Brevet FR2769305A1 — publié le 19990409

L'invention concerne un procédé de contrôle et de gestion de la quantité de biomasse contenue dans une station de traitement biologique par boues activées d'eaux usées, municipales ou industrielles. En d'autres termes, I'invention a pour objectif un procédé permettant d'établir un inventaire de la biomasse contenue dans une telle station, cette information permettant, lorsqu'elle est couplée à la quantité de biomasse extraite de l'installation, de quantifier les flux de pollution (concentration x débit) reçus par la station de traitement. II est alors possible de maintenir ladite quantité de biomasse à un niveau optimal correspondant au meilleur état de fonctionnement possible de la station d'épuration. Conséquence des directives européennes, les techniques d'épuration actuellement mises en oeuvre, visent à limiter les rejets, dans le milieu naturel, d'eaux usées non traitées, les stations devant assurer le traitement de toutes les eaux collectées à l'exception des événements pluvieux exceptionnels. Les stations de traitement ont pour caractéristiques communes de mettre en oeuvre une épuration par boues activées comportant un bassin de traitement (par exemple bassin d'aération/couplé à un clarificateur), d'être dimensionnées sur la base de faibles charges DCO-DB0 et d'assurer une élimination plus ou moins complète de la pollution azotée. En outre, une fiabilité accrue des stations est exigée par les directives européennes et elle impose un suivi rigoureux des stations d'épuration et leur maintien dans le meilleur état de fonctionnement possible, avec un maximum de capacité épuratoire disponible. De plus, le rejet dans le milieu naturel d'un effluent de qualité constante est une contrainte additionnelle, surtout dans les cas (fréquents) où la charge polluante et le débit des eaux usées à traiter varient de manière très significative. On sait que le bassin de traitement d'une station d'épuration contient un mélange homogène eau + biomasse , appelé liqueur mixte. La concentration en biomasse dans le clarificateur varie dans l'espace et dans le temps. Ceci est dû au phénomène de décantation qui prend place dans le clarificateur. II s'ensuit une impossibilité d'estimer la quantité de biomasse contenue dans le clarificateur, et par suite d'estimer la quantité totale de biomasse contenue dans l'installation. Par suite, à ce jour, aucun dispositif connu d'exploitation et de conduite des installations de traitement d'eaux ne prend en compte la gestion de cette réserve de biomasse disponible, bien que l'ensemble des actions conventionnelles de pilotage des stations se traduise par une conservation de la biomasse, au moins dans le cas où ledit pilotage aboutit à un fonctionnement stable et équilibré desdites stations. La seule évaluation accessible à l'exploitant consiste à effectuer une mesure de la concentration en boues activées, à comparer le résultat de cette mesure à la valeur-guide de dimensionnement du fournisseur de l'installation, puis à régler, par approximations successives, I'extraction manuelle des boues afin de se rapprocher au maximum de cette valeur de consigne. On peut donc dire que l'état de l'art, dans ce domaine de l'invention des boues est particulièrement rudimentaire. Le problème du contrôle des masses de boues en clarification présente cependant une importance toute particulière. Une masse de boues trop importante dans un clarificateur induit dans un premier temps des conditions d'anoxie, avec un effet immédiat de dénitrification potentielle et donc l'apparition d'écumes en surface dudit clarificateur. Dans un second temps, les boues entrent dans des conditions d'anaérobie, dont les répercussions sont souvent désastreuses au niveau de la filière eau et du traitement des boues. En effet au niveau du traitement de l'eau, le développement de micro-organismes filamenteux est favorisé, ce qui génère, sur l'ensemble de la station, des problèmes de moussage et de mauvaise décantation des flocs (élévation de l'indice de Mohiman). Le risque d'entraînement des boues dans l'eau clarifiée est alors augmenté en cas d'à-coup hydraulique. Les conditions anaérobies sont de plus totalement incompatibles avec le procédé de déphosphatation biologique et, dans ce cas, le relargage du phosphore au niveau du clarificateur entraîne une non-conformité immédiate des rejets. Ces événements sont ainsi caractéristiques d'un dysfonctionnement majeur sur la filière eau. En parallèle et d'un point de vue économique direct, le traitement des boues n'est pas optimisé lorsque les propriétés de décantation des flocs sont médiocres et ce, quelle que soit la filière de