Instrumentation : des STEU de plus en plus controlées

L es stations de traitement des eaux usées (STEU) sont devenues des installations complexes, contrôlées tant par les autorités sanitaires que par leurs exploitants, évidemment pour des raisons différentes. 

Tout cela repose sur une instrumentation permettant de mesurer une série de paramètres indicateurs de l’efficacité du processus de dépollution. «Outre les obligations réglementaires, le contexte économique – prix de l’énergie et des réactifs – entraîne une augmentation de la demande d’instrumentation, que ce soit pour les STEU en construction ou celles déjà en exploitation. De plus en plus de paramètres sont surveillés» affirme ainsi Jean-Pierre Molinier, spécialiste des produits d’analyse en ligne chez Hach. Que ce soit directement ou via des installateurs ou de grands traiteurs d’eau, des fabricants de capteurs, d’analyseurs, mais aussi de data loggers et d’automates, se partagent le marché. Sont présents, entre autres : Aquacontrol, Anael, Aquams, Aqualabo, Cometec, Datalink Instruments, Krohne, Macherey Nagel, Physitek Devices, Perax, Sigrist ou encore s::can. 

ENTRÉE-SORTIE : LE B.A. BA 

La STEU ayant pour fonction essentielle de réduire la charge de polluants rejetés dans le milieu naturel, la première exigence est évidemment de savoir ce qui y entre et ce qui en sort. Imposée par les autorités dans le cadre de l’autosurveillance, cette mesure des entrées-sorties constitue aussi, pour l’exploitant, une première approche du contrôle de ses procédés. 

Une «charge polluante» étant le produit du débit d’effluent par sa concentration en polluants, ces deux paramètres sont mesurés. En entrée de station afin de déterminer les flux de charge et les pollutions atypiques, Hydreka propose son biocapteur Node pour évaluer la DBO5. Ce capteur, qui utilise les bactéries du site comme bioindicateurs, offre également la possibilité de suivre les performances des procédés de traitement en temps réel en détectant d’une part les pollutions toxiques vis-à-vis de la biomasse de la STEP et d’autre part les rejets non conformes afférents aux dysfonctionnements mécaniques ou biologiques. «Pour le débit, nous proposons soit des débitmètres électromagnétiques de la gamme Promag pour les conduites fermées, soit des systèmes venturi (HQI 415, 425, 430 et 450 et 520) équipés de détecteurs de hauteur par ultrasons, de type FMU 90, pour les canaux ouverts» énumère Matthieu Bauer, Team Leader Marketing Environnement/Energie chez Endress Hauser, un des principaux acteurs de ce marché. Cette dernière solution, quelle que soit la marque, est d’ailleurs la plus fréquente en assainissement. Ijinus propose aussi «toutes les solutions de mesure du débit en entrée-sortie, que ce soit par la hauteur ou la vitesse, avec ou sans contraction latérale», comme le précise Mathieu Zug, responsable technique chez Ijinus. La concentration en polluants de l’effluent - en particulier matières en suspension et demande en oxygène - est déterminée au laboratoire. Au-delà de 2000 équivalents habitants (Eh), l’exploitant de la STEU doit prélever régulièrement des échantillons pour analyse. Au-delà de 10000 Eh, il faut même installer un préleveur à poste fixe. Hach, Endres Hauser ou Ijinus (avec la gamme Isco) proposent des appareils automatiques. 

