Brevet FR2269717A1 — publié le 19751128

La présente invention concerne un procédé et un appareil pour la détermination en continu des variations de la pollfltion biodégradable d'une eau , urbaine ou industrielle , ce procédé et cet appareil étant utilisables en particulier pour évaluer les variations de la pollution de l'eau dans les stations d'épuration biologique , de façon à en controler la marche. Le ca ractère polluant d'lune eau résiduaire urb -aine ou industrielle est généralement mesuré par la demande biologique en oxygène en cinq jours (D3o5) ; cette mesure universellement admise n'est pas utilisable lorsqu'dn souhaite avoir une information rapide sur la valeur de la pollution biodégradable d'un rejet: il est connu pour cela de recourir à des mesures biochimiques consistant à mesurer l'activité respiratoire de microorganismes mis en présence de la pollution à caractériser ; ces mesures sont mises en oeuvre dans des appareils appelés " respiromètres " , tels que par exemple l'appareil de Warburg .Ces respiromètzes divers sont basés sur la mesure des variations de la pression de l'air situé au-dessus des échantillons et traduisant la consommation d'oxygène dûe à l'activité respiratoire des microorganismes , ladite mesure étant effectuée à température constante , dans une enceinte fermée contenant , d'une part , un échantillon de culture de microorganismes par exemple de boue activée prélevée sur une station d'épuration, d'autre part, un échantillon d'eau polluée à ca caractériser , ce mélange étant saturé en oxygène dissous Ces appareils présentent des inconvénients: ils ne sont pas automatiques ; ils travaillent pour la plupart er (ns- continu et sur des échantillons très petits ; ils nécessitent des opérations de prises d'échantillons manuelles répétées qui faussent la reproductibilité des conditions réelles existant dans la station; ils ne tiennent pas compte du phénomène de dégradation immédiate qui se produit à l'instant précis où ltéchantillon de culture est mis en présence de lteau-m caractérimer . En effet , il est connu qu'il existe une pollution dissoute rapidement biodégradable et une pollution principalement particulaire lentement biodégradable : dès qu'un échantillon de culture est mis en contact de l'eau à caractériser , la consommation d'oxygène par les microorganismes augmente très fortement car il se produit une dégradation immédiate de la fraction facilement biodégradable de la pollution puis cette consommation d'oxygène diminue progressivement jusqu'à retrouver la valeur correspondant à l'activité respiratoire de base de l'échantillon de culture Le procédé et l'appareil objets de l'invention présentent sur les procédés et appareils connus les avantages suivants : ils permettent une mesure en continu, sans interruption pour prise d'échantillon; ils travaillent avec des échantillons de volumes suffisamment importants le débit transitant dans l'appareil pouvant atteindre 1 à 2 m /h , ce qui est beaucoup plus représentatif des milieux souvent fort hétérogènoe rencontrés dans une station d'épuration ; enfin , ils tiennent compte des différentes vitesses de dégradabilité des divers types de pollutions existantes, permettant ainsi l'établissement de modèles mathématiques destinés à prévoir et réguler le fonctionnement d'une station d'épuration en fonction de la pollution qu'on y rencontre Le procédé , objet de l'invention, consiste à déterminer en continu mais en deux phases séparées , d'une part la fraction de pollution rapidement biodégradable d'une eau traitée dans une station d'épuration, d'autre part la fraction de la. pollution lentement biodégradable de cette niême eau, en mesurant d'une part la chute rapide de concentration en oxygène dissous se produisant au moment où l'eau à caractériser , préalablement portée à une concentration en oxygène voisine de la saturation, est mise en contact avec une culture de microorganismes également portée à une concentration en oxygène voisine de la saturation, et d'autre part les variations de concentration en oxygène dissous dûes à la pollution lentement biodégradable. La culture de microorganismes utilisée est constituée de préférence par de la boue activée prélevée dans la station même et stabilisée pendant quelques heures Dans le cas où la culture de microorganismes est constituée par de