traitement rencontrée. Les temps de fonctionnement des équipements de la filière de traitement des boues sont allongés, les siccités sont réduites et directement, les volumes de boues extraits sont augmentés pour une masse de matière sèche traitée identique. Une caractéristique commune aux stations biologiques d'épuration est le maintien de l'équilibre dynamique des systèmes, par l'intermédiaire d'une recirculation permanente de la biomasse épuratoire qui est successivement transférée du bassin d'aération vers le clarificateur, pour être ensuite recirculée depuis le clarificateur vers le bassin d'aération. Cette recirculation s'opère à l'aide d'une pompe dont la capacité détermine: - la quantité de biomasse qui peut être recirculée et, - indirectement, la masse de biomasse qui peut être maintenue dans l'installation sans risquer une suraccumulation dans le clarificateur. Dans des conditions d'équilibre du traitement d'épuration, une masse totale de biomasse présente dans une installation donnée autorise un débit maximal admissible dans l'installation au-delà duquel apparaît un phénomène de suraccumulation de biomasse dans le clarificateur. Ce phénomène a pour conséquence de maintenir pendant une durée prolongée la biomasse dans un milieu non aéré. II s'ensuit une dégradation de la biomasse due au manque d'oxygène auquel elle est soumise. Outre le préjudice causé à la biomasse, une suraccumulation de boues biologiques peut se traduire par un rejet de biomasse mélangé à l'eau traitée et donc à des non-conformités au plan de la teneur en matières en suspens ion des rejets en milieu naturel. L'adaptation de la masse de boues dans une installation en fonction du débit maximal susceptible d'arriver à un instant est donc essentielle à la préservation du milieu naturel. Cette adaptation nécessite un système de contrôle capable d'évaluer avec une fréquence suffisamment élevée la masse totale de biomasse contenue dans l'installation. C'est là l'un des objectifs de la présente invention. D'autre part l'expérience montre que la charge massique (définie comme le flux de pollution à traiter rapporté à la quantité de biomasse présente dans l'installation) est un paramètre déterminant pour la qualité de l'eau traitée. Une charge massique trop élevée peut induire une mauvaise qualité de l'eau traitée. N'ayant aucun moyen de contrôle sur le flux de pollution à traiter l'exploitant d'une station d'épuration doit cependant pouvoir modifier la charge massique de son installation et le seul paramètre adaptable est la variation de la quantité de biomasse présente dans ladite installation. La connaissance de la masse totale de biomasse présente dans l'installation est donc une information déterminante dans la conduite du procédé biologique d'épuration. Le respect des nouvelles normes européennes sur les milieux sensibles impose de concevoir des installations qui ne dépassent jamais leur charge nominale. Cette contrainte a pour conséquence des fonctionnements fréquents de l'installation à des charges hydrauliques sensiblement inférieures au nominal. Ceci est notamment le cas au cours des nuits. Pendant ces périodes le débit entrant dans l'installation est faible alors que le débit recirculé depuis le clarificateur vers le bassin d'aération, même s'il diminue, doit rester au moins égal à une valeur imposée par des pompes de recirculation et d'hydraulique du clarificateur. II s'ensuit un transfert de la masse de boues depuis le clarificateur vers le bassin d'aération, la masse de la biomasse contenue dans le clarificateur devenant négligeable par rapport à la masse contenue dans le bassin d'aération. L'étude de l'évolution de la concentration en biomasse dans le bassin d'aération permet de visualiser ce phénomène. Cette grandeur passe en effet périodiquement par des maxima relatifs correspondant aux périodes de sous-régime hydraulique. La valeur de la concentration obtenue lors de ces maxima donne, par multiplication par le volume de bassin d'aération, une estimation de la masse totale de biomasse contenue dans la station d'épuration. En conséquence, le procédé de contrôle du stock de biomasse objet de l'invention est caractérisé par l'utilisation des variations du régime hydraulique imposées par les variations du débit d'eau à traiter pour évaluer la quantité totale de boues présentes dans l'installation de traitement biologique, cette évaluation, effectuée par une mesure de la quantité de matières en suspens ion dans le bassin d'aération de l'installation, étant réalisée pendant les périodes de sous-régime hydraulique auxquelles correspondent les maxima de concentration en biomasse dans ledit bassin, la valeur de ladite