Brevet FR2756272A1 — publié le 19980529

PROCEDE ET AUTOMATE DE PILOTAGE DU TRAITEMENT D'EFFLUENTS DANS UNE CUVE DE STATION D'EPURATION PAR LA TECHNIQUE DITE DES BOUES ACTIVEES La présente invention concerne un procédé de pilotage du traitement d'effluents dans une cuve de station d'épuration par la technique dite des boues activées. Elle concerne également un automate pour la mise en oeuvre de ce procédé. Ainsi que cela est bien connu, la technique d'épuration des effluents par boues activées consiste à injecter de l'air au sein de la masse d'effluents à transformer, ce qui se traduit par un développement rapide de la flore bactérienne naturellement présente dans lesdits effluents. Cette croissance microbienne entraîne un abattement très notable de la teneur en matières organiques polluantes, c'est-à-dire une transformation progressive de ces matières en d'autres composés non polluants. Pour provoquer un développement bactérien satisfaisant, il faut assurer une fourniture en oxygène adéquate et un brassage suffisant pour éviter une décantation des boues. Les composés azotés sont la source principale de pollution des effluents industriels, ménagers et agricoles. Les procédés biologiques de l'élimination de l'azote faisant usage de boues activées font appel à des bactériens spécifiques qui oxydent l'azote amoniacal (NH4+) en nitrates (NO3-) en plusieurs étapes: c'est la nitrification. Les nitrates sont ensuite réduits en azote gazeux non polluant (N2), lequel est éliminé dans l'atmosphère: c'est l'étape de dénitrification. Ces deux réactions sont précédées de l'ammonification. Le processus global réduit considérablement la DBO5 (Demande Biologique en Oxygène pendant 5 jours, qui traduit la quantité d'oxygène nécessaire à l'oxydation des polluants biologiques par les micro-organismes, à 20"C) et permet l'élimination de l'azote (DEGREMONT, Memento technique sur l'eau Lavoisier, Paris, 1989). L'ammonification correspond à une hydrolyse de l'azote organique (urée et acides aminés) en azote ammoniacal (NH4+). La nitrification est l'oxydation par les micro-organismes (Nitrosomas, Nitrobacter) de l'azote ammoniacal (NH4+) en azote nitrique (NO3-). En voici la réaction globale: NH4+ + 202 NQ + NO3- + H2O + 2H+. En tenant compte de la synthèse simultanée de la biomasse (C5H7N02), la réaction devient: NH4+ + 1,8302 + 1,98HC03- Les bactéries nitrifiantes correspondant à cette biomasse sont aérobies strictes. Elles sont autotrophes et ont un taux de croissance assez faible. Deux substrats sont déterminants pour ces bactéries: L'oxygène dissous et les ions NH4+. Lors du processus de dénitrification, les nitrates (NO3-) et les nitrites (NO2-) sont réduits en azote gazeux (N2) peu soluble dans l'eau. Ce gaz non polluant se dégage dans l'atmosphère. La réaction est très intéressante car elle réalise une élimination efficace de l'azote et ne produit pas de résidu gênant. La dénitrification se réalise donc en deux étapes : la dénitratation et la dénitration. L'équation globale de dénitrification s'écrit: 2NO3- + 2H+ > N2 +5/202 + H20. La réaction produit de l'oxygène, d'où l'intérêt d'associer la nitrification consommatrice d'oxygène à la dénitrification. Cette association se justifie pour d'autres raisons. En effet, les pH optimums sont voisins et les températures de réactions sont compatibles. A la vue de ces résultats, la logique a voulu que se développent des procédés à alternance dans le temps ou alternance de phase (MATHIEU J.L., 1986) où les périodes aérobies et anaérobies se succèdent dans le même bassin. Ces méthodes permettent l'équilibre entre souches nitrificantes et souches dénitrifiantes dans un bassin unique. C'est pourquoi on a développé une technique d'épuration d'effluents qui consiste à alterner, au sein d'une même cuve contenant les effluents, des périodes d'aération aux moyens de turbines, et des périodes de non-aération (pauses). Cependant, la durée de ces périodes a été déterminée de manière empirique, notamment par des analyses physico-chimiques