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des feux non gardés en mer, s'effectue dans des conditions convenables de sécurité ; les extinctions accidentelles sont relativement rares et, sauf cas exceptionnel, de courte durée. En résumé, à raison de l'importance du trafic, de la fréquence de la brume et de la présence d'amas de récifs, le service des phares et balises a dû, dans le Finistère, faire une large application de tous les moyens techniques dont il disposait. C'est ainsi que l'énergie éolienne est maintenant largement utilisée dans les installations isolées. Telles qu'elles fonctionnent actuellement, on peut dire que les installations contribuent à réduire dans une proportion
dire que les installations contribuent à réduire dans une proportion importante les pertes en matériel et, dans une proportion considérable, les pertes en vies humaines. Mesure de la capacité d'oxygénation dans les stations de traitement à boues activées en mélange intégral P. BOUTIN I.C.G.R.E.F. professeur à l'école nationale de la santé publique A. VACHON I.T.E.R., I.G.S. ingénieur à l'agence financière de bassin Loire-Bretagne J.P. BECHAC I.T.E.R., I.G.S. professeur à l'école nationale de la santé publique B. LOPEZ I.T.E.R. assistant à l'école nationale de la santé publique 1 Introduction La fourniture de l'oxygène indispensable à la vie des boues activées constitue
de l'oxygène indispensable à la vie des boues activées constitue une part importante des frais d'exploitation d'une station de traitement biologique d'eaux résiduaires. Cet oxygène provient habituellement de l'air atmosphérique (des travaux sont en cours pour l'utilisation d'oxygène pur ou d'air enrichi), et il est dissous soit par injection d'air dans l'eau, soit par projection d'eau dans l'air. L'oxygène dissous doit être ensuite transféré au lieu même de son utilisation, c'est-à-dire aux enzymes respiratoires des cellules, et cela à un rythme tel que l'oxygénation ne limite pas l'activité bactérienne. La plupart des micro-organismes épurateurs sont du type micro-aérophile, c'est-à-dire qu'ils
plupart des micro-organismes épurateurs sont du type micro-aérophile, c'est-à-dire qu'ils se satisfont d'une faible teneur en oxygène dissous (de 0,5 à 0,8 mg/1 au voisinage immédiat des cellules). Technologiquement, il n'est cependant pas souhaitable de s'en tenir à cette valeur plancher, même avec une régulation automatique du taux d'oxygène dans le bassin d'aération. La respiration des boues pendant les cycles qui les ramènent périodiquement vers l'aérateur provoque l'apparition d'hétérogénéités qui peuvent dépasser 0,5 mg/1 même dans un bassin bien brassé, et on sait qu'on ne peut accorder une confiance absolue aux indications d'un doseur d'oxygène qui ne serait pas très
aux indications d'un doseur d'oxygène qui ne serait pas très fréquemment contrôlé et réétalonné, surtout pour d'aussi faibles valeurs de la variable à mesurer. En pratique, de nombreux chercheurs, et notamment Wuhrmann [15], ont montré que l'activité des boues activées était indépendante de la teneur en oxygène au-dessus d'un seuil qui se situe vers 1 mg/1, à condition que la turbulence, donc le renouvellement du combustible au niveau de la cellule, soit suffisante [2]. Dans ces conditions, il semble raisonnable de choisir une concentration en oxygène à maintenir en permanence qui ne soit pas inférieure à 1 mg/1 dans des
qui ne soit pas inférieure à 1 mg/1 dans des installations courantes. Ce n'est qu'assez récemment que l'intérêt s'est porté sur les performances des aérateurs utilisés en épuration des eaux. On peut s'attendre à ce qu'elles fassent désormais l'objet d'une attention accrue, du fait de l'augmentation du prix de l'énergie. Constructeurs, maîtres d'oeuvre et d'ouvrage, utilisateurs, souhaitent vivement disposer de moyens de contrôle autres que la considération d'une facture d'électricité. Or la mesure des performances des aérateurs est encore le sujet de nombreuses discussions. Parmi les techniques proposées, celles qui opèrent en eau claire comptent parmi les plus simples et
