Brevet FR3027020A1 — publié le 20160415

Procédé de régulation dynamique de l'aération du bassin biologique Domaine de l'invention La présente invention concerne, de façon générale, le domaine du traitement de l'eau en vue de l'épuration des eaux usées. La présente invention se rapporte plus précisément au perfectionnement du procédé permettant la régulation dynamique de l'aération du bassin biologique ajustée au plus près des besoins en air, dans le but d'optimiser le fonctionnement de la station d'épuration en termes de qualité des eaux rejetées. D'autre part, elle a pour objectif secondaire de diminuer les dépenses énergétiques et économiques de ce poste très énergivore. Art antérieur et ses inconvénients Dans le domaine de l'invention, des procédés sont couramment mis en oeuvre afin d'affiner le traitement des eaux par l'utilisation d'un procédé de régulation le plus performant possible, permettant la réduction des teneurs en matières carboniques et azotées. Il est par exemple connu dans l'art antérieur, l'asservissement cyclique de l'aération sur horloge sans le recours à un capteur pour des stations alimentées par un réseau séparatif et en l'absence de rejet industriel. Les durées de marche et d'arrêt permettant une dégradation complète du carbone et de l'azote (de bons rendements sur l'azote garantissant ceux sur le carbone dans le domaine de l'aération prolongée) peuvent donc être préréglées dans l'automate. Dans l'éventualité où la 3027020 2 charge entrante est différente le weekend, deux réglages peuvent être adoptés. Lors de phases de fluctuations de débit comme dans le cas de pluies intenses ou de vidange des bassins 5 d'orages, des augmentations de charges carbonées et azotées sont constatées, la préprogrammation de réglages d'aération à l'aide d'horloges est donc beaucoup moins bien adaptée dans ce cas là. Devant ces considérations, une nouvelle technique a 10 été mise en place, il s'agit de l'asservissement du procédé d'aération par les sondes redox et oxygène afin de permettre d'adapter la durée des séquences d'aération et d'arrêt de l'aération à la charge instantanée reçue par l'installation. En présence de dioxygène, la tension 15 d'électrode de platine appelée potentiel d'oxydoréduction (ou potentiel redox) suit une fonction logarithmique croissante composée de deux phases. Lors de la nitrification, il y a tout d'abord production de nitrites puis de nitrates qui se traduit par une 20 augmentation du potentiel redox jusqu'à un certain seuil, connu, propre à chaque station de traitement des eaux usées, commandant l'arrêt du système d'aération. En absence de dioxygène, lors de la phase de dénitrification, le potentiel redox évolue vers des 25 valeurs basses indicatrices de l'état réducteur du milieu et, par déduction, de la présence de nitrates ou non, un seuil bas en dioxygène et ou redox permettant la relance du système d'aération. Ce type de procédé présente l'inconvénient majeur de 30 ne pas tenir compte des concentrations spécifiques en ammoniums et en nitrates lors des différentes phases de nitrification et dénitrification. La consommation en 3027020 3 dioxygène observée est très importante du fait d'une régulation peu sensible provoquant des dépenses énergétiques et économiques fortuites. De plus, les solutions de secours, en cas de défaillances des sondes, 5 paraissent très peu sécuritaires puisqu'il s'agit le plus souvent, d'un fonctionnement horaire garantissant une durée minimale et une durée maximale journalière de fonctionnement du système d'aération. Un autre procédé est utilisé depuis relativement peu 10 de temps, il s'agit de l'asservissement par mesure directe des concentrations d'ammoniums et de nitrates. Des sondes de mesure combinées des ions nitrates et ammoniums avec électrodes de compensation potassiums et chlorures sont utilisées pour ce faire. Lorsque le milieu 15 est aéré, l'azote est oxydé par nitrification, la concentration en ions NO3- augmente jusqu'à une valeur de consigne. Lorsque cette valeur limite est atteinte, l'aération est alors stoppée. En l'absence d'aération (phase anoxique), les nitrates sont réduits 20 (dénitrification), la concentration en ammoniums augmente jusqu'à une valeur limite entrainant un redémarrage des aérateurs. Cette technique présente l'inconvénient majeur de dépendre exclusivement des sondes indiquant les 25 concentrations en ammoniums et nitrates. Ainsi, il apparait difficile de connaître l'impact des autres sources de consommation de dioxygène notamment en cas de défaillance des deux sondes ; l'aération est alors dégradée. De plus, ne présentant pas de seuil 30 intermédiaire, l'aération fonctionne en mode TOR (Tout Ou Rien), ce qui peut générer des soucis d'exploitation à long terme. 