ponctuelles, et, jusqu'ici, on s'est heurté à des difficultés pour optimiser la durée des périodes d'aération et de pause. Par ailleurs, une mesure directe de l'oxygène dissous dans le bassin d'aération où se trouvent les boues activées semblait correspondre a priori au principe le plus simple envisageable pour gérer au mieux le fonctionnement des turbines d'aération. Cependant dans le domaine de l'épuration biologique (MATHIEU J.L., 1986), quelques chercheurs n'ont pu se contenter de mesurer la consommation en oxygène dissous pour contrôler l'activité épuratrice des bactéries. Ils pratiquent depuis quelques années la mesure du potentiel d'oxydo-réduction (Rédox). Ces chercheurs ont très vite remarqué que dans la plupart des cas, la mesure de Rédox est très précise. La mesure de l'oxygène dissous, ne rendant que très partiellement compte de la biodégradabilité, est maintenant très peu utilisée. De plus, on s'est aperçu que la mesure en continu du Rédox permet de mieux gérer les stations d'épuration. En effet, les différentes étapes du cycle de l'épuration des eaux résiduaires sont caractérisées par des valeurs de Rédox spécifiques. Celles-ci sont donc appropriées à la régulation des stations. On rappelera simplement que la mesure du potentiel Rédox consiste à évaluer la différence de potentiel enVolt, pris par deux lames (de platine en général), l'une étant plongée dans le système oxydant/réducteur standardisé (électrode de référence) et l'autre dans la solution à mesurer. Le potentiel d'équilibre pris par l'électrode de mesure est donné par l'équation de NERNST: E = Eo + RT/nF Log (Ox)/(Réd) où E): potentiel normal du système (Volt) donné par l'électrode standard à hydrogène (EH) R : constante des gaz parfaits (8,31 J/K/mole) T : température absolue (T=273 + t) avec t en "C n : nombre d'électrons enjeu F : constante de Faraday (96 500C) Log: logarithme népérien Ox : activité de la forme oxydée de l'espèce (mole/l) Rêd: activité de la forme réduite de l'espèce (mole/l) En milieu biologique comme dans les boues activées, les couples oxydo réducteurs sont représentés en particulier par Fe2+/Fe3+ ; Mn2+/Mn3+ ; O2/OH- NH4+/NO2-/NO3-, etc. Partant de ces constatations, la demanderesse a découvert qu'il était possible de piloter de manière rationnelle et économique le traitement d'effluents dans une cuve de station d'épuration par la technique dite des boues activées. Ainsi, la présente invention se rapporte à un procédé de pilotage du traitement d'effluents dans une cuve de station d'épuration par la technique dite des boues activées, qui comprend le fait d'alterner, au sein de ladite cuve, des périodes d'aération et de non-aération (pause) au moyen d'une turbine et à mesurer, au sein de ladite cuve, le potentiel d'oxydo-réduction (Potentiel Rédox) desdits effluents. De manière particulièrement remarquable, ce procédé consiste à calculer en continu les valeurs des dérivées première et seconde de la courbe Potentiel Rédox = f(temps) et à arrêter ladite turbine lorsque ces valeurs sont respectivement positive et égale à zéro. En pratique, lorsque lesdites valeurs sont respectivement positive et égale à zéro, cela correspond à un point d'inflexion ascendant de la courbe potentiel Rédox = f(temps) qui traduit la disparition des ions ammonium du milieu et une concentration maximale en nitrates (fin de la réaction de nitrification). Par ailleurs, selon d'autres caractéristiques avantageuses mais non limitatives de ce procédé: - il consiste également à mesurer en continu l'amplitude de variation A Rédox du potentiel Rédox en fonction du temps, et, à défaut d'obtenir les valeurs desdites dérivées respectivement positive et égale à zéro, à arrêter ladite turbine lorsque la valeur de A Rédox est égale à 5 mV pendant au moins 5 minutes; - on calcule la moyenne A des trois valeurs maximales de potentiel Rédox obtenues sur une période de 24 heures et l'on assure le redémarrage de la turbine lorsque la valeur C de Potentiel Rédox mesurée vérifie la relation: C = A - 150 mV, avec C et A enmV; - on calcule en continu la valeur de la concentration en oxygène dissous des effluents et l'on assure le redémarrage de la turbine lorsque cette valeur est égale à zéro pendant 15 minutes; - la durée DA des périodes d'aération est comprise entre 15 et 60 minutes lorsque la DCO des effluents est supérieure à 900, ou entre 15 et 30 minutes lorsque la DCO des effluents est inférieure à 300; - la durée Dp des périodes de pause est comprise entre 15 et 60 minutes lorsque le DCO des effluents est supérieure à 900 ou entre 15 et 120 minutes lorsque le DCO des effluents est inférieure à 300. L'invention concerne également un automate pour la mise en oeuvre du procédé décrit plus haut. Il se caractérise essentiellement par le fait qu'il comporte: - au moins une sonde de mesure du potentiel Rédox au sein de ladite cuve; - un microprocesseur au moins apte à enregistrer en continu les mesures de potentiel données par la sonde en fonction du temps et à en calculer les dérivées première et seconde, puis à envoyer au moteur d'actionnement de la turbine d'aération une information visant à provoquer son arrêt lorsque les valeurs de ces dérivées sont respectivement positive et égale à zéro. Par ailleurs, selon d'autres caractéristiques avantageuses mais non limitatives de cet automate: - ledit microprocesseur est apte à mesurer en continu l'amplitude de variation A Rédox du Potentiel Rédox en fonction du temps, et, à défaut d'obtenir les dites dérivées respectivement positive et égale à zéro, à envoyer au moteur d'actionnement de la turbine d'aération une information visant à provoquer son arrêt lorsque la valeur Rédox est égale à 5 mV pendant 5 minutes; - ledit microprocesseur est apte à calculer la valeur moyenne A des trois valeurs maximales de potentiel Rédox obtenues sur une période de 24 heures, et à envoyer au moteur d'actionnement de la turbine d'aération une information visant à provoquer le démarrage de la turbine lorsque la valeur C du Potentiel Rédox vérifie la relation: C = A - 150 mV, avec C et A en mV; - il comporte également au moins une électrode de mesure de la concentration en oxygène dissous des effluents et le microprocesseur est apte à envoyer une information au moteur de ladite turbine visant à provoquer son démarrage lorsque cette valeur est égale à zéro pendant 15 minutes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation préférentiel. Cette description sera faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma montrant l'implantation des différents équipements d'une station d'épuration fonctionnant par la technique des boues activées; - la figure 2 est un schéma plus précis montrant la structure de bassins dits d'aération - brassage et de clarification; - la figure 3 est une vue de face d'une turbine d'aération; - la figure 4 est une courbe de type montrant les mesures de potentiel d'oxydo-réduction en fonction du temps; - la figure 5 est un schéma montrant l'implantation de l'automate au sein d'une station d'épuration et ses connexions aux différents équipements desquels il reçoit ou communique des informations. Dans l'ensemble de la présente demande, on entend par DCO, la "demande chimique en oxygène" qui traduit la consommation en oxygène des effluents dans des conditions d'oxydation en présence d'acide sulfurique. La station d'épuration, de type connu, au sein de laquelle le procédé de la présente invention est susceptible d'être mis en oeuvre, est représentée schématiquement à la figure 1. Elle comporte une première cuve 1 dite de relevage dont la fonction est de recevoir et stocker les effluents pollués E à traiter. En aval est prévu un dispositif de dégrillage 2 qui consiste en un bac pourvu d'une grille. Cette grille a pour fonction d'éliminer les polluants volumineux qui pourraient occasionner des problèmes de fonctionnement dans les différentes parties de la station d'épuration. Ces grilles sont à nettoyage manuel ou automatique. On a représenté par des flèches f les différentes