Au-delà de l’autosurveillance réglementaire, le suivi opérationnel du process implique des mesures plus fréquentes que les analyses périodiques en laboratoire. «Notre préleveur d’échantillons CSF 48 peut se raccorder à quatre capteurs électroniques (conductivité, turbidité, pH …) pour la mesure en ligne en continu» précise ainsi Matthieu Bauer (Endress Hauser). TMR propose la gamme Pyxis sur les mesures de turbidité (travaillant à la fois en lumière blanche et infrarouge offrant ainsi des lectures plus fiables et plus précises dans les systèmes à flux complexes), ainsi que d’autres capteurs plus spécifiques sur la présence d’hydrocarbures ou d’algues. Tous les capteurs Pyxis sont interfaçables en Bluetooth via l’application Pyxis, elle génère des diagnostics de sonde et un étalonnage par smartphone et ordinateur portable. Car, tout opérateur de STEU veut évidemment maîtriser son process pour le rendre le plus efficace possible, donc consommer moins d’énergie et de réactifs pour le même résultat. Cela implique des mesures en ligne à l’intérieur de l’usine, et non plus seulement en entrée-sortie. «L’eau met plusieurs heures à parcourir l’ensemble de la filière. Pour optimiser le traitement, il faut donc mesurer les paramètres au plus près des différentes étapes, afin d’ajuster rapidement les injections de réactifs ou l’aération, en particulier» souligne ainsi Jean-Pierre Molinier (Hach).

DÉBIT : DÉJÀ DES RENSEIGNEMENTS INTÉRESSANTS

Avant même les paramètres qualitatifs, le « simple » suivi du débit dans les différentes étapes peut donner de précieux renseignements opérationnels. Si l’on suit le parcours de l’eau, cela commence dès le stade du dégrilleur. 

« Deux sondes à ultrasons installées en amont en et aval du dégrilleur, et reliées au même transmetteur, signalent les différences de niveau et donc l’accumulation de grosses particules bouchant les grilles. Une alarme peut alors déclencher l’opération de lavage » explique par exemple Matthieu Bauer. De même, lorsque la filière de traitement comprend un décanteur primaire, un sonar placé sous le plan d’eau permet de mesurer le voile de boue, donc indiquer qu’il est temps d’envoyer cette dernière vers la filière ad hoc. Endress propose par exemple sa sonde Turbimax CUS 71D pour ce type d’application. En ligne et en continu, la sonde de turbidité Turbi-Probe 4000+ proposée par EFS est connue dans le domaine pour sa large plage de mesure comprise entre 0 et 4000 NTU et mesure par néphélométrie suivant la norme ISO 7027. 

LE BASSIN D’AÉRATION, CŒUR DU PROCESSUS

Etape clé du traitement, le bassin d’aération est aussi le principal poste de consommation énergétique d’une STEU puisqu’il faut aérer l’effluent, par agitation ou «bullage», pour apporter suffisamment d’oxygène aux bactéries dégradant la pollution organique. 

Le tout en respectant des alternances oxygénationnon-oxygénation puisque le traitement suppose une succession de phases aérobies et anaérobies. La régulation la plus simple n’exige pas d’instrumentation per se puisqu’elle consiste à faire alterner les phases d’aération et d’arrêt selon un rythme préétabli. Etant donné le coût énergétique de cette étape, la plupart des exploitants souhaitent cependant une meilleure régulation. Pour cela, outre la mesure du taux d’oxygène, ils peuvent soit s’appuyer sur la mesure du potentiel d’oxydoréduction (redox) de l’effluent, qui indique où en est le traitement de l’azote - les ions ammonium (NH4 +), nitrite (NO2 -) et nitrate (NO3 -) n’ont pas le même potentiel redox - soit, plus finement, suivre les taux d’ammonium et de nitrates. «La première mesure à installer ou améliorer est le taux d’oxygène pour réguler le fonctionnement des turbines. Puis on optimise avec des capteurs redox, chez nous ORP, qui indiquent la fin du traitement de l’azote. 