3027020 4 Objectifs de l'invention Le procédé selon l'invention permet ainsi d'optimiser les techniques connues afin d'empêcher toute défaillance de l'aération. L'intérêt est d'améliorer et de fiabiliser 5 les performances de traitement à l'aide des différentes sondes et de limiter les pertes d'énergie et le coût économique liés à une utilisation excessive du système d'aération, et donc d'en réduire l'impact sur le coût du mètre cube d'eau traitée. 10 Exposé de l'invention L'objectif d'améliorer la régulation d'aération du bassin biologique est atteint à l'aide d'un procédé de régulation dynamique, qui selon l'invention, comprend les 15 étapes suivantes : Une première étape représentant la première partie de la nitrification nommée nitritation. Les bactéries s'adaptent à la concentration en dioxygène 02 assez rapidement, puis elles transforment les 20 ions ammoniums NH4+ en ions nitrites NO2, la consommation en dioxygène est très importante, le système d'aération fonctionnant à sa capacité maximale. La réaction s'écrit : NH4+ + 202 + 2e- = NO2 + 2H20. 25 Une deuxième étape de nitratation correspondant à la phase finale de la nitrification. Les nitrites formés sont oxydés en nitrates par une oxygénation nécessitant un apport en dioxygène moins important. Ainsi, on observe une remontée de la courbe de 30 concentration en dioxygène directement liée à la réaction suivante : NO2 +'2:2 02 = NO3- 3027020 5 On observe donc que la consommation en dioxygène est 4 fois moins importante pour cette phase de nitratation, ainsi, la capacité d'aération fournie est intermédiaire. 5 Une troisième étape de dénitrification, avec l'arrêt de l'aération. Cette réaction est dite « de dénitrification » (ou réduction dissimilative) car elle se traduit par la réduction des nitrates en azote moléculaire (N2), gaz qui retourne à 10 l'atmosphère. Ainsi l'invention repose sur une approche originale consistant à utiliser, simultanément et de façon complémentaire, les différentes sondes d'ammoniums, nitrates, redox et dioxygène afin d'affiner le temps de 15 l'aération, d'améliorer la consommation énergétique, les coûts économiques et la qualité du traitement, plus particulièrement pour l'abattement des nitrates. En effet, l'étape de traitement biologique, permet classiquement un traitement efficace de la matière 20 azotée, et particulièrement des nitrates. Description des figures Figure 1 : Schéma de principe général du procédé de régulation dynamique de l'aération dans un bassin 25 biologique selon l'invention. Figure 2 : Schéma récapitulatif des différentes phases rencontrées lors de la mise en place du procédé de régulation dynamique de l'aération dans un bassin 30 biologique selon l'invention. 3027020 6 Description détaillée de modes de réalisation de l'invention La présente invention concerne l'amélioration des techniques de régulation de l'aération d'un bassin 5 d'aération grâce à l'utilisation simultanée de différentes sondes : ammoniums, nitrates, redox et dioxygène. Le principe général de cette invention repose sur l'analyse des différents paramètres nécessaires au suivi d'une étape de nitrification - dénitrification dans 10 une station d'épuration. La mise en oeuvre de l'invention permet la réduction quantitative des nitrates dans le bassin biologique permettant ainsi de répondre aux normes en vigueur. Les microorganismes présents dans le bassin dégradant les 15 molécules carbonées et azotées à l'aide de dioxygène. Chaque sonde permet alors de mesurer la concentration des paramètres en temps réel, comparant ces données à des valeurs seuils déclenchant l'arrêt ou le démarrage du système d'aération. 20 De plus, afin d'assurer un encadrement de secours de la régulation et d'éviter les pertes d'énergie, le modèle défini impose des temporisations sur les différentes étapes. Ainsi, toute défaillance est endiguée rapidement et le coût associé, dépendant du temps de marche du 25 système d'aération, est allégé. Comme cela est représenté sur la Figure 1 annexée, la présente invention comporte une sonde à dioxygène, une sonde redox, une sonde de mesures à ammoniums et une sonde de mesures à nitrates. 30 Lors de la première étape 1, symbolisant le début de la phase de nitrification, le système d'aération est à sa capacité maximale. 