Brevet FR2756273A1 — 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 bactéries 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 DIBO5 (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: En tenant compte de la synthèse simultanée de la biomasse (C5H7N02), la réaction devient: NH4+ + 1,8302 + 1,98HC03- o 0,021C5H7NO2 + 0,98N03- + 1,041H20 + 1 ,88H2C03. 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 + 512 2 + 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). 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 Eo: 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) Réd: 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+ ; 02/OH NH4+/N02-/N03-, 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 positives et que la valeur de la dérivée seconde est supérieure à un seuil prédéterminé. En pratique, lorsque lesdites valeurs sont positives, 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). Mathématiquement, un point d'inflexion est caractérisé par une annulation de la dérivée seconde de la fonction décrivant le graphe étudié, avec changement de signe. Ce qui macroscopiquement correspond à un franchissement net est, en fait, une zone d'instabilité autour de zéro. Par ailleurs, selon d'autres caractéristiques avantageuses mais non limitatives de ce procédé: - il consiste également à mesurer en continu la concentration en oxygène dissous dans lesdits effluents, à calculer les valeurs de la dérivée première de la courbe concentration en oxygène dissous = f(temps) et, lorsque ladite concentration est supérieure à 1,5 mg 02/1, à n'arrêter ladite turbine que si et seulement si ladite valeur de dérivée première est positive et supérieure à un seuil prédéterminé; - la remise en route de ladite turbine est effectuée lorsque les dérivées première et seconde de la courbe Potentiel Rédox = f(temps) sont négatives et que la valeur de la dérivée seconde est inférieure à un seuil prédéterminé. 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 positives et que la valeur de la dérivée seconde est supérieure à un seuil prédéterminé. Par ailleurs, selon d'autres caractéristiques avantageuses mais non limitatives de cet automate: - il comporte également une sonde de mesure de la concentration en oxygène dissous au sein de la cuve et le processeur est également apte à enregistrer en continu les mesures de concentration données par la sonde, à en calculer la dérivée première et, lorsque ladite concentration est supérieure à 1,5 mg 02/1, à envoyer au moteur d'actionnement de la turbine d'aération une information visant à provoquer son arrêt si et seulement si ladite valeur de dérivée première est positive et supérieure à un seuil prédéterminé; - le processeur est également apte à envoyer au moteur d'actionnement de la turbine d'aération une information visant à ne provoquer sa mise en route que lorsque les dérivés première et seconde de la courbe Potentiel Rédox = f(temps) sont négatives et que la valeur de la dérivé seconde est inférieure à un seuil prédéterminé. 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 représente des courbes types de mesures de potentiel d'oxydoréduction et de concentration en oxygène dissous dans les effluents, 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 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'électrodeAg/AgCl, siège de l'équilibre: AgCl + e- 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 (Ag/AgCl) a été utilisée. La relation qui lie EH(EHN) à E(Ag/AgCl) mesuré à 20"C et pour une concentration de KC 1 de 3M est la suivante: EH = E(AglAgcl) + 0,210. il y a donc un décalage de +210 mV en faveur de l'électrode (Ag/AgCl). 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 en traits pleins, 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 (ordonnée) en fonction du temps (abscisse). 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 de la courbe Rédox = f(temps). 