C’est un premier pas, avec une instrumentation robuste» indique Jean-Pierre Molinier (Hach). Endress Hauser propose pour sa part un capteur par luminescence (COS 61D) pour l’oxygène et des sondes CPF 82 pour le potentiel redox. «Elles sont munies d’une membrane résistant aux conditions particulières régnant dans ces bassins» précise Matthieu Bauer. Pour régler en continu l’aération, en particulier lorsque des eaux chargées arrivent en permanence dans le bassin, il faut passer à la mesure directe de l’ammonium et des nitrates, là encore couplée à celle du taux d’oxygène. «Pour l’ammonium, nous proposons soit des électrodes, simples, économiques mais demandant un suivi régulier pour éviter les dérives, soit un véritable analyseur en ligne. Les nitrates se mesurent par absorbance UV» explique Jean-Pierre Molinier (Hach). «La mesure en continu de l’ammonium et des nitrates est intéressante si, par exemple, les surpresseurs sont dotés de variateurs : on peut alors ajuster plus finement l’aération et économiser encore 15 à 20% d’énergie. Cela permet aussi de détecter des phénomènes de pointe comme des apports d’ammonium dans des STEU mixtes, par exemple. L’installation devient évidemment un peu plus complexe» détaille Matthieu Bauer. Pour ces mesures, Endress propose des électrodes sélectives : les CAS 40D. Xylem recommande ses sondes Varion qui mesurent en continue l’ammonium/ nitrates pour être au plus près du traitement nitrification/dénitrification. «Grâce à la surveillance instantanée de ces paramètres, la régulation des temps d’oxygénation et d’arrêt d’oxygénation des bassins (nitrification/dénitrification) sont optimisées pour un meilleur traitement, et permettent ainsi de réduire la facture électrique d’au moins 15 %, en comparaison d’une régulation classique O2/Redox» souligne Julien Garrigues, expert Instrumentation OnLine Analyses Eaux chez Xylem France.

TRAITEMENT DU PHOSPHORE : AJUSTER LA CONSOMMATION DE RÉACTIFS

Le phosphore se traite par ajout de chlorure ferrique ou de sels d’aluminium, réactifs devenus difficiles à trouver et dont les prix ont flambé. «En raison des difficultés d’approvisionnement, nous sommes passés du chlorure ferrique à l’Aquafer® de Feralco, un mélange élaboré à base de sulfate de fer en solution» souligne Julien Pelleray, qui dirige la STEU de Chartres, conçue et opérée par Aqualter. 

Quel que soit le réactif, l’opérateur a tout intérêt à le doser au plus près des besoins, ce qui suppose la mesure en continu du phosphore dans l’effluent. Endress Hauser propose un analyseur colorimétrique pour les orthophosphates. «C’est certes un investissement mais les coûts des réactifs ont explosé, et de plus il faut respecter les valeurs limites dans les rejets» justifie Matthieu Bauer. Hach met en avant son Phosphax, un analyseur en ligne travaillant sur des échantillons de très faible volume. «Il consomme très peu de réactifs et dispose ainsi d’une autonomie d’un an à raison d’une mesure toutes les 15 minutes» avance Jean-pierre Molinier. Xylem également a opté pour l’analyseur colorimétrique Alyza PO4 pour analyser de façon précise et continus les phosphates. «L’énorme avantage de cet appareil est qu’il consomme extrêmement peu de réactif par analyse: 5 μl (une goutte) contrairement à d’autres analyseurs, minimisant ainsi son impact environnemental» rapporte Julien Garrigues. L’analyseur dispose aussi de fonctions étalonnage et nettoyage automatisées pour assurer le bon fonctionnement à long terme, avec une maintenance réduite. 

LA FILIÈRE BOUES

Suivi des quantités à traiter, dosage des réactifs : la filière boues d’une STEU est confrontée aux mêmes types de besoins que le traitement de l’eau. D’où le recours à l’instrumentation, là encore. 

