Pourquoi faut-il éliminer l’azote dans les eaux résiduaires ? La réponse est simple : les composés azotés sont, tout comme les phosphates, des substances importantes pour la fertilisation des plantes. Lorsque ces produits sont présents dans l’eau en forte concentration, ils stimulent la prolifération des algues ou autres végétaux aquatiques, mais aussi des bactéries et des champignons qui se multiplient de façon extraordinaire dans les eaux par trop « enrichies » en « engrais ». Or, ces micro-organismes ont besoin d’oxygène dissous pour respirer, oxygène qui fait alors défaut dans l'eau... Les conséquences qui en résultent sont des réactions de décomposition des matières organiques dans des conditions anaérobies. L’eau croupie issue de ce processus se signale par une odeur nauséabonde.
Certains dérivés de l’azote sont très toxiques pour les poissons : en particulier les nitrites et l’ammonium. L’ammonium, tel quel, est peu toxique, mais au fur et à mesure que le pH monte, il est converti en ammoniaque, composé mortel pour les poissons. De plus, la synthèse de l’ammonium entraîne une consommation de l’oxygène dissous dans les eaux.
Une menace à ne pas négliger est aussi la concentration croissante des nitrates dans l'eau potable ; certes, les nitrates eux-mêmes sont peu dangereux pour la santé, mais par réaction chimique, ils peuvent se dégrader en produits mortels pour les enfants en bas âge (cyanose), et il n'est pas rare de trouver dans l'eau potable des valeurs supérieures aux taux autorisés dans la CE, à savoir 50 mg/l [1, 2].
Pourquoi, et dans quelles proportions, trouve-t-on des composés azotés dans les eaux résiduaires ?
L'eau résiduaire domestique contient environ 30 à 50 mg/l d’azote ; dans les eaux usées arrivant en station d’épuration, ce corps est présent notamment sous forme d’ammonium NH4+ et, de plus, il peut être fixé sur d’autres molécules, par exemple sur les substances organiques (comme les protéines). L'ammonium est souvent déjà formé dans le réseau de canalisations ou dans la station d’épuration elle-même. Les nitrates proviennent en général de l’industrie. On voit sur la figure 1 l’évolution typique du taux d’ammonium et de nitrates dans les effluents entrant dans une station d’épuration : la concentration en nitrates y est très faible sur l'ensemble de la plage considérée de 24 heures ; en revanche, l’ammonium atteint un pic le matin, entre 10 et 12 heures, avec une concentration maximale d’environ 35 mg/l. Le minimum se situe dans les toutes premières heures, au petit matin [3].
Élimination des composés azotés dans les stations d’épuration
Pour l’élimination des phosphates, qui sont aussi des substances nutritives des plantes, on peut recourir à des traitements physico-chimiques, tout autant qu’à des traitements biologiques, mais pour éliminer l’azote dans les stations d’épuration, on ne met pratiquement en œuvre que des procédés biologiques, la meilleure façon d’y parvenir consistant à faire alterner les processus de nitrification et de dénitrification, suivant les principes exposés ci-après.
Phase de nitrification
C'est la phase où les micro-organismes transforment l'ammonium en nitrate (figure 2). Pour ce faire, ces bactéries nitrifiantes consomment des quantités importantes d'oxygène (2 à 3 mg/l) ; il faut donc disposer d’une capacité d’aération suffisante nécessitant une consommation d’énergie plus élevée, ce qui entraîne un coût d’exploitation plus important pour la station de traitement.
Les bactéries de nitrification ne se multiplient pas très vite ; d’autre part, la vitesse de la nitrification dépend fortement de la température (en hiver, elle peut même s'arrêter totalement). La nitrification se déroule dans le bassin d’activation parallèlement aux réactions de dégradation des composés organiques à base de carbone.
Phase de dénitrification
En l'absence d'oxygène dissous, une partie des micro-organismes contenus dans les boues activées est capable de modifier son mode de respiration en consommant l'oxygène fixé sur les nitrates [2] (figure 3). Il faut alors réunir deux conditions :
- absence d'oxygène dissous et présence de nitrates ;
- présence de nombreux composés carbonés facilement dégradables, tels qu'on les trouve dans les eaux brutes.