la boue activée provenant de l'installation de traitement de l'eau à caractériser , le procédé objet de l'invention peut être mis en oeuvre dans un appareil constitué de trois parties - Un réservoir de stabilisation comportant au moins deux compartiments dans lesquels sont effectuées la stabilisation de la boue activée préle vée sur la station et utilisée comme culture de microorganismes ainsi que la saturation en oxygène dissous de cette boue stabilisée - Une cellule fermée, de volume connu, dans laquelle sont introduits avec des débits déterminés un échantillon d'eau à caractériser préa lablement saturée en oxygène et un échantillon de boues provenant du réservoir de stabilisation et également saturé d'oxygène, ce mélange étant amené à s'écouler en continu d'une extrémité de la cellule à l'autre, des électrodes disposées aux extrémités de ladite cellule permettant de mesurer la chute de concentration en oxygène dissous, dans un intervalle de temps déterminé, au cours duquel est dégradée entièrement la pollution rapidement biodégradable. - Une cellule non fermée, de grand volume , dans laquelle le mélange eau-boue provenant de la cellule précédente et ne contenant plus que de la pollution lentement biodégradable est amené à séjourner pendant plusieurs heures en présence d'air comprimé , des électrodes étant disposées dans cette cellule pour la mesure de la concentration en oxygène dissous . La description qui va suivre , d'une forme de réalisation de l'appareil faite en référence aux dessins annexés permettra de mieux comprendre l'invention. Il est bien précisé qu'il s'agit uniquement d'un exemple et que toutes autres formes , proportions et dispositions pourraient être adoptées sans sortir du cadre de l'invention. Dans un réservoir de stabilisation 1 comportant au moins 2 compartiments la et lb , est introduite au moyen d'une pompe P1 de la boue activée provenant de préférence de la station d'épuration pour le compte de laquelle doit être déterminée la concentration en pollution; cette boue activée étant prélevée en un point du circuit " boue " de la station correspondant à celui où l'eau analysée entrera en contact avec la boue La boue est amenée à séjourner dans ce réservoir pendant un temps de 2 à 6 heures suivant le type de station.Des sondes S1 et S'l ou tout autre dispositif de mesure d'oxygène , commandent chacune une vanne automatique V1 et V'l destinée à régler l'aération de la boue opérée par les canalisations a et b , bl dans les différents compartiments du réservoir de stabilisation : la boue est ainsi suffisamment aérée pour que soit dégradé l'essentiel de la pollution qu'elle a stockée sur la station dont elle provient . On réalise ainsi - comme connu - la stabilisation de la boue. La teneur en oxygène dissous est maintenue aux environs de 1 à 1, 5 mg/l au moyen par exemple des sondes S1 , S'1 régulant les vannes V1 , V'1 par lesquelles transite l'air d'aération La pollution restante non dégradée passant dans le dernier compartiment lc du réservoir de stabilisation 1 est constituée par de la pollution non dissoute; celle-ci n'interfèrera que très légèrement sur les mesures ultérieures de la pollution . Dans ce troisième compartiment, le débit d'air d'aération est maintenu constant; les variations d'oxygène dissous indiquées par une sonde à oxygène S2 plongeant dans ce compartiment permettent de calculer en continu l'activité respiratoire de base de la boue stabili sée . La boue préparée dans le réservoir 1 est prélevée en continu du compartiment lc .et envoyée par une canalisation 2a dans un aérateur 2 où la concentration en oxygène dissous est portée à des valeurs de 6 - 7 mg/l pour constituer une réserve en oxygène . Une sonde à oxygène 83 commande la régulation de oxygène dans cet aérateur 2. L'aération se fait par grosses bulles pour éviter au maximum la présence de fines bulles au sein de la boue , ce qui perturberait la mesure de la pollution proprement dite Une pompe P2 soutire en continu de la boue de l'aérateur 2 et l'envoie dans un hydrocyclone 3 ou tout autre appareil permettant d'éliminer les bulles d'air non dissous qui se trouvent en suspension dans la boue .La pompe P2 a un débit supérieur à la pompe P3 placée en aval de l'hydrocyclone . L'excès de boue introduit dans l'hydrocyclone peut être renvoyé dans l'aérateur 2 , au