opèrent en eau claire comptent parmi les plus simples et les plus sûres [6], mais elles ne sont évidemment pas applicables à une station en fonctionnement, qu'il est en pratique impossible de vider de ses boues. C'est dire l'intérêt des méthodes de détermination des rendements dans les stations en boues, sur lesquelles il sera donc surtout insisté ici, après une rapide revue des conditions de transfert de l'oxygène dans l'eau et la définition des paramètres qui permettent d'évaluer l'apport d'oxygène par les aérateurs. 2 — Le transfert d'oxygène [5] 2.1. — Équation de base La théorie du « double film
— Équation de base La théorie du « double film » de Whitman et Lewis décrit, en régime stationnaire, l'absorption des gaz dans les liquides. La réaction se produit entre une pellicule mince de gaz et une pellicule de liquide, à l'interface gaz-liquide. Le transfert d'oxygène s'effectuerait en trois phases : 1 — les molécules d'oxygène atmosphérique sont instantanément adsorbées à la surface du film liquide, 2 — elles sont transférées à travers le film liquide par diffusion moléculaire, 3 — l'oxygène est enfin mélangé à la masse liquide par diffusion, convection et turbulence. La différence de concentration entre la
diffusion, convection et turbulence. La différence de concentration entre la surface de la couche liquide et sa base détermine la vitesse de dissolution du gaz, soit : dm/dt = − DL . A . dC/dy avec dm/dt = vitesse de dissolution du gaz ; dC = différence de concentration dans la couche liquide ; dy = épaisseur de la couche liquide ; DL = coefficient de diffusion ; A = surface de transfert. Whitman et Lewis admettent que la concentration d'oxygène à l'interface est la valeur de saturation Cs. Si C est la concentration mesurée dans la masse du liquide,
C est la concentration mesurée dans la masse du liquide, il vient : dm/dt = V dC/dt = (DL/YL) A (Cs − C) (2) où V est le volume du liquide et YL l'épaisseur du film liquide. On obtient finalement dC/dt = (DL/YL) (A/V) (Cs − C) (3) ou encore dC/dt = K (Cs − C) (4) K est le coefficient d'aération, d'équation aux dimensions [T-1] (KLa des auteurs anglo-saxons). Si on introduit le déficit d'oxygène O = Cs − C, il vient immédiatement : dO/dt = KD (5) 2.2. — Couple aérateur-bassin Lorsque l'eau est en mouvement, la couche
— Couple aérateur-bassin Lorsque l'eau est en mouvement, la couche liquide à l'interface est remplacée par de l'eau à une concentration en oxygène plus faible. Il en résulte un gradient d'oxygène plus élevé à ce niveau, et une valeur accrue de K. Ainsi, pour une dissolution rapide, il faut non seulement maintenir un fort déficit en oxygène, mais aussi obtenir un renouvellement rapide et continuel de l'interface par agitation du milieu liquide. Un brassage énergique assure en outre un transfert rapide de l'oxygène dans tout le volume du bassin et sa diffusion par microturbulence, tout en prévenant la formation de
sa diffusion par microturbulence, tout en prévenant la formation de zones mortes où pourraient intervenir des dépôts de boues. Pour un régime donné d'utilisation du système d'aération, on conçoit bien que le mouvement du liquide engendré par l'aérateur dépend fortement des caractéristiques de volume et de forme du bassin d'aération. Or ce mouvement conditionne le taux de renouvellement à l'interface, l'allure des circuits généraux de l'eau et la microturbulence, tous facteurs qui interviennent dans le transfert d'oxygène [11]. C'est pourquoi les performances obtenues avec un même aérateur dans des bassins différents sont parfois peu comparables. 2.3. — Apport d'oxygène (fig.