Une bonne proportion de l'oxygène apporté pour réaliser la phase de nitrification peut être récupérée au profit de la dénitrification, ce qui permet de réduire considérablement le coût d'exploitation d'une station.
Régulation de l’élimination de l’azote
Principe
La maîtrise des phases de nitrification/dénitrification repose sur le réglage précis de l'apport d'oxygène, facilement obtenu par un réglage réalisé proportionnellement au temps, mais cela ne peut s'appliquer que dans les rares cas où la charge polluante est pratiquement constante ; dès que la concentration de la charge polluante est modifiée, il est trop tard pour intervenir et il en résulte des variations considérables de l'efficacité du traitement.
Un moyen parfaitement efficace de régulation des phases de nitrification/dénitrification dans le bassin d'activation est la mesure de la concentration d’ammonium ou de nitrate. Il faut disposer à cet effet d'un appareillage conséquent, comportant des analyseurs automatiques ; il s'agit d'une technique compliquée comprenant des pompes immergées qui transportent l'eau à analyser à une station d’ultrafiltration où elle est séparée des boues activées. L'eau filtrée est ensuite amenée à l'analyseur automatique qui y ajoute des produits chimiques après avoir déterminé la concentration des nitrates ou de l'ammonium afin de permettre le réglage des aérateurs. Les analyseurs automatiques représentent un investissement important auquel il faut ajouter le coût non négligeable des produits chimiques consommés ; l'entretien, onéreux, demande en outre un personnel bien formé.
Il était donc important de trouver des systèmes de régulation faciles à entretenir qui conviennent aussi bien aux petites stations d'épuration qu'aux grandes, et à un prix abordable ce qui a été obtenu par la régulation Redox.
La régulation Redox
Une électrode Redox se compose d'un métal noble (platine ou or) et d'une électrode de référence, les deux étant réunies en une seule pièce. Entre l'électrode de platine et l'électrode de référence, on peut mesurer une tension (appelée potentiel) qui est plus ou moins grande selon les substances contenues dans l'eau. La partie en platine est immergée directement dans le liquide à analyser où elle échange des électrons, à charge négative, avec les substances qui y sont contenues (figure 4).
Les agents oxydants tels que l'oxygène, l'ozone, les nitrates, le chlore (gazeux) enlèvent des électrons au platine dont le potentiel devient positif : la mesure du potentiel Redox est alors positive. Les réducteurs (par exemple l’ammoniaque ou l'acide sulfhydrique) libèrent des électrons au profit du platine, si bien que le potentiel Redox devient négatif. La plage de mesure s'étend approximativement de –1000 à +1000 mV. La sonde Redox ne nécessite aucun calibrage et son bon fonctionnement se vérifie facilement avec des solutions standards dont la « tension » est définie.
La sonde Redox est constituée par une électrode composée d'un électrolyte solide et d'une électrode de référence intégrée, munie d'une membrane perforée (figure 5), insensible à l'encrassement, qui permet d'établir le contact entre le liquide à analyser et l'électrolyte solide. Les sondes Redox traditionnelles se caractérisent par un électrolyte liquide qui entre en contact avec le liquide par les pores d'une membrane en céramique, type de membrane qui présente l’inconvénient de s'encrasser facilement, ce qui se traduit par une dérive du signal de mesure.
L'électrode Redox est emboîtée dans une tête de sonde équipée d'un préamplificateur qui renforce le signal de mesure afin de permettre au signal d'être transmis à des points éloignés sans être altéré (figure 6).
La sonde se distingue par un entretien réduit, mais il est nécessaire de la rincer à l'eau à intervalles espacés ; en règle générale, la durée de ces intervalles sans entretien est supérieure à un mois.
