aux bassins biologiques de boues activées qui ne présente un intérêt que pour les stations qui traitent l’azote (Voir à ce sujet l'article page 61 de Thauré et al., 2009 « Comment maîtriser la qualité du rejet et la consommation énergétique d’un bassin de boues activées ? »). Pour Emmanuelle Vigne, de la Direction Technique, « surveiller l’oxygène dissous et le potentiel redox n’est pas suffisant, les concentrations en ions nitrate et ammoniaque sont indispensables pour optimiser l'aération et réduire la consommation énergétique au sein des bassins. AMONIT™ a été développé sur deux sites (10 000 EH et 30 000 EH) en 2006. Depuis, plusieurs stations d’épuration de plus grande taille (entre 60 000 et 260 000 EH) ont été équipées de cette même régulation. Dans le cas des bassins biologiques, les électrodes fonctionnent bien, ont un temps de réponse rapide et sont moins lourdes à utiliser que des analyseurs qui demandent des solutions étalons. Les économies d’énergie, pour une qualité de rejet équivalente, se situent entre 10 et 20 %, parfois plus selon la qualité d'eau visée par l’exploitant et évidemment du niveau de réglage de la régulation de référence. Depuis cette année, nous proposons régulièrement AMONIT™ dans des réponses à appel d’offre d’exploitation ou même de construction ».
Pour Veolia Eau, l'utilisation de cette nouvelle régulation permet d’optimiser la dépense énergétique en fonction d’un objectif de qualité de l’effluent. En effet, l’aération continue est modulée grâce à une puissance variable d’aération (et non en séquence marche-arrêt) en s’adaptant à la charge entrante et aux objectifs de traitement. La mise en place de la régulation doit être examinée et validée en présence de l’exploitant. L’acceptation du projet par ce dernier ainsi que sa formation à ce nouvel outil sont indispensables pour assurer la réussite de l’installation et du fonctionnement optimal de la régulation. L’exploi-
tant doit changer ses habitudes et il doit être accompagné et rassuré dans cette démarche.
Ne pas négliger les réactifs
Les économies de réactifs concernent plus l’élimination du phosphate réalisée essentiellement par précipitation chimique avec du chlorure ferrique ou des sels d’aluminium. Le problème est traité sur la station de Fontaine-sur-Saône (45 000 EH) près de Lyon à l'occasion d’une rénovation de l’installation équipée d'un traitement physico-chimique et de biofiltres. Arnaud Denis, responsable de la cellule d'optimisation des procédés au Grand Lyon explique : « Jusqu’à présent, nous injections en continu le réactif en fonction du débit théorique de pompage. Aujourd’hui, nous avons un débitmètre spécifiquement dédié à l'injection de réactif ; le dosage est asservi au débit réel entrant sur la station. Nous sommes encore en phase de réglage mais nous constatons un meilleur fonctionnement et une moindre consommation de réactifs. Les injections étaient trop importantes, notamment en période pluvieuse et la nuit alors que la charge est faible. Il y aurait la possibilité d'aller dans le détail car à l’entrée du traitement physico-chimique il y a aussi des retours (lavage biofiltre, surverses) nécessitant moins de réactif que le débit entrant ; on pourrait optimiser tout cela mais il ne faut pas trop compliquer le procédé en cherchant d’ultimes économies ».
La mesure d'un paramètre apporte en règle générale des gains locaux. Mais l'important est de travailler à l’optimisation globale de la station. D’autres économies sont réalisables grâce à des capteurs bien placés. Arnaud Denis cite ainsi des économies sur le rinçage des biofiltres grâce au suivi de la perte de charge (colmatage) : fini les rinçages systématiques pratiqués si possible de nuit (électricité moins chère). Il a travaillé aussi sur les polymères destinés au traitement des boues en vérifiant les consommations réelles comparées aux préconisations des fournisseurs et à l'efficacité des traitements. Certaines stations consomment trop, et à plus de 2 €/kg cela vaut la peine de se pencher sur la question, d’autant plus que du bon traitement des boues dépendra la consommation électrique et l’efficacité des centrifugeuses. Il y a donc intérêt à moduler le dosage en polymères en fonction de la qualité réelle de la boue. L'utilisation de turbidimètres pour la mesure des MES en différents points de la station, la détection du voile de boues apporte aussi des économies de fonctionnement. Pour Patrick Descamps, « Certains capteurs de MES sont très performants aujourd'hui et permettent d'ajuster précisément les quantités de polymères nécessaires pour travailler à l'optimum des centrifugeuses. C'est une double économie puisque les retours en tête sont moins chargés (pas d'excès de polymère à retraiter) et que la consommation de polymères est réduite ».