concentration donnant, une fois multipliée par le volume dudit bassin, une estimation de la masse totale de biomasse contenue dans l'installation d'épuration. La figure unique du dessin annexé schématise l'installation dans laquelle le procédé de l'invention est mis en oeuvre. Le principe de la conservation de la matière indique que l'évolution de la masse de biomasse contenue dans l'installation est égale à la quantité de biomasse générée dans ladite installation diminuée de la quantité de biomasse extraite par l'exploitant et de la quantité de biomasse accidentellement rejetée dans le milieu naturel. Dans la mesure où aucun rejet accidentel n'est constaté (par exemple par une mesure de turbidité de l'effluent traité) et où l'exploitant connaît la quantité de biomasse qu'il a extrait (mesure de concentration et de débits d'extraction), il est possible de déduire de l'évolution du stock de biomasse la quantité de biomasse produite par le système. On peut alors estimer, à partir de cette grandeur, la quantité de pollution reçue par l'installation. Comme on l'a précisé ci-dessus, le procédé objet de l'invention permet d'estimer la masse totale de biomasse contenue dans la station d'épuration et la quantité de pollution reçue par cette dernière. A partir de cette valeur, le procédé permet également de choisir le débit d'extraction de la biomasse de façon à ajuster la masse totale de biomasse en fonction de la quantité de pollution reçue, le rapport de ces deux grandeurs devant être maintenu constant pour obtenir une qualité de traitement stable. D'autre part, le débit d'extraction de biomasse doit être géré de façon telle que le stock de biomasse ne dépasse pas une valeur maximale au-delà de laquelle le risque de rejet accidentel de biomasse mélangée à l'effluent traité devient trop important. En choisissant de façon appropriée le débit d'extraction de la biomasse, on peut obtenir une qualité de traitement stable et qui limite les risques de rejets accidentels de biomasse dans le milieu naturel. On notera que la technique de contrôle mise en oeuvre par le procédé de l'invention ne nécessite qu'une sonde à matières en suspension pour déduire la quantité totale de biomasse présente dans l'installation de traitement. II en découle que cette information essentielle peut être obtenue à moindre coût et avec une périodicité suffisante pour une bonne gestion de l'installation. II demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et/ou représentés mais qu'elle en englobe toutes les variantes qui entrent dans le cadre de la portée des revendications annexées REVENDICATIONS 1 - Procédé de contrôle et de gestion du stock de biomasse d'installations de traitement biologique par boues activées d'eaux usées, municipales ou industrielles, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser les variations de régime hydraulique imposées par les variations du débit d'eau à traiter pour évaluer la quantité totale de boues présente dans l'installation, cette évaluation, effectuée par une mesure de la quantité de matières en suspension dans le bassin d'aération de l'installation, étant réalisée pendant les périodes de sous-régime hydraulique auxquelles correspondent les maxima de concentrations en biomasse dans ledit bassin, la valeur de ladite concentration donnant, par multiplication par le volume du bassin, une estimation de la masse totale de biomasse ou stock de biomasse, contenue dans l'installation de traitement. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on détermine la quantité de biomasse produite par l'installation, donnant une estimation de la quantité de pollution reçue par ladite installation, à partir de l'évolution de la masse de biomasse contenue dans ladite installation, cette dernière étant égale à la quantité de biomasse générée dans l'installation diminuée de la quantité de biomasse extraite par l'exploitant. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'on détermine le débit d'extraction de la biomasse de l'installation de façon à ajuster la masse totale de la biomasse contenue dans l'installation en fonction de la pollution reçue par l'installation. 4 - Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'on maintient constant le rapport entre la masse totale de la biomasse contenue dans l'installation et le débit d'extraction de la biomasse de l'installation. 5 - Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4 caractérisé en ce que le débit d'extraction de la biomasse est géré de manière que le stock de biomasse ne dépasse pas une valeur maximale au-delà de laquelle le risque de rejet accidentel de biomasse mélangée à l'effluent traité devient trop important.