Régulation de l'élimination de l'azote
Applications
Dans la pratique, il existe diverses façons de procéder et différentes stratégies pour régler l'élimination de l'azote [2]. La dénitrification en aval et la dénitrification intermittente se sont avérées être les procédés les mieux adaptés pour en réduire la teneur dans les petites stations ou les stations d'importance moyenne. Dans ce cas, et malgré des conditions de base opposées (aérobie/anaérobie), la nitrification et la dénitrification se produisent à tour de rôle dans le même bassin, et cela grâce à la mise en marche ou l'arrêt de l'aération. La dénitrification intermittente peut être réglée par la mesure continue du potentiel Redox en plongeant l'électrode, comme une sonde à oxygène, directement dans le bassin d’aération (figure 7) ; la préparation d'un échantillon de liquide n'est donc pas nécessaire. L'élimination de l'azote grâce à la régulation Redox est représentée sur la figure 8, où une sonde à oxygène est combinée avec une électrode Redox. Des chaînes de ce type sont utilisées en fonctionnement continu dans plusieurs stations d'épuration en Allemagne, où une sonde d’oxygène à électrodes découvertes est utilisée en complément du capteur Redox.
Les électrodes sont immergées sans protection de la membrane, directement dans le milieu à analyser ; parallèlement un dispositif
Tableau I : Station d'épuration A (environ 5 000 équivalents-habitants) : régulation Redox en fonction depuis janvier 1991, eaux épurées pendant la période du 2 janvier au 16 janvier 1992 (contrôles hebdomadaires)| Paramètre | Minimum | Maximum | Moyenne |
|---|---|---|---|
| NH₄-N [mg N/l] | < 1 | 3,4 | < env. 1,2* |
| NO₃-N [mg N/l] | 0,6 | 3,5 | 1,7 |
* Les valeurs < 1 mg N/l ne pouvant plus être déterminées avec précision, elles ont été comptées pour 1 mg N/l dans le calcul de la moyenne.
Tableau II : Station d'épuration B (environ 5 000 équivalents-habitants) : régulation Redox en fonction depuis janvier 1991, eaux épurées pendant la période du 18 février au 16 juin 1992 (contrôles hebdomadaires)
| Paramètre | Minimum | Maximum | Moyenne |
|---|---|---|---|
| NH₄-N [mg N/l] | < 1 | 6,5 | < env. 1,3* |
| NO₃-N [mg N/l] | 0,9 | 5,1 | 1,9 |
* Les valeurs < 1 mg N/l ne pouvant plus être déterminées avec précision, elles ont été comptées pour 1 mg N/l dans le calcul de la moyenne.
Tableau III : Station d'épuration C (environ 4 000 équivalents-habitants) : régulation Redox en fonction depuis décembre 1992 (contrôles à intervalles réguliers)
| Paramètre | Minimum | Maximum | Moyenne |
|---|---|---|---|
| NH₄-N [mg N/l] | < 1 | 34 | < env. 1,2* |
| NO₃-N [mg N/l] | 0,6 | 3,5 | 2,7 |
* Les valeurs < 1 mg N/l ne pouvant plus être déterminées avec précision, elles ont été comptées pour 1 mg N/l dans le calcul de la moyenne.
Tableau IV : Valeurs moyennes mensuelles des mesures hebdomadaires relevées dans la station d'épuration D(Les chiffres entre parenthèses correspondent aux effluents arrivant dans la station. La concentration des nitrates dans ces influents, qui était négligeable, n’a pas été mesurée.)
1° Sans régulation Redox (période du 14 octobre au 11 décembre 1991)
| Paramètre | Minimum | Maximum | Moyenne |
|---|---|---|---|
| NH₄-N [mg N/l] | 0,2 | 1,6 | 0,6 |
| NO₃-N [mg N/l] | 9,3 | 32,0 | 21,4 |
| Paramètre | Mars 1991 | Avril 1991 | Mai 1991 | Juin 1991 |
|---|---|---|---|---|
| NH₄-N [mg N/l] | 1,7 (4,7) | 21,7 (42,3) | 13,6 (34,3) | 8,0 (42,3) |
| NO₃-N [mg N/l] | 2,8 (–) | 0,9 (–) | 1,5 (–) | 1,9 (–) |
2° Avec régulation Redox (période du 11 mai au 1ᵉʳ juillet 1992)
| Paramètre | Minimum | Maximum | Moyenne |
|---|---|---|---|
| NH₄-N [mg N/l] | 0,1 | 0,8 | 0,3 |
| NO₃-N [mg N/l] | 0,3 | 1,7 | 0,6 |
| Paramètre | Mars 1992 | Avril 1992 | Mai 1992 | Juin 1992 |
|---|---|---|---|---|
| NH₄-N [mg N/l] | 1,8 (22,9) | 1,9 (33,6) | 0,7 (41,3) | 0,6 (36,3) |
| NO₃-N [mg N/l] | 2,8 (–) | 4,6 (–) | 3,2 (–) | 2,2 (–) |
Tous les procédés destinés à éliminer l'azote reposent sur des processus Redox qui ne se déroulent que dans certaines plages de tension. La figure 10 montre le rapport existant entre les concentrations en oxygène et en nitrates, et le potentiel Redox.