moyen de la canalisation 3a La boue provenant du réservoir 1 est introduite en continu dans une cellule 4 au moyen d'une pompe doseuse P3 le débit de boue transitant par ladite pompe , inférieur à celui de la pompe P2 , étant mesuré au moyen d'un débitmètre D3. La cellule 4 est constituée par un tube interchangeable , parfaitement propre et de volume connu.La boue traversant la cellule 4 rencontre successivement: - une sonde à oxygène S4 - l'eau dont on veut mesurer la pollution , et qui est introduite dans la cellule 4 en 6 avec un débit connu mesuré par le débitmètre D4 et réglé par une pompe doseuse P4. Cette eau est saturée en oxygène; une sonde S6 permet d'en suivre la concentration en oxygène dissous - une seconde sonde à oxygène 85. Le débit d'arrive de l'eau à caractériser mesuré par le débitmètre D4 est régulé de façon que la teneur en oxygène dissous en S5 soit supérieure ou égale à I mg/l. La chute en oxygène entre les sondes S4 et Sg permet de calculer la concentration en pollution rapidement assimilable et biodégra dable , essentiellement constituée par de la pollution dissoute Les sondes S4 et S5 sont placées le plus près possible des extrémités de la cellule La figure 2 représente une disposition avantageuse de la cellule 4. La cellule 4 est alors constituée - d'un ensemble rigide et fixe 4a comprenant les arrivées de boues et d'eau, les sondes S4, Sg , S6, deux vannes V4 et V5 - d'un ensemble souple, démontable , de préférence transparent, 4b , par lequel circule le mélange boue + eau à caractériser entre les sondes S4 et S5. Les sondes 84 J S5 et S6 sont montées horizontales, ou de toute autre manière adéquate selon le type , de façon à ce qu'il ne puisse pas se former de bulle d'air, Les vannes V et V servent à vérifier l'étallonnage des sondes S4 et S5; en effet, en marche normale , on a V4 fermée et V5 ouvert .Lors des vérifications de l'état de fonctionnement des sondes S4 et S5, on débouche l'ensemble souple juste en amont de S5, on ferme V5 et on ouvre V4. On lit alors pratiquement les mêmes valeurs en S4 et 85 si le montage est réalisé comme décrit ci-dessus , c est à dire que les temps de parcours depuis la pompe P3 sont les mêmes pour la boue , pour arriver en S4 ou 85. La boue est ensuite amenée à pénétrer dans la cellule 5 constituant la troisième partie de l'appareil . Cette cellule a un volume tel que la boue y séjourne plusieurs heures . La concentration en oxygène dissous est régulée à une teneur comprise entre 1 et 2 mg/l au moyen d'une sonde à oxygène S7 . L'air comprimé est amené à la cellule 5 par- une canalisation 5a L'analyse des variations des concentrations d'oxygène dissous dans la cellule 5 d'une part et du débit de l'air d'aération entrant dans cette cellule d'autre part permet de calculer les caractéristiques du mélange admis dans la cellule 5. Pour faire ce calcul , on prend la même loi de variation de consommation d'oxygène des différentes pollutions au cours du temps . Pour la fonction f (t) de la loi y = Lf (t) on a une équation de la forme -kt f (t) = 1 - e kt où t désigne le temps y la consommation d'oxygène de l'échantillon au cours du temps L la valeur de la consommation limite de cet échantillon k la constante de temps de cette loi de dégradation De même , on peut admettre pour simplifier les calculs que la constante de temps k ne varie pas lors des variations de concentration en pollution " lentement biodégradable La cellule 5 peut être avantageusement divisée en plusieurs compartiments ayant chacun sa sonde et son système de régulation de débit d'air ; dans ce cas un échantillon d'eau peut être caractéri8é par une somme de pollutions élémentaires de biodégradabilité décroissante Une disposition simplifiée de l'appareil objet de l'invention , utilisable en particulier sur les petites stations comporte - un réservoir 1 avec une seule sonde pour réguler le débit d'air; - un aérateur 2 à grosses bulles; - une pompe P3 à débit constant précédée d'un débulleur c ( fig. 3) -une cellule 4 avec ses deux sondes S4 et S5 et une pompe doseuse P à débit constant; -une cellule 5 avec la sonde 87 mais sans régulation de débit d'air. Les débits d'air sur le réservoir 1 et sur la cellule 5 sont réglés de façon telle que quelle que soit la qualité de la boue admise sur l'appareil, l'oxygène dissous soit supérieur ou égal