Brevet FR2795713A1 — publié le 20010105

La présente invention concerne d'une façon générale la conduite d'installations de traitement d'eaux résiduaires urbaines, sur la base d'indications relatives aux charges polluantes mesurées à l'entrée de la station de traitement, sous forme de valeurs de conductivité, de turbidité et de débit : une illustration pratique en est donnée pour une station de traitement par boues activées, pour la déphosphatation physico-chimique d'une eau brute, simultanément à l'épuration par boues activées, l'objectif de cette invention étant de définir des règles de gestion automatisée pour l'addition de réactifs déphosphatants (chlorure ferrique) dans l'eau brute proportionnellement à la charge polluante arrivant dans la station d'épuration de ladite eau brute. On sait que pour atteindre cet objectif, il est nécessaire d'une part, d'estimer, en ligne, la charge en phosphate total de l'eau brute à traiter et d'autre part, d'évaluer le rendement de la réaction de déphosphatation. Ceci permet de déterminer la quantité de réactifs déphosphatants à ajouter à l'eau brute, cette quantité devant être suffisante afin d'éliminer le phosphore de façon à respecter les normes de rejet imposées, tout en contrôlant l'excès de réactifs afin d'optimiser les coûts et d'éviter une surproduction de boues supplémentaires non justifiée. A l'heure actuelle, cette estimation s'effectue à l'aide d'analyseurs en continu dont les coûts d'investissement sont élevés et l'exploitation et la maintenance contraignantes. La présente invention repose sur la découverte selon laquelle, pour des eaux résiduaires urbaines, toute charge polluante (qu'elle soit carbonée, azotée, phosphorée, etc) devant être traitée, peut être estimée à partir des simples mesures de débit, de conductivité et de turbidité de l'eau brute. La présente titulaire a étudié, par exemple, la relation qui existe entre la charge en phosphore total et - la conductivité de l'eau brute à traiter ; - la turbidité de l'eau brute et, - le débit de l'eau brute. II convient de signaler que l'invention n'est pas limitée au traitement des eaux brutes et que l'utilisation d'indicateurs de charge convient au contrôle de n'importe quelle phase d'épuration sur la ligne de traitement. Pour une eau résiduaire urbaine donnée, ne contenant pas plus de 30% de son flux de pollution ayant comme origine des rejets industriels, il est admis que la matrice de composition de l'eau est relativement stable, puisque la source de pollution est essentiellement d'origine domestique et provient des usagers raccordés au réseau d'assainissement. Partant des constatations ci-dessus, la présente invention apporte un procédé qui consiste à - mesurer en continu les valeurs instantanées de conductivité et de turbidité de l'eau brute à traiter ; - estimer la concentration en matières polluantes de l'eau brute, à partir desdites valeurs de conductivité et de turbidité ainsi mesurées ; - mesurer en continu le débit de l'eau brute à traiter ; - calculer la charge en matières polluantes de l'eau brute en fonction de son débit et, - déterminer des actions de traitement aval à mettre en oeuvre pour éliminer la charge totale estimée de l'élément polluant. Ainsi qu'on le comprend, le procédé objet de la présente invention vise à déterminer un équivalent de la concentration en matières polluantes qui est fonction des indicateurs de pollution, c'est-à-dire des valeurs de conductivité et de turbidité mesurées en continu. La mesure de la valeur du débit de l'eau brute à traiter permet ensuite d'évaluer la charge en matières polluantes à partir de cette concentration estimée. Selon la présente invention, l'élément polluant à éliminer peut être un ortho-, méta-ou polyphosphate ou, en général, un composé chimique minéral ou organique contenant du phosphore. Cet élément polluant peut également être un nitrate ou en général un composé chimique minéral ou organique contenant de l'azote ou bien encore, un composé chimique minéral ou organique contenant du carbone. Selon la présente invention, la relation entre la concentration estimée et les indicateurs de pollution associe - la conductivité à la pollution dissoute, qui, pour une charge polluante constituée de phosphore, est essentiellement composée d'orthophosphates. Des plages de conductivité sont donc associées à des équivalents de concentration en éléments phosphorés solubles ; - la turbidité à la pollution colloïdale et particulaire, cette pollution étant constituée par divers éléments, dont le phosphore, liés à des matières en suspension. Des plages de turbidité sont donc associées à des équivalents de concentration en éléments phosphorés non solubles. Sur les figures 1 et 2 des figures annexées, on a illustré des évolutions, au cours du temps, des indicateurs de pollution (conductivité et turbidité), la première (Figure 1) typique d'un régime de temps sec et la seconde (Figure 2), d'un régime de temps pluvieux. Les deux paramètres conductivité et turbidité évoluent