Phase de nitrification
Les bactéries nitrifiantes demandent une concentration élevée en oxygène. Ce taux est mesuré à l'aide d'une sonde à oxygène et réglé, pour un laps de temps déterminé, comme valeur de consigne. L'ammonium est transformé en nitrate dont la concentration augmente ; le potentiel Redox augmente également.
Phase de dénitrification
Après l'arrêt de l'aération (ou sa réduction à un minimum indispensable), l'oxygène est consommé jusqu'à atteindre la valeur zéro, processus qui se vérifie à l'aide de la sonde à oxygène. Après consommation complète de l'oxygène dissous, les nitrates commencent à se transformer en molécules d’azote élémentaire, ce qui se traduit par une chute brutale du potentiel Redox et par une consommation de l'oxygène fixé sur les nitrates [5]. La mesure du Redox est pratiquement la continuation de la mesure d'oxygène en dessous de la limite du « milligramme zéro ». Le point zéro des nitrates (concentration zéro en nitrates) est le point où la courbe du potentiel Redox change brutalement (figure 10).
Un logiciel spécial de l'amplificateur (figure 11) détecte ce changement caractéristique et commande la remise en marche des aérateurs. Si le point zéro n’est pas déterminé, les aérateurs sont remis en route après un intervalle choisi librement ou sur déclenchement d'une valeur de consigne du potentiel Redox.
Résultats
L'élimination de l'azote à l'aide du potentiel Redox combinée avec la mesure de l'oxygène dissous est d’ores et déjà pratiquée avec le plus grand succès dans bon nombre de stations d'épuration où ces sondes fonctionnent en continu. Les exploitants nous ont fourni les valeurs relevées dans le cadre de l'autocontrôle de leur station. Les tableaux I, II, III et IV montrent quelques résultats d'élimination de l'azote sur une période relativement longue.
Des valeurs maximum aussi sévères que 10 mg/l d’azote sous forme d'ammonium et de 18 mg/l d'azote total, qui sont désormais imposées aux stations d’épuration en Allemagne, peuvent être facilement respectées grâce à cette technique de régulation [6]. La comparaison des mesures relevées dans deux stations d'épuration, avant et après mise en place de la régulation Redox, met en évidence le degré d'efficacité de cette technique (tableaux III et IV).
Même sans régulation Redox, le taux d’ammonium des eaux épurées était très faible, ce qui prouve que les performances de nitrification de la station étaient très bonnes. En revanche, le taux élevé d’azote (sous forme de nitrates) indique qu'il n'y a pas eu de dénitrification. Depuis la mise en place de la régulation Redox, l'efficacité d’élimination de ces corps s’est nettement améliorée.
Avant mise en place de la régulation Redox, on avait rarement pu respecter le taux maximum toléré d'ammonium et d’azote total.
Il n’y avait pas de nitrification notable dans cette installation alors qu’elle n’était pas encore équipée de cette régulation. Depuis l’utilisation de cette technique, les valeurs des eaux traitées se sont sensiblement améliorées bien que la concentration en nitrates remonte parfois légèrement.
Dans les autres stations d’épuration où l’on utilise le dispositif Redox, les résultats sont similaires. Suivant la capacité d’aération, les performances de nitrification étaient parfois bonnes (même sans régulation Redox), ce qui se traduisait par le faible taux d’ammonium contenu dans les eaux quittant la station. Mais on ne constatait pratiquement aucune dénitrification, comme le montre la concentration élevée d’azote sous forme de nitrates (souvent plus de 20 mg/l).