Qu’il s’agisse de contrôler l’évacuation les boues du bassin d’aération vers leur filière de traitement ou, dans l’autre sens, le renvoi de la fraction «allégée» vers le bassin, Endress Hauser propose son capteur de turbidité CUS 51D. «En complément de la turbidité, on peut installer sur l’extraction une mesure de débit, ce qui donne une indication du flux à traiter» ajoute Matthieu Bauer. De même, pour ajuster la quantité de polymères à ajouter avant la déshydratation des boues, Hach propose son capteur de turbidité Sonatax, basé sur un principe optique. «Notre avantage est une excellente corrélation entre la mesure optique des MES et le résultat d’une vraie mesure (pesée au laboratoire après dessication). Notre R&D a en effet développé des abaques basées sur des mesures de boues réelles» souligne Jean-Pierre Molinier. Parmi les divers instruments de mesure, l’analyseur TU 7685 d’Aquacontrol offre 4 échelles sélectionnables (04, 0-40, 0-400, 0-4000 NTU) destinées à la mesure des faibles et moyennes turbidités. A propos de boues et de dérive éventuellement due à un surplus de MES, Cerlic (groupe Eletta) a développé un nettoyage par air ou eau avec buses intégrées à ses sondes de mesure MES (Modèle ITX) permettant d’alimentée le nettoyage du capteur par l’intérieur. De plus en plus de STEU méthanisent leurs boues, ce qui là encore suppose une instrumentation, ne serait-ce que parce qu’un digesteur fonctionne mieux s’il reçoit une charge relativement constante. Hach propose donc de coupler la mesure de la hauteur de boue dans le compartiment amont (clarificateur ou épaississeur) avec celle de la concentration. Autrement dit d’installer à la fois un sonar Sonatax et un turbidimètre Solitax. «On peut aussi ajouter, pas forcément en continu, le dosage des AGV pour mieux approcher la charge organique envoyée dans le digesteur et lui assurer un bon régime de fonctionnement. Nous avons pour cela un titrateur automatique, déjà très utilisé dans le domaine agricole» précise Jean-Pierre Molinier. Bien entendu, le biogaz luimême doit être mesuré (voir EIN 458). 

MAÎTRISE DES ODEURS

Sans aller jusqu’à la mesure des odeurs (et des COV) dans l’air ambiant (voir EIN 460), beaucoup de STEU qui traitent les odeurs par lavage de l’air vicié souhaitent contrôler la quantité d’eau de Javel pulvérisée, qui a un coût et, en cas de surdosage, pose des problèmes de corrosion. Hach propose donc des capteurs de chlore à placer dans la solution injectée. La STEU de Chartres utilise d’autres types de mesure à cet effet. «Nous traitons les odeurs lors du prétraitement de l’eau et du traitement des boues, dans les deux cas par voie physicochimique: injection d’eau de javel, lessive de soude et d’acide sulfurique. Nous suivons cela en ligne avec des capteurs de pH ou de redox, de marque Endress Hauser» précise Julien Pelleray (Aqualter). Aquacontrol propose à cet effet l’analyseur combiné pH/redox qui sur le même appareil établit la mesure ampérométrique du chlore. Le système de base pour la surveillance et le contrôle se compose du contrôleur PH 6587 et du capteur pH ou Redox sélectionné pour l'application spécifique. 

LOGGERS ET AUTOMATES : LE MAILLON INDISPENSABLE 

Conditionner et transmettre les données mesurées, donner des alarmes (et éventuellement déclencher des actions) en fonction de seuils prédéterminés: c’est le rôle des data loggers et automates. 

C’est typiquement le métier de Wago qui avec son contrôleur PFC 200 apporte une solution d’automatisme industrielle ouverte à 27 protocoles (EtherNet/IP, Modbus TCP & RTU, DNP3, MQTT, OPC-UA…). Son système d’exploitation Linux temps reel donne accès à de nombreux mécanisme de cybersécurité et son atelier de programmation Codesys 3.5 élargit le spectre des utilisateurs. Ces API peuvent également être utilisés pour la télérelève et le pilotage radio longue portée, en établissant un réseau privé LoraWan. Des «instrumentistes» comme Hach, Endress ou Xylem proposent également des systèmes pour cette étape. Lacroix Environment domine toutefois le marché des STEU, même si d’autres acteurs ont leur mot à dire. Sa gamme de poste locaux Sofrel S4W dispose de modems de communication IP 2G/3G/4G et Ethernet intégrés avec un système de redondance en cas d’échec de l’un des supports. L’équipement peut gérer intégralement le process épuratoire des petites STEU grâce à son atelier d’automatisme complet et sa bibliothèque de fonctions métier. Pour les plus grandes stations, le plus souvent pilotées par des automates, Sofrel S4W s’interface avec l’automate et prend à sa charge la transmission des data historisées, des bilans et gèrent les alarmes. «En connectant, sa station à S4W l’opérateur bénéficie d’un accès à l’information via des synoptiques (server web HTML-5) permettant à l’opérateur de consulter toutes les informations depuis n’importe quel support: PC, Tablette, Téléphone mobile. Il est important de noter que cette génération permet d’embarquer les dernières avancées apportées par l’équipement et son écosystème en matière de cybersécurité nécessaire» précise Benoit Quinquenel, chef de projets digital chez Lacroix Environment. «Par ailleurs, les S4W communiquent en intersites avec les postes de relevage en amont de la station. Ils peuvent ainsi temporiser l’arrivée d’effluents en cas d’orages ou de surcharge de la STEU».