à lmg/l. De même le débit d'air sur l'aérateur 2 est tel que la concentration en oxygène dissous soit, si possible, supérieure ou égale à 70% de la concentration à saturation. Avec cet appareil, troisinformations sont retenues - les variati nSde concentration en oxygène dissous entre S4 et S5 appelé C1; - la valets de 1a soncentration en oxygène indiquée par la sonde S7 -la différence de concentration indiquée par la sonde Cette dernière information a pour but de vérifier que la valeur en S5 n'est pas inférieure à 0, 5 - 1 mg/l; dans le cas où la valeur en 85 serait inférieure à 0,5 - I on pourrait craindre que les besoins en oxygène entre S4 et S5 (C1) ne soient pas satisfaits; dans ce cas la chute d'oxygène mesurée entre S4 et S5 est inférieure à ce qu'elle aurait été si par exemple la valeur en S4 avait pu être plus élevée Les variations de C1 renseignent sur les variations de la concentration en pollution rapidement biodégradable . Plus C1 est élevé , plus la concentration en pollution est élevée Les variations de la concentration en oxygène dissous S7 renseignent sur le sens de variation de la pollution plus difficilement biodégradable . Lorsque S7 augmente , cela signifie que ce type de pollution décroit, alors qu'une diminution de S7 signifie une augmentation de ce type de pollution. L'appareil objet de l'invention est implanté de préfé rence à l'entrée des eaux à traiter sur la station d'épuration, , avantageuse- ment après dégrillage et décantation sommaires L'appareil objet de l'invention permet de prévoir avec une très grande précision les différentes fractions de la pollution traitée dans une station d'épuration et leurs besoins en oxygène respectifs elle présente un grand intérêt , en particulier dans les installations importantes comportant un ordinateur , lequel permet d'exploiter les informations fournies par l'appareil REVENDICATIONS 1 . Procédé pour la détermination en continu des variations de la pollution biodégradable d'une eau résiduaire urbaine ou industrielle , caractérisé par le fait que sont déterminées en continu et en deux phases séparées, d'une part la fraction de la pollution rapidement biodégradable d'une eau traitée dans une station d'épuration , d'autre part la fraction de la pollution lentement biodégradable de cette même eau , en mesurant d'une part la chute rapide de concentration en oxygène dissous se produisant au moment où l'eau à caractériser, préalablement portée à une concentration en oxygène voisine de la saturation , est mise en contact avec une culture de microorganismes également portée à une concentration en oxygène voisine de la saturation , et d'autre part les variations de concentration en oxygène dissous dues à la pollution lentement biodégradable 2. Procédé suivant 1 dans lequel la culture de microorganismes est constituée par de la boue activée prélevée dans la station même et déjà pratiquement stabilisée au maximum. 3 . Appareil pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes , consistant en trois cellules une première cellule de stabilisation de la culture de microorganismes , une seconde cellule de mesure de la pollution rapidement biodégradable constituée par une enceinte fermée dans laquelle circulent l'échantillon d'eau à caracté- riser et la culture de microorganismes provenant de la cellule de stabili sation , et munie de deux sondes à oxygène permettant de mesurer la chute de concentration en oxygène dissous entre les deux extrémités de la cellule, et une troisième cellule de mesure de la pollution lentement biodégradable constituée par une enceinte ouverte de grand volume munie d'une ou plusieurs sondes à oxygène régulant la concentration en oxygène dissous 4. Appareil suivant 3) caractérisé en ce qu'il comporte , prévu à la sortie de la ou des cellules de stabilisation de la culture de microorganismes, tel que boue activée ,- des moyens pour la saturer en oxygène et des moyens pour éliminer les bulles formées 5 . Appareil suivant l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisée en ce que la cellule de mesure de la pollution biodégradable comporte une partie rigide dotée des arrivées de culture de microorganismes , d'eau à caractériser et des moyens , tels que sondes, de mesure d'oxygène , dis posés horizontalement, et une partie souple déformable surmontant la partie rigide