Au cours d'un programme de surveillance de 7 mois, une usine de pâte à papier au nord du New Brunswick (usine de référence) a utilisé les produits de mesure de l'ATP pour suivre la quantité et la qualité de la biomasse active dans son système de traitement de l'effluent. Il a été trouvé que les paramètres ATP pouvaient générer des possibilités de contrôle amélioré du processus, pour contribuer au maintien d'un fonctionnement stable, ce qui n?est pas possible avec les autres techniques de mesure. En particulier, il a été trouvé qu'un niveau de contrôle de 6 000 ng/mL pour le cATP ( ATP intracellulaire) pouvait contribuer à assurer une performance fiable de processus, tandis que le BSI ( Index de Stress de la Biomasse) était identifié comme un signal d'alarme précoce pour les dérèglements imminents du process.
Entre mars et septembre 2006, un total de 128 échantillons ont été analysés avec les paramètres relatifs à l’ATP dans le système de traitement de l’effluent de l’usine de référence. Le process de traitement de l’effluent est un système de traitement aérobie à débit élevé, constitué d’un traitement primaire, de deux bioréacteurs en parallèle, et de deux clarificateurs secondaires. Un schéma de l’installation est présenté sur la figure 1.
En général, les échantillons étaient prélevés à l’entrée et à la sortie du flux combiné des bioréacteurs. En moyenne, les mesures ont été réalisées deux jours par semaine. Trois paramètres principaux relatifs à l’ATP étaient utilisés pour le contrôle du processus :
- cATP™ (ng/mL) – ATP cellulaire, une mesure directe du niveau d’énergie ou de la concentration de la biomasse. Idéalement utilisé comme objectif de contrôle dans le…
Tableau 1 : Usine de référence comparée à d’autres processus de traitement des effluents de pâte et de papier par boues activées
| Usine de référence | Usine #1 | Usine #2 | |
|---|---|---|---|
| Période (mois) | 7 | 7 | 10 |
| Points de données ATP | 64 | 71 | 103 |
| Charge DBO (t/j) | 43,9 | 31,6 | 32,1 |
| Volume (m³) | 17 247 | 60 000 | 44 000 |
| MLSS (mg/L) | 7 869 | 4 226 | 4 221 |
| cATP (ng/mL) | 5 400 | 2 100 | 1 713 |
| ABR (%) | 8,5 | 2,5 | 2,8 |
| F/M (kg/kg/j) | 1,04 | 0,49 | 0,35 |
| Indice de Mohimann (µm) | 76 | 144 | 175 |
| BSI (%) | 3,2 | 1,9 | 3,1 |
Tableau 2 : Coefficients de corrélation des mesures de biomasse par rapport à la DBO
| DBO entrée (mg/L) | Charge DBO (kg/jour) | Élimination de DBO (%) | |
|---|---|---|---|
| MLSS (mg/L) | 0,28 | 0,25 | 0,34 |
| MLVSS (mg/L) | 0,28 | 0,25 | 0,34 |
| cATP (ng/mL) | 0,35 | 0,24 | 0,33 |
Remarque : les valeurs de MLSS, de MLVSS et de cATP ont été mesurées à la sortie du bioréacteur.
MLSS (mg/L) 7 869 – 4 226 – 4 221 ATP (ng/mL) … ABR (%) … F/M (kg/kg/j) … Indice de Mohimann (µm) … BSI (%) …
Calcul du rapport F/M (nutriment/microorganisme) ou pour les nutriments de régulation (ex. : azote, phosphore, oxygène).
• ABR (%) — Rapport de biomasse active ; représente la fraction de solides correspondant à la biomasse active parmi les solides totaux. Calculé comme le rapport entre le cATP (solides vivants) et le MLSS (matières solides en suspension ou solides totaux). Le maintien d’une valeur élevée de l’ABR assure l’efficacité du bioréacteur.
• BSI (%) — Index de stress de la biomasse ; représente le stress relatif rencontré par la biomasse. Plus le BSI est élevé, plus la population est stressée. Les changements de qualité de l’effluent (ex. : substances toxiques, carences en nutriments) augmentent la valeur du BSI.
Comparaison avec d’autres installations
En général, la quantité et la qualité de la biomasse dans l’usine de référence sont significativement meilleures que dans d’autres systèmes de traitement des déchets de pulpe et de papier par boues activées. Le tableau 1 compare la valeur moyenne des paramètres du bioréacteur de l’usine de référence par rapport à deux autres installations de boues activées de l’industrie papetière dans l’Est du Canada.
L’usine de référence a la plus forte charge des trois usines et le plus court temps de rétention. En conséquence, les caractéristiques de la biomasse sont de la meilleure qualité :
– les niveaux d’énergie de la biomasse (cATP) sont les plus élevés ; – la proportion de solides actifs dans le bioréacteur (ABR) est la plus élevée ; – le stress de la biomasse (BSI) est le plus faible.