connexions entre les bacs et cuves qui équipent la station. Les effluents ainsi "dégrillés " sont dirigés vers une cuve ou bac "d'aérationbrassage" 3 au sein de laquelle les boues activées réalisent le processus de transformation des matières polluantes. Comme cela est visible particulièrement aux figures 1, 2 et 3, la cuve 3 est équipée d'une turbine d'aération 4 de type connu, pourvue d'un moteur 40, d'un arbre d'entraînement 41 et de pales de brassage 42. L'ensemble est fixé au-dessus de la cuve 3 par des moyens non représentés, de telle manière que les pales 42 se trouvent toujours légèrement au-dessous du niveau N d'effluents contenus dans la cuve. La cuve 3 est reliée par une canalisation à un bac clarificateur 5, dans lequel une partie des effluents traités E et des boues activées B sont admis périodiquement, en vue d'une séparation par décantation. Les effluents traités sont alors évacués (flèche h, figure 2) pour d'éventuels traitements additionnels, tandis qu'une partie des boues B est ramenée dans lacuve 3 (flèche g) et la partie restante évacuée en cuve de stockage 6 (flèche g'). De manière connue, on a proposé, ainsi que cela a été évoqué dans l'introduction de la présente description, de suivre le processus de transformation des polluants des effluents par mesure du potentiel d'oxydo-réduction (Rédox) au sein des effluents. Nous vous rappelons brièvement que la tension d'une électrode de mesure est exprimée par référence à celle d'une seconde électrode qu'on choisit de manière à ce que son potentiel reste constant dans les conditions de mesure. Elle est appelée "électrode de référence" ou "électrode impolarisable". La différence de potentiel est mesurée à l'aide d'un millivoltmètre à forte impédance d'entrée (plus de 1012 Q). En pratique cette fonction est assurée par un boîtier "transmetteur Rédox". Cette technique est pratiquée pour que les conditions d'équilibre de l'électrode soient préservées et que l'électrode de référence garde un potentiel bien défini. Les trois principales électrodes de référence sont: - l'électrode à hydrogène normale (EHN) où siège l'équilibre: H+ + e- -, 1/2H2; - l'électrode au calomel Hg/Hg2Cl2, siège de l'équilibre: Hg2Cl2 + 2e- > 2Hg + 2Cl - l'électrode Ag/AgCl, siège de l'équilibre: AgCl + e- o Ag + Cl-. L'électrode de référence universelle est l'électrode standard à hydrogène (EHN) dont l'usage est limité aux laboratoires d'essais. Pour les usages courants, on préfère les électrodes plus maniables. Dans les essais décrits ci-après, une électrode de référence au chlorure d'argent (AglAgCl) a été utilisée. La relation qui lie EH(EHN) à E(AglAgCl) mesuré à 20"C et pour une concentration de KC1 de 3M est la suivante: EH = E(Ag(AgcI) + 0,210. Il y a donc un décalage de +910 mV en faveur de l'électrode (AglAgCl). L'électrode de mesure est souvent constituée de platine dont la fonction est isolée du milieu de mesure par un tube scellé (MATHIEU J.L., 1986). Les tensions d'électrode sont souvent ramenées au potentiel de l'électrode à hydrogène normale: Eo = OmV par convention. Les électrodes comme l'électrode Ag/AgCl par exemple, ont l'inconvénient d'être des électrodes attaquables. Elles sont constituées d'un métal recouvert d'un sel peu soluble de ce métal, plongé dans une solution contenant l'anion de ce sel à une concentration bien définie (HEDUIT A. et al, 1987). A la figure 4 est représentée une courbe type enregistrée au sein d'une station d'épuration telle que celle qui vient d'être décrite, traduisant la variation de potentiel d'oxydo-réduction en fonction du temps. Globalement, il a été constaté que la courbe du Rédox suit les variations dues à la succession d'aération (montée du Rédox) et de non-aération ou pause (chute du Rédox). La demanderesse a découvert qu'il existait une corrélation entre les périodes d'aération, le Rédox, la concentration en ions ammonium et en nitrate. En d'autres termes, la demanderesse a découvert qu'il était possible d'asservir l'arrêt du fonctionnement de la turbine d'aération