différemment lorsque l'eau usée domestique est mélangée aux eaux pluviales. Temps sec . La conductivité reste relativement stable au cours de la journée. Par temps sec, l'évolution de la turbidité suit celle du débit. Les concentrations moyennes journalières de phosphore total varient ici entre 10 et 15 mg/l. Temps pluvieux La figure 2 montre l'évolution des paramètres conductivité et turbidité lors des augmentations de débit liées aux phénomènes pluvieux. Par temps de pluie, l'augmentation de débit entraine systématiquement une diminution de la conductivité. Lors de l'évènement pluvieux, la diminution de conductivité s'explique par une dillution de l'ensemble des solutés, donc par une dillution du phosphore soluble de façon quasi systématique. Dès le début de l'augmentation du débit, l'évolution de la turbidité peut se traduire de deux façons différentes - soit la turbidité augmente et atteint une valeur élevée, en général sur une courte période lorsque l'intensité de la pluie est importante, favorisant l'acheminement des dépôts stagnant dans les réseaux vers l'entrée de la station (exemple du premier jour de la figure 2). L'augmentation de la turbidité témoigne d'une augmentation de la pollution particulaire, donc du phosphore non soluble ; - soit la turbidité reste constante ou même diminue lentement au cours de l'épisode pluvieux, notamment lorsque l'élément pluvieux n'est pas précédé d'une durée de temps sec relativement longue (exemple du deuxième jour de la figure 2). Une diminution de turbidité traduit ainsi une dillution des éléments non solubles. A partir de ces observations, deux fonctions ont été construites de manière à associer les valeurs mesurées aux concentratations estimées des éléments recherchés. II est établi que ces fonctions doivent être calées sur chaque site et adaptées à chacun des éléments recherchés. La phase de calage de ces modèles consiste d'une part, à enregistrer en continu les trois valeurs de débit, conductivité et turbidité et d'autre part, à mener en parallèle des campagnes d'échantillonnages et d'analyses des eaux résiduaires. Des valeurs de concentrations équivalentes en élément solubles sont associées à des plages de conductivité. Par exemple, la moyenne des concentrations des échantillons est associée à la plage de valeurs de conductivité la plus souvent rencontrée. La valeur minimale des concentrations des échantillons est associée à la plage la plus basse rencontrée pour la conductivité. A l'inverse, la valeur maximale des concentrations des échantillons est associée à la plage la plus haute rencontrée pour la conductivité. Les plages intermédiaires sont ensuite complétées, par relation linéaire ou par tout autre type de régression. La fonction est ainsi décrite sous forme logique avec une correspondance entre la plage de conductivité et les concentrations équivalentes de l'élément soluble. Par rapport aux illustrations des figures 1 et 2 relatives au temps sec et au temps pluvieux, on peut ainsi donner des exemples Fonction 1 : si 1 000 microS/cm Cette phase d'apprentissage acquise, les mesures en continu peuvent être utilisées pour la conduite du procédé. Pour conduire à l'estimation des charges polluantes nécessaire à la gestion des procédés, une concentration totale est obtenue par l'addition des concentrations complémentaires en éléments solubles et non solubles. Cette concentration estimée est multipliée par le débit de façon à obtenir une charge équivalente. Les différentes étapes du procédé objet de la présente invention sont donc les suivantes A) Détermination de la concentration totale d'un élément polluant E, estimée complémentairement en fonction des deux indicateurs physiques de pollution, la conductivité et la turbidité) - concentration de l'élément polluant sous forme soluble en fonction des plages prédéterminées de conductivité, [E]soluble = fonction, (conductivité) - concentration de l'élément polluant sous forme non soluble en fonction des plages prédéterminées de turbidité, [E] non soluble fonction 2 (turbidité) - concentration totale estimée de l'élément polluant , [E]tota, - [El soluble + [El non soluble B) Détermination de la charge totale de l'élément polluant (E) résultant de l'estimation de la concentration totale estimée de l'élement (E) et des débits mesurés en continu Charge Etotale estimée+ = ([Elsoluble + [El non soluble ) * Q entrée C) Détermination des actions de traitement aval à mettre en oeuvre pour éliminer la charge totale estimée de l'élément polluant E, à partir des résultats obtenus au cours du callage préliminaire de chaque installation (dosage de réactifs, volume horaire d'aération, temps de fonctionnement aérobie/anoxie ...) Dans l'exemple de mise en oeuvre de l'invention relatif aux charges phosphorées, les différentes étapes du procédé objet de l'invention sont donc les suivantes A) Détermination de la concentration en phosphore total, estimée complémentairement en fonction des deux indicateurs de pollution (conductivité et