différents sont parfois peu comparables. 2.3. — Apport d'oxygène (fig. 1) En eau claire, l'introduction d'oxygène dans l'eau est régie par les équations (4) ou (5), qui s'intègrent immédiatement en : La représentation graphique de la concentration en oxygène en fonction du temps est une branche d'exponentielle ayant Cs pour asymptote. La détermination de K peut se faire aisément en portant sur un graphique semi-logarithmique (Cs − Co)/(Cs − C) en fonction du temps [3]. En boue activée, si l'on suppose l'activité métabolique de la boue constante pendant la durée de l'expérimentation, celle-ci se traduit par une consommation d'oxygène R
de l'expérimentation, celle-ci se traduit par une consommation d'oxygène R par unité de volume et de temps. Le déficit d'oxygène tend à être comblé par absorption à partir de l'air, et augmenté par la respiration bactérienne. D'où : Fig. 1 Remontée de la concentration de l'oxygène dissous lors d'un essai d'aération. dO/dt = KD + R (8) À l'équilibre, dO/dt = 0 et Oeq = R/K. (9) On n'atteindra donc pas la concentration à saturation Cs mais une valeur d'équilibre inférieure, Ceq : Ceq = Cs R/K (10) 2.4. — Facteurs modifiant les conditions du transfert d'oxygène Pour un couple
Facteurs modifiant les conditions du transfert d'oxygène Pour un couple aérateur-bassin donné, la nature du liquide, la température, la pression partielle de l'oxygène, jouent un rôle important, en modifiant les valeurs de : Cs (solubilité de l'oxygène dans le liquide), K (coefficient d'aération). 2.4.1. Facteurs modifiant Cs La valeur de la concentration à saturation diminue fortement lorsque la température augmente (12,4 mg/l à 5° C ; 8,1 mg/l à 25° C). Sous 760 mm de mercure, on peut retenir la formule simple : Cs (mg/l) = 475/(33,5 + T) (11) avec T = température (° C) La pression atmosphérique intervient
avec T = température (° C) La pression atmosphérique intervient également en faisant varier la pression partielle de l'oxygène proportionnellement au rapport de la pression observée à la pression normale (760 mm Hg). La correction n'est pas négligeable dès que l'altitude dépasse quelques centaines de mètres. Elle atteint 15 ou 20 % en montagne parfois même plus en haute altitude. Peuvent également intervenir les matières dont l'eau est chargée. Il est exceptionnel que la salinité de l'eau soit suffisante pour diminuer Cs de façon appréciable ; par contre, les agents tensioactifs (détergents, huiles) et les matières en suspension contribuent à
tensioactifs (détergents, huiles) et les matières en suspension contribuent à en réduire la valeur de quelques centièmes. 2.4.2. Facteurs ayant une influence sur K Le coefficient d'aération K augmente si la température du liquide s'élève. Les résultats expérimentaux obtenus en eau claire sur un pilote de laboratoire ne laissent aucun doute à ce sujet (fig. 2). La plupart des auteurs proposent une modélisation de la forme K8 = K80 (1 + E) (8 80) (12) 80 étant la température de référence. Les valeurs avancées pour e varient considérablement et on ne saurait s'en étonner. En effet, avec un médiocre brassage,
ne saurait s'en étonner. En effet, avec un médiocre brassage, les phénomènes de diffusion moléculaire, très dépendants de la température, joueront un rôle important, tandis que la diffusion par turbulence l'emportera avec une homogénéisation correcte [11]. Dans un milieu fortement agité, e sera donc faible (0,02 à 0,03). Les résultats expérimentaux rappelés précédemment ne s'opposent pas au choix d'un e de 0,02 pour la plage de température habituellement rencontrée (10 à 20° C). mais on notera que les mesures à 8 et 31° C sont nettement inférieures aux valeurs suggérées par le calcul. D'autre part, la présence d'agents de surface
par le calcul. D'autre part, la présence d'agents de surface modifie considérablement les caractéristiques de l'interface eau, et cela d'autant plus que la turbulence sera plus faible et parviendra difficilement à rompre et dissocier le film mono-moléculaire formé. De même, les matières en suspension font varier les propriétés physiques et freinent la diffusion au sein du liquide. D'où, là encore, une diminution appréciable du coefficient K. On aura une idée de l'importance de ces différents facteurs en considérant les résultats obtenus sur un pilote à aérateur de surface (turbine), tout d'abord en eau claire, avec des doses croissantes de détergent