Perax se pose en spécialiste de cette «couche» comme Arc Informatique, HTT Projec ou encore IP Systèmes. «Nous avons développé le transfert de la donnée en mettant l’accent sur l’open source, ce qui est rare dans le milieu. C’est notre marque de fabrique» affirme Martin Cavenne, responsable d’affaires chez Perax. Les appareils, dont un data logger et l’automate P400xi, stockent et transmettent des données horodatées – donc faisant foi auprès des agences de l’eau, ARS, Onema et autres autorités de contrôle. «Nos appareils ne changent pas, seule la carte évolue et peut se remplacer. L’actuelle fait du TCPI-IP, la suivante, prévue pour cette année, ajoutera le Wifi. Nous travaillons à adapter le protocole sécurisé MQTT, déjà utilisé dans les STEU industrielles, à l’intégralité de notre gamme» ajoute Martin Cavenne. Au Puy en Velay, un seul appareil P400xi multirack automatise l’ensemble de la STEU (7000 Eh), recevant quelque 150 voies de mesure physiques. «En STEU, très souvent, nos appareils - comme d’ailleurs ceux de nos grands concurrents ne remplissent pas de fonctions d’automatisme, même s’ils en sont capables, mais simplement de télérelève et de report d’alarme, y compris avec un mode de communication «dégradé»» précise Martin Cavenne. C’est typiquement le métier de Wago qui avec son contrôleur Wago PFC 200 apporte une solution soft pré-programmée permettant de prendre en charge une diversité de protocoles. Ces API peuvent être utilisées indépendamment du bus de terrain et conviennent parfaitement aux systèmes de bus de terrain décentralisés grâce à l’environnement d’exécution basé sur Codesys et au système d’exploitation Linux® en temps réel. Ijinus se positionne aussi sur cette étape du parcours des données, avec des solutions autonomes en énergie. Autre solution existante: les régulateurs Intuition-6 ou Intuition-9 proposés par TMR. Communiquant en Modbus ou Bacnet, couplés à un modem (intégrant une carte SIM), ils permettent d’effectuer des régulations et commandes d’automatismes à distance grâce à l’envoi de datas au format Excel, sous forme d'alarmes, de SMS ou d’appels téléphoniques. Avec le service Fluent® de Walchem, la surveillance des différentes installations peut se faire y compris sur sites distants.

PETITES ET GRANDES STATIONS : QUELQUES EXEMPLES

De la lagune à la STEU de grande métropole urbaine, les besoins sont peu ou prou les mêmes, mais les moyens déployés diffèrent évidemment. 