3027020 7 Commence alors la phase de nitritation 1 au cours de laquelle, l'ammonium est éliminé partiellement et le dioxygène fortement consommé. A la fin de cette étape, lorsque le seuil intermédiaire en dioxygène de 2 mg/1 est 5 atteint, la capacité d'aération passe de maximale à intermédiaire. L'abaissement de la capacité d'aération de maximale à intermédiaire marque le début de la phase de nitratation 2. Les nitrites NO2- sont oxydés en nitrates NO3- à l'aide 10 d'un apport de dioxygène 4 fois moins important qu'à la nitritation. Le taux d'ammoniums chute considérablement tandis que le taux de nitrates, le potentiel redox et le taux en dioxygène augmentent. La fin de cette phase de nitrification est conditionnée par différents seuils 15 dépendant de plusieurs paramètres. Un potentiel redox atteignant 200 mV et/ou une concentration en ammoniums de l'ordre de 0,4 mg/1 déclenche la fin de l'aération. Une temporisation complémentaire sécuritaire permet d'empêcher une mauvaise production de nitrites NO2-, en 20 réduisant le fonctionnement de l'aération d'une capacité maximale à intermédiaire en cas de réaction trop rapide (inférieure à 15 minutes) ou trop lente (supérieure à 120 minutes). L'étape finale 3 du procédé peut alors commencer, il 25 s'agit de la dénitrification. La concentration en nitrates est abattue fortement tout comme le potentiel redox tandis que le taux d'ammoniums augmente fortement. La concentration en dioxygène reste nulle, le système d'aération étant arrêté. La fin de la dénitrification, 30 permettant la remise en route du système d'aération, est commandée par deux seuils distincts, un seuil haut en ammoniums fixé à 1 mg/1 et un seuil bas en nitrates fixé 3027020 8 à 0,5 mg/l. Dès que le premier de ces deux seuils est atteint, l'aération est redémarrée. Une temporisation complémentaire sécuritaire permet d'empêcher une mauvaise élimination des nitrates NO3-, en 5 activant le fonctionnement du système d'aération en cas de réaction trop rapide (inférieure à 30 minutes) ou trop lente (supérieure à 150 minutes). La régulation d'un bassin biologique traitement des eaux usées étant un perpétuel d' de une station 10 recommencement, il n'y a pas de limites définies pour l'arrêt du processus, la boucle fonctionne alors en continu. 15 20 25 30 REVENDICATIONS1. Procédé de régulation dynamique de l'aération du bassin biologique, dans le but d'optimiser le fonctionnement de la station d'épuration en termes de qualité des eaux rejetées et de réduction des dépenses énergétique et économique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - Une première étape de nitritation commandant la réduction de la capacité du système d'aération de maximale à intermédiaire par un seuil intermédiaire de concentration en dioxygène. - Une deuxième étape de nitratation, aboutissant l'arrêt du système d'aération, asservie à un seuil haut en potentiel redox et ou un seuil bas en concentration en ammoniums. La présence d'une temporisation sécuritaire en cas de réaction trop rapide ou trop lente. - Une troisième étape de dénitrification, à la suite de la nitrification, se déroulant jusqu'à la remise en route du système d'aération commandée par l'intermédiaire d'un seuil haut de concentration en ammoniums ou d'un seuil bas de concentration en nitrates. La présence d'une deuxième temporisation sécuritaire en cas de réaction trop rapide ou trop lente. La réitération des différentes étapes en continu. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce 30 que le seuil intermédiaire de concentration en 02 est de 2 mg/l. 3027020 10 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le seuil bas de concentration en ammoniums est de 0,4 mg/1 et le seuil haut de concentration en ammoniums est de 1 mg/l. 5 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le potentiel redox est fixé à un seuil haut de 200 mV. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce 10 que le seuil bas de concentration en nitrates est fixé à 0,5 mg/l. 6. Procédé selon les revendications 1, 2, 3 et 4 caractérisé en ce que la temporisation sur l'étape de 15 nitrification est fixée à 15 minutes en cas de réaction rapide et 120 minutes en cas de réaction lente. 7. Procédé selon les revendications 1, 3 et 5 caractérisé en ce que la temporisation sur l'étape de 20 dénitrification est fixée à 30 minutes en cas de réaction rapide et 150 minutes en cas de réaction lente. 2530