turbidité) - concentration en phosphore soluble en fonction des plages de conductivité : [P]soluble =fonction, (conductivité) - concentration en phosphore non soluble en fonction des plages de turbidité : [PInon soluble = fonction2 (turbidité). - concentration en phosphore total estimée [Pltotal - [Plsoluble + [PInon soluble B) Détermination de la charge estimée en phosphore total, issue de l'estimation des concentrations en phosphore total et des débits mesurés en continu: Charge [Pltotal,estimée - ( [PIsoluble + [P]non soluble ) Q entrée. C) Détermination de la quantité de réactifs déphosphatants nécessaire à l'élimination de la charge en phosphore total estimée. La figure 3 des dessins annexés est un schéma de gestion illustrant le procédé de l'invention appliqué à la déphosphatation physico-chimique simultanée. La présente titulaire a effectué une comparaison entre les valeurs obtenues pour la charge en phosphore total estimée et pour la charge en phosphore total calculée sur les périodes considérées. La figure 4 des dessins annexés est un schéma illustrant cette comparaison. L'examen de ce schéma révèle que dans la majorité des cas, les charges estimées présentent un écart inférieur à 20% avec les charges calculées. Ceci démontre que le procédé objet de la présente invention permet efficacement et avec fiabilité d'évaluer les charges en phosphore journalières d'une eau brute à partir des mesures en continu, indicateurs de pollution, conductivité et turbidité et de la mesure du débit. On détermine ensuite la quantité d'additions en réactifs déphosphatants (chlorure ferrique) nécessaire à l'élimination de la charge en phosphate total estimée. Ainsi, on réalise une gestion automatique des additions de réactifs déphosphatants en fonction des trois paramètres débit, conductivité et turbidité sans qu'il soit nécessaire d'utiliser un matériel sophistiqué du type analyseur en continu en effet, le matériel mis en oeuvre par le procédé objet de l'invention est d'une nature tout à fait classique - la mesure de conductivité de l'eau brute s'effectue par induction électromagnétique à l'aide d'un conductimètre classique ; - la mesure de turbidité s'effectue à l'aide d'un turbidimètre à sonde et, - la mesure de débit est réalisée à l'aide d'un débitmètre II demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre décrits et/ou mentionnés ci-dessus mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Procédé de conduite et de gestion d'installations de traitement d'eaux résiduaires urbaines en fonction d'estimations de charges polluantes influentes, caractérisée en ce que lesdites estimations résultent de mesures en continu du débit influent, de la conductivité et de la turbidité des eaux brutes à traiter, selon la séquence suivante - mesurer en continu les valeurs instantanées de conductivité et de turbidité de l'eau brute à traiter ; - estimer la concentration en matières polluantes de l'eau brute, à partir desdites valeurs de conductivité et de turbidité ainsi mesurées ; - mesurer en continu le débit de l'eau brute à traiter ; - calculer la charge en matières polluantes de l'eau brute en fonction de son débit et, - déterminer des actions de traitement aval à mettre en oeuvre pour éliminer la charge totale estimée de l'élément polluant (E). 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes A) Détermination de la concentration totale d'un élément polluant (E), estimée complémentairement en fonction des deux indicateurs physiques de pollution, la conductivité et la turbidité - concentration de l'élément polluant sous forme soluble en fonction des plages prédéterminées de conductivité, [E]soluble = fonction 1 (conductivité) - concentration de l'élément polluant sous forme non soluble en fonction des plages prédéterminées de turbidité, [E] non soluble fonction 2 (turbidité) - concentration totale estimée de l'élément polluant , [E]total - [E] soluble + [E] non soluble B) Détermination de la charge totale de l'élément polluant (E) résultant de l'estimation de la concentration totale estimée de l'élement (E) et des débits mesurés en continu Charge Etotale estimée+ - ([E]soluble + [E] non soluble ) ' Q entrée C) Détermination des actions de traitement aval à mettre en oeuvre pour éliminer la charge totale estimée de l'élément polluant (E), à partir des résultats obtenus au cours du callage préliminaire de chaque installation (dosage de réactifs, volume horaire d'aération, temps de fonctionnement aérobie/anoxie ...) 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'élément polluant (E) à éliminer est un ortho-,méta-ou polyphosphate ou en général un composé chimique minéral ou organique contenant du phosphore. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'élément polluant (E) à éliminer est un nitrate, ou en général un composé chimique minéral ou organique contenant de l'azote. 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'élément polluant (E) à éliminer est un composé chimique minéral ou organique contenant du carbone.