L’élimination de l’azote à l’aide du potentiel Redox a fait l’objet d’une étude approfondie dans le cadre d’un mémoire présenté à l’École Technique Supérieure de Wilhelmshaven, sur le site de la station d’épuration de Leer qui possède une capacité correspondant à environ 80 000 équivalents-habitants. Elle traite des eaux usées tant domestiques (40 % environ) qu’industrielles (60 % environ), épurées dans trois lignes de traitement parallèles.
Pour le besoin des essais, les trois lignes ont été remplies respectivement d’un tiers de la quantité totale d’eaux résiduaires. Les lignes 1 et 3 étaient commandées par la même sonde Redox, la ligne 2 manuellement. On constate sur la figure 12 que l’élimination de l’azote, commandée par la sonde Redox, est réalisée avec une efficacité supérieure à 90 %, tandis que la ligne 2, à commande manuelle, présente des performances nettement moins bonnes. Avant équipement du site, la réduction du taux d’azote était en moyenne d’environ 64 %. Depuis le réglage précis des phases de nitrification/dénitrification grâce au potentiel Redox, cette proportion est passée à 94 %, ce qui satisfait largement à la réglementation allemande très stricte.
Conclusion
Par rapport aux autres systèmes de commande et de régulation de l’élimination de l’azote, l’association des chaînes de mesure du potentiel Redox et de l’oxygène est une solution très avantageuse et efficace. En particulier, les deux sondes, Redox et oxygène, étant immergées directement dans le milieu à analyser, cette disposition évite la prise ou la préparation d’échantillons, par exemple à l’aide d’une ultrafiltration.
La dénitrification intermittente notamment, alternant nitrification et dénitrification dans le même bassin, donne des résultats excellents.
Dans la phase de nitrification (avec aérateurs en marche), le réglage de l’apport d’oxygène s’effectue par l’intermédiaire d’une sonde à oxygène durant un laps de temps choisi. Pendant la dénitrification (aérateurs arrêtés ou en fonctionnement minimum), l’oxygène utilisé pour l’alimentation des bactéries après consommation de l’oxygène dissous est celui qui est fixé sur les nitrates. La sonde à oxygène contrôle l’absence d’oxygène dissous, et le moment de la remise en route des aérateurs est déterminé par le signal Redox.
Celui-ci évolue en effet de façon très significative au moment d’atteindre le point zéro, et c’est ce signal que relève le logiciel de l’amplificateur Redox.
En résumé, on peut dire que trois facteurs militent en faveur de cette méthode de régulation économique, basée sur la mesure du potentiel Redox conjuguée avec l’emploi d’une sonde à oxygène : une technique de mesure simple, un entretien réduit au minimum et d’excellentes performances sur le plan de l’élimination de l’azote.
BIBLIOGRAPHIE
- [1] Hütter, L.A., Wasser und Wasseruntersuchungen, 3. Auflage, Verlag Diesterweg-Sauerländer 1988.
- [2] Umwandlung und Elimination von Stickstoff im Abwasser, Arbeitsbericht der ATV-Fachausschüsse 2.6 und 2.8, Korrespondenz Abwasser, 34, 1 (1987).
- [3] Greten, B., Untersuchungen über Einsatz einer Redox-Sonde zur Steuerung einer Kläranlage bei unterschiedlicher Belastung, Diplomarbeit an der Fachhochschule Wilhelmshaven, 1990.
- [4] Bühler, H., Redoxmessung, Grundlagen und Probleme, Firmenschrift der Dr. Ingold AG, Urdorf (Schweiz), 1982.
- [5] Kayser, R., Kläranlagen zur Stickstoff- und Phosphorelimination, Weiterbildungsseminar TU Braunschweig, Heft 47, März 1989.
- [6] Rahmen-Abwasser-VwV (1989). Allgemeine Rahmen-Verwaltungsvorschrift über Mindestanforderungen für das Einleiten von Abwasser in Gewässer.