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 positives et que la valeur de la dérivée seconde est supérieure à un seuil prédéterminé. Le seuil est choisi de manière à ne pas tenir compte de variations non significatives du potentiel. L'homme du métier déterminera au cas par cas la valeur de ce seuil, notamment en fonction du taux de pollution des effluents à traiter. A la fin de la nitrification, lorsque les ions NH4+ ont été éliminés, la demande en oxygène des effluents est moins importante. On enregistre, dans le bassin, une remontée de la concentration en 2 dissous, qui induit une brusque variation du Potentiel Rédox. Dans certains cas de fonctionnement d'une station, la phase de nitrification peut se faire à des concentrations en 2 de l'ordre de 2 à 3 mg 02/1. Dans ces conditions d'aération, à la fin de la nitrification, l'élimination des ions NH4+ induit une remontée visible de la concentration en 02, mais le point d'inflexion sur le Potentiel Rédox est, quant à lui, masqué. C'est ce qui est représenté par la flèche I à la figure 4. En effet, il existe une relation du type logarithmique entre le Potentiel Rédox et la concentration en 02, du type: Potentiel Rédox = a + b Log (02). Ainsi lorsque l'on sort de la plage de forte sensibilité du Potentiel Rédox comprise entre 0 et 1 mg 02/1, une variation de la concentration en oxygène peut ne pas se répertorier sur le Potentiel Rédox. C'est pourquoi, selon une forme de réalisation particulière de l'invention, le procédé consiste également à mesurer en continu la concentration en oxygène dissous dans lesdits effluents, à calculer les valeurs de la dérivée première de la courbe concentration en oxygène dissous = f(temps) et, lorsque ladite concentration est supérieure à 1,5 mg 02/1, à n'arrêter ladite turbine que si et seulement si ladite valeur de dérivée première est positive et supérieure à un seuil prédéterminé. En quelque sorte, on détecte ainsi le "décrochage" de l'oxygène, caractéristique de la fin de la nitrification quelle que soit le niveau d'oxygénation. La figure 4 montre également, sous la forme d'une courbe en traits mixtes, la mesure de la concentration en oxygène dissous. La flèche J identifie la zone dans laquelle ladite dérivée première est positive. Selon une autre forme de réalisation de l'invention, la remise en route de la turbine est effectuée lorsque les dérivées première et seconde de la courbe Potentiel Rédox = f(temps) sont négatives et que la valeur de la dérivée seconde est inférieure à un seuil prédéterminé. Ceci correspond au point d'inflexion I' de la figure 4. Les seuils dont il est question plus haut seront déterminés, comme le précédent au cas par cas, par l'homme du métier. 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 positives et que la valeur de la dérivée seconde est supérieure à un seuil prédéterminé. On a représenté à la figure 5, l'implantation d'un tel automate A au sein 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. Les références 7 et 7' désignent 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 façon, 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 positives et que la valeur de la dérivée seconde est supérieure à un seuil prédéterminé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il consiste également à mesurer en continu la concentration en oxygène dissous dans lesdits effluents, à calculer les valeurs de la dérivée première de la courbe concentration en oxygène dissous = f(temps) et, lorsque ladite concentration est supérieure à 1,5 mg 02/1, à n'arrêter ladite turbine que si et seulement si ladite valeur de dérivée première est positive et supérieure à un seuil prédéterminé. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la mise en route de ladite turbine (4) est effectuée lorsque les dérivées première et seconde de la courbe Potentiel Rédox = f(temps) sont négatives et que la valeur de la dérivée seconde est inféneure à un seuil prédéterminé. 4. Automate de pilotage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 3, 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 positives et que la valeur de la dérivée seconde est supérieure à un seuil prédéterminé. 5. Automate selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comporte également une sonde (7') de mesure de la concentration en oxygène dissous au sein de ladite cuve (3) et que ledit processeur est également apte à enregistrer en continu les mesures de concentration données par la sonde (7'), à en calculer la dérivée première et, lorsque ladite concentration est supérieure à 1,5 mg 02/1, à envoyer au moteur d'actionnement (40) de la turbine d'aération (4) une information visant à provoquer son arrêt que si et seulement si ladite valeur de dérivée première est positive et supérieure à un seuil prédéterminé. 6. Automate selon la revendication 4 ou 5, caractérisé par le fait que ledit processeur est également apte à envoyer au moteur d'actionnement (40) de la turbine d'aération (4) une information visant à provoquer sa mise en route que lorsque les dérivés première et seconde de la courbe Potentiel Rédox = f(temps) sont négative et que la valeur de la dérivé seconde est inférieure à un seuil prédéterminé.