Un souci que partage totalement Jean-Pierre Molinier de Hach-Lange qui insiste sur l'importance de la gestion de l’âge des boues. Hach-Lange a développé WTOS (Water Treatment Optimisation Solutions) basé sur des modules de régulation RTC (Real Time Control) utilisables sur toutes les tailles de stations, portant sur le phosphate, l'ammonium, le nitrate et le temps de rétention des boues. L'offre est en cours de lancement et s’appuie sur l'expérience d'une station du sud de Grande-Bretagne (250 000 EH, 60 000 m³) : réduction de l'aération de 20 %, consommation de méthanol divisée par deux, meilleur fonctionnement général de la station et meilleure capacité à encaisser des pics d’entrée. Des résultats étayés puisque sur cette station, deux lignes étaient instrumentées, l’une sous contrôle normal, l’autre avec la solution WTOS, donc même eau, mêmes conditions générales.
Mesure directe sur la biomasse épuratrice
Certains proposent d’aller encore plus loin, en améliorant la connaissance effective de la santé des bactéries en action dans la station. La biomasse d'une STEP évolue plus ou moins lentement en fonction du temps, de la charge qu'elle reçoit en quantité (plus ou moins diluée) et qualité (présence de toxiques), de la proportion de boue biologique évacuée. Évolution en population (espèces de bactéries et proportion relative des espèces) et en âge ce qui correspond à des capacités épuratoires variables. C’est ce que propose Aqua-tools avec l’ATPmétrie, une méthode rapide (quelques minutes) pour connaître l'état de cette biomasse et réagir. Avec un simple prélèvement et un kit d’analyse (20 €) on connaît à l’instant l’état de la biomasse et l’on peut adapter immédiatement le fonctionnement de la station.
La biomasse totale vivante et son état de stress.
L’ATP est mesuré par bioluminescence : ATP dissous relatif aux bactéries mortes et ATP des bactéries vivantes. Ainsi, il est possible de cartographier l’activité en déterminant en différents points l'état de la biomasse (éventuelles zones non mélangées). On peut aussi caractériser cet état dans le temps, détecter un éventuel changement de l’activité dû à l’arrivée soudaine d'un toxique (déversement accidentel ou illégal) ou suivre une dérive de l'activité bactérienne qui permettra de remonter à un dysfonctionnement. Notamment grâce à différentes techniques de filtrage-tamisage, il est possible de détecter la présence de bactéries filamenteuses quelques jours avant que celles-ci ne prolifèrent. Un traitement anticipé des filamenteuses sera bien entendu nettement moins coûteux et risqué pour le reste de la faune bactérienne que les méthodes traditionnelles.
Cela peut permettre également de vérifier l’efficacité des produits stimulant les bactéries qui semblent très en vogue en ce moment. Toutefois, « Avant d'aller chercher des produits “miracles” ou des solutions très sophistiquées, il faut bien connaître l'état de la biomasse et ses réactions » affirme Marc Raymond d’Aquatools qui commercialise ces kits d’analyse. La méthode, élaborée par une société canadienne, se répand en Amérique du Nord et commence à être connue en France d’après Marc Raymond qui cite des essais au SIAAP, observe un nombre croissant d'utilisateurs comme la SNPE, Lyon del Basel, Adipa, Artemisia, Degremont, Arjowiggins, Centre technique du papier, et des contacts avec les grands traiteurs d'eau. La société propose la vente des kits et a aussi créé un nouveau département “Eau-assainissement”, afin d’aider les industriels à mieux qualifier leurs effluents à traiter, la mise en place et suivi de programmes de réduction des coûts de fonctionnement, et audit d’installations grâce à cette méthode qui s'applique à la biomasse contenue dans n’importe quelle installation (step, méthanisation, tour aéroréfrigérante etc) mais aussi le contrôle bactériologique des eaux traitées réutilisées. Ce type d’analyse peut servir aussi à concevoir une installation : pour mieux traiter des effluents en station industrielle on pourra juger de l’impact sur la biomasse d'un flux toxique en l’isolant et en trouvant par dilution la dose acceptable par la population bactérienne. Donc optimiser son fonctionnement.
Pour ne plus subir mais plutôt anticiper la réaction de la biomasse à diverses influences extérieures, Aqualyse propose de son côté un instrument capable aussi, en quelques minutes, de déterminer le seuil tolérable de concentration d’un effluent toxique. Ce profileur d’activité biologique Aquatox permet en outre d’évaluer, toujours “a priori”, l’impact de l'introduction de nouvelles bactéries ou de nouveaux effluents. Le RaTOX (Respirometry analyzer), proposé par Mesureo, permet de suivre en continu et en ligne la toxicité de l’influent sur les boues d'une station aérobie. « L’évolution de la consommation en oxygène des boues activées en présence de l'influent nous renseigne sur l'activité métabolique de ces dernières » explique Clément Schambel, Mesureo.
Chez Proanatec, le respiromètre BM-T permet une étude complète de la santé des boues activées, tandis que l’analyseur SciTOX permet une détection rapide de toxiques dans les eaux usées entrant dans une station.