au point d'inflexion ascendant I de la courbe Rédox = f (temps). Ce point d'inflexion correspond à la situation dans laquelle la valeur de la dérivée première de la courbe Rédox = f(temps) est positive, tandis que la valeur de la dérivée seconde est égale à zéro. C'est pourquoi le procédé selon l'invention consiste à calculer en continu les valeurs des dérivées première et seconde de la courbe potentiel Rédox = f (temps) et à arrêter ladite turbine lorsque ces valeurs sont respectivement positive et égale à zéro. Il existe cependant des situations dans lesquelles un tel point d'inflexion ne peut pas être détectée. C'est notamment le cas lorsqu'une certaine quantité d'effluent à traiter, de qualité fluctuante, entre la cuve dans laquelle la mesure de Rédox est en cours de réalisation. C'est aussi le cas quand l'aération par la turbine est insuffisante pour assurer un transfert correct d'oxygène. On obtient alors directement un plateau repéré par la lettre P sur la courbe de la figure 4. Dans une telle hypothèse, le procédé selon l'invention consiste également à mesurer en continu l'amplitude de variation A Rédox en fonction du temps, et à défaut d'obtenir des valeurs desdites dérivées respectivement positive et égale à zéro, à arrêter la turbine d'aération lorsque la valeur A Rédox est égale à 5mV pendant 5 minutes. La remise en route de la turbine (remontée du Rédox) est opérére dans les conditions suivantes. On calcule la valeur moyenne A des trois valeurs maximales de potentiel Rédox obtenues pendant 24 heures et on assure le redémarrage de la turbine quand la valeur C de potentiel Rédox vérifie la relation C = A - 150 mV (avec C et A en mV) Une autre solution consiste à calculer en continu la valeur de la concentration en oxygène dissous des effluents et à assurer le redémarrage de la turbine quand cette valeur est inférieure à zéro pendant 15 minutes. En tout état de cause et selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les durées DA et Dp d'aération et de pause, qui correspondent respectivement aux périodes pendant lesquelles la turbine fonctionne et est arrêtée, satisfont aux relations suivantes: 15 minutes et 15 minutes 15 minutes et 15 minutes L'invention concerne également un automate pour la mise en oeuvre de ce procédé. Il a pour fonction d'assurer lui-même la gestion et le pilotage du procédé selon l'invention. Pour ce faire et selon une caractéristique particulière de l'invention, il comporte: - au moins une sonde de mesure du potentiel Rédox au sein de ladite cuve; - un microprocesseur au moins apte à enregistrer en continu les mesures de potentiel données par la sonde, à en calculer les dérivées première et seconde et à envoyer au moteur d'actionnement de la turbine d'aération une information visant à provoquer son arrêt lorsque les valeurs de ces dérivées sont respectivement positives et égales à zéro. On a représenté à la figure 5, l'implantation d'un tel automate A aussi d'une station d'épuration mettant en oeuvre la technique des boues activées. Les références numériques 1 à 6 utilisées sur cette figure correspondent aux équipements décrits en référence aux figures 1 à 3. Les références P1 et P2 désignent respectivement des pompes qui équipent des canalisations entre le bac clarificateur 5 et la cuve 3 d'une part, et entre le bac clarificateur 5 et le bac 6 de stockage des boues mises au rebut. La revendication 7 désigne la ou les sondes qui équipent la cuve 3. On a représenté par des flèches en traits mixtes les connexions de l'automate aux différents équipements de la station. Ainsi, l'automate est apte à vérifier le bon fonctionnement du poste de relevage ou celui de la pompe P2. Il comprend également des moyens aptes à délivrer un diagnostic dans le cas d'un problème de fonctionnement d'un de ces équipements. A l'aide du micro-processeur, l'automate est apte également à assurer toutes les fonctions de calcul précitées et à piloter notamment la turbine 4 en place dans la cuve 3. De cette facçon, on assure un