Ijinus met à profit l’autonomie de ses systèmes pour équiper des lagunes, qui sont souvent éloignées du réseau électrique. «Typiquement on mesure la hauteur (par venturi ou non) - et éventuellement la turbidité ou la conductivité - en entrée-sortie, et on asservit les préleveurs. Cela répond aux exigences d’autosurveillance mais permet également de détecter l’arrivée d’eaux parasites par exemple. A cela peut s’ajouter le niveau dans les différents bassins et parfois la mesure de l’oxygène dissous» résume Matthieu Zug. Perax a de son côté équipé la petite STEU (250 Eh) biologique enterrée de Davron, dans les Yvelines. «Un venturi en entrée, quelques sondes et un automate P400xi muni d’une carte SIM qui envoie ses données sur un serveur web hébergé et maintenu chez nous, cela suffit. De son ordinateur, le maire peut suivre les fonctions, le rendement, le temps de fonctionnement pompes, etc.» affirme Martin Cavenne. Avec ses 200000 Eh, la STEU de Chartres fait partie des «grandes». Aqualter a logiquement déployé une instrumentation très complète tout au long du process. Ses deux filières parallèles de traitement sont chacune munies en entrée (et en sortie) d’une mesure de débit par canal venturi et niveau par ultrasons (Endress Hauser), de même d’ailleurs que les deux canaux de by pass. «Nous avons un poste relevage à 4 km de l’entrée de la station. Il est équipé d’un débitmètre électromagnétique, sur lequel nous pouvons nous appuyer si une sonde ou un transmetteur fait défaut en entrée d’une des filières. Cela permet également de repérer une éventuelle casse de conduite» ajoute Julien Pelleray. En entrée-sortie, les débitmètres sont couplés à des préleveurs d’échantillons Hach. Un seul est installé en entrée avant la division du flux, mais chaque sortie a son propre préleveur, ce qui permet à la fois de mélanger les effluents pour répondre aux exigences réglementaires et de suivre le fonctionnement de chaque filière. «Nous réalisons nous-mêmes nos analyses de laboratoire par des microméthodes avec des appareils Hach (un spectrophotomètre DR2800 entre autres). Nous suivons la DBO, la DCO, l’azote, le phosphore ainsi que les MES» énumère Julien Pelleray. Tout au long du parcours de l’eau, les niveaux sont mesurés par différentes technologies: sonde piézométrique, à ultrasons … et même poires de niveau, «un système archaïque mais efficace» souligne le directeur. Le traitement biologique per se est équipé de différentes sondes reliées à un transmetteur Hach (SC 1000): redox (et pH), oxygène et ammonium-nitrate. 

DE NOUVEAUX INSTRUMENTS POUR DE NOUVELLES PROBLÉMATIQUES 

Polluants émergents, microplastiques, nitrites… la liste des substances problématiques, qui feront tôt ou tard l’objet de limites réglementaires dans les rejets, s’allonge en permanence. Les rejets de substances dangereuses dans l’eau (RSDE) sont d’ores et déjà surveillés pour les ICPE, et les grandes STEU suivront probablement. «Nous travaillons sur ces sujets avec des entités spécialisées du groupe, comme Analytik Jena ou Biosense, qui développent des capteurs. L’idée est d’amener les technologies de laboratoire sur le terrain afin de nous préparer à répondre à de futures demandes réglementaires» affirme ainsi Matthieu Bauer, pour Endress Hauser. Etant donné sa taille et la présence d’industries cosmétiques et pharmaceutiques dans son bassin de collecte, la STEU de Chartes est considérée comme une ICPE même si elle ne l’est pas. Pour le suivi en continu de ce qu’elle rejette, Aqualter a choisi la biosurveillance, avec un Toxmate de Viewpoint, alimenté en eau prélevée dans le poste de relevage en sortie de station. «Nous l’utilisons depuis un an. Nous sommes réglementairement contraints à des campagnes de mesures RSDE pour la recherche de micropolluants en laboratoire mais ce n’est pas représentatif du fonctionnement de la station, alors que le Toxmate fonctionne en continu. Il est couplé à un préleveur d’échantillons qui se déclenche en cas d’alerte sur le Toxmate» explique Julien Pelleray. En assurant ainsi la connaissance fine de la dynamique de présence des micropolluants, la station de bio-détection permettra d’optimiser le dimensionnement du futur traitement tertiaire. De son côté, Hach propose désormais un capteur pour les nitrites. «Il s’agit encore une fois d’optimiser l’aération pour économiser l’énergie mais aussi de contrôler les rejets dans le milieu car ce paramètre est de plus en plus surveillé» affirme Jean-Pierre Molinier.