Brevet FR2769306A1 — publié le 19990409

La présente invention concerne un procédé d'évaluation de la biomasse contenue dans des bassins d'installations de traitement biologique d'eaux usées, notamment en vue de contrôler l'efficacité du système d'aération de tels bassins. Le procédé selon l'invention est basé sur la mesure de l'activité respiratoire de la biomasse épurante et il s'applique au cas où l'aération du bassin s'opère par des séquences de marchelarrêt du système d'aération, autorisant ainsi une régulation des systèmes biologiques, aérobies, qui est fondée sur différentes mesures physiques présentant l'avantage d'être rapidement accessibles et donc de se prêter à une régulation en ligne. Ces mesures physiques portent selon l'invention sur: - la concentration en oxygène dissous dans le bassin d'aération - la concentration en boues activées de la liqueur mixte contenue dans ce bassin d'aération et, - le débit de l'effluent traversant le bassin d'aération, (Qt + Qr) A partir de ces données, I'invention permet d'accéder à toute une série d'informations fondamentales sur l'état de la station d'épuration qui dérivent en fait de la caractéristique consommation d'oxygène par kilo de matières en suspension (boues) et par heure qui constitue une valeur représentative d'une activité respiratoire de la biomasse, le rapport MV (matières volatiles) / MeS (matières en suspension) étant sensiblement constant. Ces informations sur le fonctionnement de la station de traitement peuvent être par exemple: - la demande en oxygène des boues, qui permettra de fournir l'aération adéquate à la station d'épuration; - la détection de surcharges de pollution par rapport à la capacité biologique épuratoire présente dans le bassin et donc les risques de fonctionnement dégradé de la station, - les ajustements du débit d'extraction des boues, en fonction de cette caractéristique fondamentale qui est I'âge des boues et des valeurs qu'elle doit prendre selon que l'exploitant souhaite ou non favoriser l'élimination de la pollution azotée en conjonction avec la pollution carbonée. Conséquence des directives européennes, les techniques actuellement mises en oeuvre dans les stations d'épuration d'eaux usées, visent à limiter les rejets dans le milieu naturel d'eaux usées non traitées, ces stations devant assurer le traitement de toutes les eaux collectées, à l'exception de celles résultant des événements pluvieux exceptionnels. De telles stations de traitement ont pour caractéristique commune de mettre en oeuvre une installation d'épuration par boues activées comportant un bassin d'aération dans lequel s'opère un transfert d'oxygène vers le mélange eau + biomasse, ce transfert étant nécessaire au développement de la biomasse épurante. En outre, les directives européennes mentionnées ci-dessus exigent une fiabilité accrue des stations d'épuration et elles imposent donc un suivi rigoureux du fonctionnement de celles-ci et leur maintien dans le meilleur état de fonctionnement possible, avec un maximum de capacité épuratoire disponible. Le rejet dans le milieu naturel d'un effluent de qualité constante est à respecter dans un contexte où la composition des eaux usées à traiter varie de manière très importante, tant en ce qui concerne la charge polluante que le débit. II est donc nécessaire, pour maintenir la station d'épuration dans le meilleur état de fonctionnement possible, d'adapter en permanence les critères d'exploitation pour répondre aux modifications des contraintes d'exploitation du traitement biologique. Les nouveaux critères d'exploitation, choisis à la suite de ces adaptations, ne doivent pas détériorer la qualité de la biomasse. En effet, le maintien d'une biomasse de bonne qualité dans le traitement biologique est essentiel afin d'assurer l'avenir du bon fonctionnement de l'unité de traitement. Un contrôle fréquent de la qualité de la biomasse fournit donc une information importante pour la conduite du procédé. Cette qualité est essentiellement reflétée par l'activité respiratoire de la biomasse. A ce jour, la conduite des installations ne prend que rarement en compte, L'activité respiratoire de la biomasse, au moins sur la base d'un contrôle continu de ladite activité respiratoire et de son exploitation aux fins d'ajustement du fonctionnement des stations. On se contente souvent de réaliser des extractions cycliques temporisées des boues, afin de maintenir un âge de boues