pilotage automatisé et complet de la station d'épuration. REVENDICATIONS 1. Procédé de pilotage du traitement d'effluents dans une cuve (3) de station d'épuration par la technique dite des boues activées, qui comprend le fait d'alterner, au sein de ladite cuve (3), des périodes d'aération et de non-aération (pause) au moyen d'une turbine (4) et à mesurer, au sein de ladite cuve (3), le potentiel d'oxydoréduction (potentiel Rédox) desdits effluents, caractérisé par le fait qu'il consiste à calculer en continu les valeurs des dérivées première et seconde de la courbe potentiel Rédox = f (temps) et à arrêter ladite turbine (4) lorsque ces valeurs sont respectivement positive et égale à zéro. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il consiste également à mesurer en continu l'amplitude de variation A Rédox du potentiel Rédox en fonction du temps, et, à défaut d'obtenir les valeurs desdites dérivées respectivement positive et égale à zéro, à arrêter ladite turbine lorsque la valeur de A Rédox est égale à 5 mV pendant au moins 5 minutes. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'on calcule la valeur moyenne A des trois valeurs maximales de potentiel Rédox obtenues sur une période de 24 heures et que l'on assure le redémarrage de la turbine lorsque la valeur C de potentiel Rédox mesurée vérifie la relation: C = A - 150 mV, avec C et A en mV. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'on calcule en continu la valeur de la concentration en oxygène dissous des effluents et que l'on assure le redémarrage de la turbine lorsque cette valeur est égale à zéro pendant 15 minutes. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que la durée DA des périodes d'aération est comprise entre 15 et 60 minutes lorsque la DCO des effluents est supérieure à 900, ou entre 15 et 30 minutes lorsque la DCO des effluents est inférieure à 300. 6. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que la durée Dp des périodes de pause est comprise entre 15 et 60 minutes lorsque le DCO des effluents est supérieure à 900 ou entre 15 et 120 minutes lorsque le DCO des effluents est inférieure à 300. 7. Automate de pilotage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il comporte: - au moins une sonde (7) de mesure du potentiel Rédox au sein de ladite cuve (3); - un microprocesseur au moins apte à enregistrer en continu les mesures de potentiel données par la sonde (7), à en calculer les dérivées première et seconde et à envoyer au moteur d'actionnement (40) de la turbine d'aération (4) une information visant à provoquer son arrêt lorsque les valeurs de ces dérivées sont respectivement positive et égale à zéro. 8. Automate selon la revendication 7, pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit microprocesseur est apte à mesurer en continu l'amplitude de variation A Rédox du potentiel Rédox en fonction du temps, et, à défaut d'obtenir les valeurs desdites dérivées respectivement positive et égale à zéro, à envoyer au moteur (40) d'actionnement de la turbine d'aération (4) une information visant à provoquer son arrêt lorsque la valeur Rédox est égale à 5 mV pendant 5 minutes. 9. Automate selon la revendication 7 ou 8, pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit microprocesseur est apte à calculer la moyenne A des trois valeurs maximales de potentiel Rédox obtenues sur une période de 24 heures, et à envoyer au moteur d'actionnement (40) de la turbine d'aération (4) une information visant à provoquer le démarrage de la turbine lorsque la valeur C du potentiel Rédox vérifie la relation: C = A - 150 mV, avec C et A en mV. 1 0. Automate selon l'une des revendications 7 à 9, pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comporte également au moins une électrode de mesure de la concentration en oxygène dissous des effluents et que le microprocesseur est apte à envoyer une information au moteur (40) de ladite turbine (4) visant à provoquer son démarrage lorsque cette valeur est égale à zéro pendant au moins 15 minutes.