d'abord en eau claire, avec des doses croissantes de détergent (maximum 50 mg/l de détergent non ionique), et avec une huile de table (0,1 ml/l), puis avec des taux croissants de boues (boues tuées par un toxique) (tableau 1). Taux (g/l) de MES 0 1,2 2,4 4,8 7,2 9,6 1 9,52 8,92 8,78 8,46 7,84 7,52 e = 20°C 1 -1 1 Tableau 1 Le pilote utilisé pour ces essais, comme pour l'ensemble des mesures rapportées ici, est constitué d'une cuve parallélipipède de 140 (0,63 x 0,63 x 0,35), où sont versées 100 de liquide. L'aération est assurée par une
sont versées 100 de liquide. L'aération est assurée par une turbine à ailettes (0,135), à axe vertical entraînée par un moteur électrique à vitesse réglable. La vitesse de rotation utilisée est 75 t/mn. Fig. 3 : Influence de l'huile et des détergents (en eau claire). En boue activée (tuée), il ne semble pas par contre que, pour des doses de détergent (non ionique) allant jusqu'à 30 mg/l, le coefficient d'aération soit altéré. (tableau 2): Taux de détergent MES = 9.6 g/l (mg/l) 0 10 30 eau-claire 7,52 7.59 7,57 Tableau 2 Ainsi, la qualité du liquide intervient fortement sur le
2 Ainsi, la qualité du liquide intervient fortement sur le coefficient d'aération K. On définit un coefficient a qui permet d'évaluer l'importance de ce facteur: a = K liquide/K eau claire 3 — Performances des aérateurs [31 3.1. — Conditions standard Comme on vient de le voir, de nombreux facteurs affectent le transfert d'oxygène pour un couple aérateur-bassin donné. C'est pourquoi les performances doivent être rapportées à des conditions normalisées: température: 10° C (USA: 20° C); pression atmosphérique 760 mm Hg; eau claire; teneur en oxygène nulle dans le liquide. 3.2. — Performances nominales et effectives La capacité d'oxygénation nominale
3.2. — Performances nominales et effectives La capacité d'oxygénation nominale est la masse d'oxygène introduite pendant l'unité de temps dans l'unité de volume, dans les conditions normalisées. Elle s'exprime donc en g O2 m3.h. En reprenant l'équation d'aération: dC/dt = K (Cs - C) on voit que la capacité d'oxygénation nominale est la valeur de dC/dt dans les conditions de référence: C.O. = K Cs (13) L'apport horaire nominal représente quant à lui la quantité d'oxygène introduite dans l'unité de temps dans les conditions de référence. Si V est le volume du bassin: A.H. = (C.O.) V (14) Etant donné
volume du bassin: A.H. = (C.O.) V (14) Etant donné l'importance des problèmes liés à la consommation d'énergie, on définit également un apport spécifique (ou rendement d'oxygénation) nominal, en évaluant la masse d'oxygène introduite pour une dépense d'énergie de 1 KWh (kg O2 /KWh): p = C.O. x V x 10-3 lE (15) Les performances effectives, capacité d'oxygénation, apport horaire et apport spécifique, relèvent des mêmes définitions, mais dans les conditions réelles de fonctionnement de la station. 4 — Détermination des performances nominales (en eau claire) 4.1. Principe de la méthode [31, [6] Dans le bassin rempli d'eau propre, on
méthode [31, [6] Dans le bassin rempli d'eau propre, on amène la teneur en oxygène de l'eau à une valeur voisine de 0 par un réducteur (sulfite de sodium, avec des sels de cobalt agissant comme catalyseur). On met l'aérateur en marche et on suit la remontée du taux d'oxygène en fonction du temps. Le report sur papier semi-logarithmique de (Cs - Co)/(Cs - Ct) ou de (Cs - Ct) permet la détermination de K. On en déduit la capacité d'oxygénation nominale C.O. = K . Cs, après correction de température si nécessaire. Le détail de la technique est décrit