calculé compatible avec les traitements requis. On utilise également des automates de régulation utilisant les informations d'une sonde ou d'un respiromètre, mais, dans tous les cas, les mesures sont effectuées sur des échantillons prélevés sur la station et analysés en milieu confiné extérieur, L'exemple le plus classique étant la mesure de respirométrie type Warburg. De tels systèmes peuvent, de par leur logique, engendrer une sousoxygénation chronique de la biomasse. En effet les automates réalisent une régulation ou un asservissement à partir de mesures effectuées dans un milieu favorable au développement des échantillons de biomasse et ne prenant donc pas en compte les conditions réelles de fonctionnement des bassins d'épuration : ceci peut conduire à des évaluations optimistes de la qualité de la biomasse et, par conséquent, perturber la réponse de l'automate. Un autre cas de sous oxygénation chronique peut survenir, par exemple, pour les systèmes de régulation de l'aération reposant sur une mesure de potentiel d'oxydoréduction et installés sur les stations comportant une déphosphatation physico-chimique des effluents L'invention se propose d'apporter un procédé d'évaluation de l'activité respiratoire de la biomasse ne présentant pas les inconvénients des solutions de l'art antérieur en effectuant cette évaluation in situ et in vivo de manière à être parfaitement représentative des conditions de vie dans les bassins d'épuration. Le procédé d'évaluation et de contrôle de la biomasse contenue dans le bassin biologique de traitement d'eaux usées selon l'invention est caractérisé en ce qu'il utilise les séquences de marche/arrêt du système d'aération des bassins de traitement, imposées par la conduite de procédé pour estimer la respiration de la biomasse, celleci étant mesurée au cours des phases de non aération selon les étapes suivantes: a) détermination, avec une sonde de mesure de la concentration en oxygène dissous, de l'évolution de la quantité d'oxygène contenue dans le bassin d'aération c'est-à-dire sa diminution en fonction de l'activité respiratoire de la boue biologique ou biomasse épurante du bassin; b) détermination de la quantité d'oxygène sortant du bassin d'aération, la quantité d'oxygène entrant dans le bassin au cours de la phase de non-aération, étant considérée comme nulle; c) détermination, à partir des informations recueillies lors des étapes a) et b) de la capacité respiratoire de la biomasse épurante; d) détermination de la masse de matières en suspens ion dans les boues à l'aide d'un capteur de concentration en boues; e) calcul, à partir de la capacité respiratoire de la biomasse et de la concentration en boues, de la quantité d'oxygène consommée par unité de masse de boue biologique et par unité de temps, c'est-à-dire de l'activité respiratoire spécifique de la biomasse épurante. Selon l'invention, L'activité respiratoire spécifique de la biomasse ainsi calculée est utilisée pour réajuster les paramètres de fonctionnement de la station d'épuration. La figure unique du dessin annexé est une représentation schématique d'une installation d'épuration mettant en oeuvre le procédé de l'invention et montrant la localisatin des sondes de mesure de l'oxygène et des matières en suspension. La sonde utilisée pour la mesure de l'oxygène peut être, par exemple, une sonde polarographique mesurant la concentration en oxygène dissous à l'aide d'un couple de métaux nobles plongé dans un électrolyte qui produit un courant électrique dont l'intensité dépend de la concentration en oxygène dissous. La masse de matières en suspens ion dans les boues activées est mesurée par une sonde MeS par exemple du type mettant en oeuvre une mesure d'absorption infrarouge qui est corrélée à la concentration de matières en suspension. Par ailleurs, la technique de contrôle utilisée dans l'invention, ne nécessite qu'un seul débitmètre pour mesurer le débit Qt + Qr traversant le bassin d'aération, une sonde à oxygène dissous et une sonde de mesure de la concentration en matières en suspension pour déterminer l'activité respiratoire spécifique de la biomasse épurante (Figure 1) . Ladite invention repose sur l'analyse du fonctionnement normal de l'installation, en l'absence de toute modification des conditions opératoires, toutes les mesures étant effectuées in situ et in vive. Cette caractéristique distingue l'invention de nombreux autres dispositifs déjà développés [ Evaluation of activated sludge oxygen uptake rate test procedures ; Chiesa S.C., Rieth M.G., Ching T.E.K.L; Journal of Environnmental Engineering, 116, N" 3, 472-486; 1990]. En effet, ces matériels requièrent en général l'utilisation de cellules de mesure particulières (respiromètres) ou de techniques difficiles à mettre en place et nécessitant l'intervention permanente de techniciens analystes spécialisés, telle la méthode du bilan-gaz . Une autre caractéristique avantageuse de la présente invention est de réaliser la mesure in-situ ce qui permet de prendre en compte l'influence de la biomasse sur la quantité d'oxygène transférée. En ce qui concerne les domaines d'application de la présente invention, on peut citer, sans que cette liste soit limitative, les applications suivantes - la connaissance de la respiration permet de modifier le paramétrage du système de régulation de l'aération. Une mesure de la respiration de la biomasse permet alors de détecter la dérive éventuelle du système d'épuration et de réajuster les paramètres du dispositif de régulation - la connaissance de la respiration de la biomasse peut permettre de contrôler le rythme d'extraction de ladite biomasse. En effet, le taux d'extraction conditionne l'âge de la biomasse et par suite la respiration. Un taux d'extraction anormalement élevé ou une augmentation trop rapide de ce taux impliquerait des âges de boues trop faibles et donc des valeurs anormalement élevées de la respiration. - la détection de pollutions accidentelles : toute variation anormale, notamment une augmentation anormale de la respiration de la biomasse peut également être révélatrice de l'arrivée d'une pollution accidentelle. Une telle pollution peut, si elle est susceptible de mettre en danger le fonctionnement futur de l'installation, donner lieu à l'arrêt de l'alimentation de la station d'épuration et l'envoi de l'effluent suspect vers une autre destination 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 d'évaluation et de contrôle de la biomasse contenue dans les bassins biologiques d'une station de traitement des eaux usées caractérisé en ce qu'il utilise les séquences de marche/arrêt du système d'aération des bassins de traitement, imposées par la conduite du processus de traitement, pour estimer la respiration de la biomasse, celle-ci étant mesurée au cours des phases de non-aération, selon les étapes suivantes: a) détermination à l'aide d'une sonde de mesure de la concentration en oxygène dissous, de l'évolution de la quantité d'oxygène contenue dans le bassin d'aération, c'est-à-dire de sa diminution en fonction de l'activité respiratoire de la boue biologique ou biomasse épurante du bassin, b) détermination de la quantité d'oxygène sortant du bassin d'aération, la quantité d'oxygène entrant dans le bassin au cours de la phase de non-aération étant considérée comme nulle; c) détermination, à partir des informations recueillies lors des étapes a) et b) de la capacité respiratoire de la biomasse épurante; d) détermination de la masse de matières en suspension dans la biomasse épurante à l'aide d'un capteur de concentration en boues; e) calcul, à partir de la capacité respiratoire de la biomasse et de la concentration en boues, de la quantité d'oxygène consommée par unité de masse de boue biologique et par unité de temps, c'est-à-dire de l'activité respiratoire spécifique de la biomasse épurante. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la sonde de mesure de la concentration en oxygène dissous est une sonde polarographique. 3 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la sonde utilisée pour mesurer la concentration en matières en suspens ion dans la biomasse met en oeuvre une mesure d'absorption infrarouge qui est corrélée à la concentration de matières en suspension. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'activité respiratoire spécifique de la biomasse épurante est utilisée pour réajuster les paramètres de fonctionnement de la station d'épuration, plus particulièrement le para métrage de son système en régulation. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'activité respiratoire de la biomasse est utilisée pour contrôler le rythme d'extraction de la biomasse. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'activité respiratoire de la biomasse est utilisée pour détecter des pollutions accidentelles en décelant tout variation anormale de la respiration de la biomasse.