température si nécessaire. Le détail de la technique est décrit dans [6]. 4.2. — Mesure de l'oxygène dissous En pratique, les concentrations instantanées d'oxygène sont déterminées à l'aide d'un ou plusieurs oxymètres, dont les sondes doivent être judicieusement disposées dans le bassin. L'étalonnage des appareils comporte habituellement 4 opérations (étalonnage « à l'air »): — réglage du zéro mécanique, — étalonnage de l'oxymètre à l'air, en fonction de la température (utilisation d'une table), — contrôle du zéro effectif, la sonde étant plongée dans une solution totalement désoxygénée, — contrôle de l'étalonnage à l'air. Une bonne reproductibilité des mesures n'est acquise
l'étalonnage à l'air. Une bonne reproductibilité des mesures n'est acquise qu'après un temps assez long de fonctionnement, de l'ordre d'une heure. En conséquence, il ne faut pas arrêter l'appareil entre chaque mesure; un étalonnage quotidien est indispensable. L'appareil mesure en fait le courant de dépolarisation d'une pile contenue dans la sonde, dont l'électrolyte est isolé du milieu extérieur par une fine membrane perméable à l'oxygène. L'oxygène diffuse à travers la membrane, et il s'établit un courant proportionnel au flux d'oxygène. Dans ces conditions, on conçoit que l'agitation et le renouvellement du milieu extérieur au niveau de la membrane influe sur
du milieu extérieur au niveau de la membrane influe sur la lecture [10]. Il convient donc, soit de normaliser les conditions d'agitation (certains appareils sont munis à cet effet d'une pompe à languette vibrante), soit de tenir compte d'une discordance possible entre les valeurs lues et les valeurs réelles [6]. En effet, en eau claire, on fait intervenir simultanément dans les calculs la teneur à saturation lue habituellement sur une table, pour éviter une trop longue période d'observation, et des valeurs mesurées expérimentalement. Lors d'une mesure in situ, les sondes oxymétriques sont placées en des points différents du bassin (fig.
oxymétriques sont placées en des points différents du bassin (fig. 4), où elles sont fixées de façon rigide. La vitesse de l'eau au niveau de chaque sonde reste donc pratiquement constante, dès que le régime hydraulique permanent est établi. L'expérience semble prouver que toutes les valeurs indiquées par l'oxymètre sont décalées d'une même quantité par rapport aux valeurs réelles, de sorte que la différence des valeurs réelles et des valeurs lues ne présente pas de différence. Il reste à déterminer la valeur de la concentration à saturation. Pour cela, on peut simplement laisser l'aérateur en marche jusqu'à stabilisation ; la
peut simplement laisser l'aérateur en marche jusqu'à stabilisation ; la valeur ainsi déterminée sera utilisée pour le calcul de K. Parfois, cette technique se révèle d'un emploi difficile, car aux abords de la saturation apparaissent des fluctuations appréciables du taux d'oxygène qui rend toute lecture aléatoire. On peut alors tenter une détermination de Cs par interpolation. À partir de plusieurs valeurs de Cs, voisines de la valeur théorique, on reporte sur papier semilogarithmique les valeurs calculées de Cs en fonction du temps. On retiendra la valeur de Cs qui assure la meilleure linéarité (les valeurs de Cs trop faibles donnent
la meilleure linéarité (les valeurs de Cs trop faibles donnent une courbe à concavité tournée vers le bas). Il peut être plus commode de procéder à un étalonnage de l'oxymètre dans le bassin même. Deux à trois heures après la mise en marche de l'aération, on règle le zéro effectif de l'oxymètre, puis on étalonne l'appareil en lui faisant afficher la valeur de la concentration en oxygène lue sur une table de solubilité pour la température de l'eau, ou celle déterminée par dosage chimique (Winkler). Par étalonnage dans l'eau, on s'affranchit des effets dus à l'agitation, et les valeurs lues
s'affranchit des effets dus à l'agitation, et les valeurs lues correspondent aux concentrations réelles. Pour amener le taux d'oxygène dissous à une valeur voisine de 0, on utilise un réducteur, habituellement le sulfite de sodium (Na2S03), bien que nous ayons aussi employé au laboratoire le dithionite (Na2S204). La réaction d'oxydo-réduction est catalysée par un sel de cobalt. Les quantités à utiliser seraient de l'ordre de 4 g/m3 de CoCl2 pour le catalyseur, et de 8,8 g/m3 par mg/l d'oxygène. En fait, on doit porter les apports de réducteur à 10 à 12 g/m3/mg O2/l, suivant la taille du bassin d'aération.
à 12 g/m3/mg O2/l, suivant la taille du bassin d'aération. Un temps de brassage plus ou moins long est nécessaire pour assurer une concentration en oxygène uniformément nulle avant le début de l'essai. Ce brassage est évidemment assuré par l'aérateur : un excédent de réducteur est donc nécessaire pour fixer l'oxygène introduit pendant cette opération. On verse en premier (et une fois pour toute pour la série d'essais) le sel de cobalt à proximité de l'aérateur en marche, qui en assure la dispersion (5 à 10 mn sont nécessaires), puis on apporte le sulfite de la même façon. L'essai débute
on apporte le sulfite de la même façon. L'essai débute lorsqu'on observe la remontée de la teneur en oxygène. Cette méthode n'est pas sans inconvénients. En premier lieu, il est difficile de déterminer avec précision la pente des tangentes sur une courbe dont on sait déjà que les valeurs qui ont servi à l'établir sont sujettes à caution. Mais surtout, la principale critique à faire est que l'interprétation dépend fortement de la mesure de respiration. Mis à part toute question de représentativité de l'échantillon prélevé, on a constaté depuis longtemps que l'agitation du milieu conditionne fortement le transfert d'oxygène vers
que l'agitation du milieu conditionne fortement le transfert d'oxygène vers le floc. L'agitation obtenue avec un agitateur magnétique dans un petit volume ne représente certainement pas les conditions moyennes régnant dans le bassin. Il semble qu'on soit ainsi amené à surévaluer la respiration dans le bassin. Ceci a été confirmé au laboratoire par comparaison avec un pilote de 100 l dans lequel la turbine a été légèrement enfoncée sous le niveau du liquide, lui-même isolé de l'atmosphère par une plaque flottante de polystyrène expansé. Les artifices signalés précédemment permettent de s'affranchir des imprécisions résultant des oxymètres. Il est plus difficile
s'affranchir des imprécisions résultant des oxymètres. Il est plus difficile d'éviter de faire apparaître dans les calculs la respiration des boues, R. On peut proposer cependant une modification de la méthode originelle qui permet de supprimer cette sujétion. En eau usée, l'équation de réaération s'écrit, on l'a vu : où Cs est la concentration qui serait obtenue à saturation en l'absence de respiration des boues. D'où, à l'équilibre : R = K (Cs - C's) (20) C's représentant la concentration effectivement atteinte du fait de l'activité respiratoire [2]. En reportant dans (19), il vient : On constate donc que, qu'il
dans (19), il vient : On constate donc que, qu'il y ait ou non respiration, le coefficient K demeure le même, et que seule change la concentration à saturation à prendre en compte pour le calcul de ce coefficient. Dans un pilote d'aération, il est possible d'obtenir la concentration réelle à saturation Cs en bloquant les phénomènes biologiques par un toxique (sulfamate de cuivre). C's sera déterminé sur la station, directement ou par interpolation. 5.4. Processus expérimental La veille des essais, la station est isolée et la recirculation des boues arrêtée. Avant les essais, le dispositif d'aération est mis en
arrêtée. Avant les essais, le dispositif d'aération est mis en marche pendant trois heures au moins pour maintenir la boue activée à sa concentration apparente de saturation en oxygène Cs. Après réglage du zéro mécanique et du zéro effectif, les oxymètres sont mis en marche, pour assurer des valeurs stables pendant l'essai. Pendant cette aération intensive, on met en place les sondes de mesure des oxymètres. Leur nombre et leurs positions sont fixés par la taille et la géométrie du bassin d'aération. Un dosage chimique d'oxygène est effectué vers la fin de l'aération intensive par la méthode de Winkler, et
fin de l'aération intensive par la méthode de Winkler, et l'on règle les oxymètres à cette valeur, le dispositif d'aération étant toujours en marche. On vérifiera pendant 15 à 20 min la stabilité des valeurs fournies par les oxymètres. On arrête alors le dispositif d'aération pour permettre la baisse de la teneur en oxygène dissous jusqu'à 0 mg/l, par respiration des micro-organismes. Le dispositif d'aération est remis en marche périodiquement et pendant des laps de temps très courts, pour garder à la boue son homogénéité et éviter une décantation. De cette manière, la baisse de la teneur en oxygène sera