En général, le processus est extrêmement efficace et sain. Cependant, le débit élevé du processus laisse un coefficient de sécurité faible, qui fait de l’usine de référence un candidat idéal pour une amélioration de contrôle au moyen des pratiques de suivi ATP.
ATP et performance du processus
L’analyse des résultats de l’usine de référence montre que les paramètres ATP fournissent une corrélation à la qualité de l’effluent et des variables de performance du processus aussi bonne ou meilleure que le MLSS ou le MLVSS (biomasse morte et matières organiques inertes), bien qu’il ne s’agisse pas encore d’un paramètre de contrôle utilisé en routine. Un exemple de la corrélation entre la concentration DBO de l’affluent et le cATP est présenté à la figure 2.
Le coefficient de corrélation de 0,35 correspond à une relation significative pour un processus biologique car plusieurs variables influencent la réponse de la biomasse. Des conclusions similaires sont manifestes pour d’autres paramètres relatifs à la DBO, comme présenté au tableau 2.
Une fois établi qu’il existe une bonne relation entre le cATP et la qualité de l’effluent, l’étape suivante était de déterminer s’il existe des avantages à utiliser le cATP pour la stabilisation et l’optimisation du processus. Pour examiner cette possibilité, la performance du processus a été comparée aux intervalles de chaque mesure de biomasse. Pendant la période de suivi, la charge moyenne de DBO entrant dans le processus était de 43,9 t/jour. Les objectifs de déversement de l’effluent étaient de 3,3 t/jour (moyenne mensuelle) et de 5,0 t/jour (quotidienne). Avec ces critères, une efficacité d’élimination de 88,6 % est nécessaire pour obtenir l’objectif quotidien et de 92,3 % pour obtenir l’objectif mensuel. En classant le MLSS, le MLVSS et le MLAVSS (Mixed-Liquor Active Volatile Suspended Solids ; MLAVSS (mg/L) = cATP (ng/mL) × 0,5) par rapport aux résultats de performance du processus, des gammes de contrôle ont été établies. Pour réaliser cette analyse, seuls les jours pour lesquels les résultats d’ATP étaient disponibles ont été utilisés. Les résultats sont présentés dans le tableau 3.
Ces conclusions démontrent que pour parvenir à un niveau élevé d’élimination de DBO, une concentration suffisante de biomasse est nécessaire. Il existe une différence significative entre les niveaux de MLAVSS pour les différents objectifs, alors …
Tableau 3a : Objectifs de contrôle de la concentration en biomasse pour parvenir à différents niveaux de performance
| Efficacité de l’élimination de DBO (%) | Concentration (mg/L) |
|---|---|
| < 88,6 % | MLSS 6 700 | MLVSS 4 644 | MLVASS 2 030 |
| 88,6 % – 92,3 % | MLSS 6 904 | MLVSS 6 556 | MLVASS 2 763 |
| > 92,3 % | MLSS 8 122 | MLVSS 7 726 | MLVASS 2 988 |
que les valeurs de MLSS et de MLVSS ne présentent pas autant de variation. De plus, la pente de la performance par rapport au rapport F/M en utilisant le MLVSS est fixe – plus il y a de « M » par unité de « F », meilleure est la performance du processus. Les calculs de MLSS et de MLVSS ne présentent pas de tendance significative.
Ces conclusions suggèrent qu’en maintenant une concentration en MLVSS de 3 000 mg/L (soit un cATP de 6 000 ng/mL) et un rapport F/M inférieur ou égal à environ 0,93 dans le bioréacteur, la probabilité de répondre aux objectifs de déversement de l’effluent sera grandement augmentée. Pour vérifier ces conclusions, les valeurs moyennes de MLVSS et de performance ont été calculées pour chacun des sept mois de suivi. Les résultats sont présentés dans le tableau 4.
Le seul mois pour lequel l’objectif de 3,3 T/jour n’a pas été atteint est celui de juillet, pendant lequel la concentration en MLVSS a été nettement inférieure à 3 000 mg/L et le rapport F/M était bien supérieur à 0,93.
Comme deuxième méthode de vérification, les nouvelles recommandations de rapport F/M peuvent être appliquées par rapport au pourcentage d’élimination de DBO pendant les jours où les résultats sont disponibles. Le pourcentage de cas où l’élimination de DBO était inférieure à 88,6 % est présenté à la figure 3.
Donc, pour les 29 jours où les résultats étaient disponibles et le rapport F/M inférieur à 0,93, l’élimination de DBO était seulement une fois inférieure à l’objectif. Au fur et à mesure de l’augmentation du rapport F/M, la proportion de cas ne correspondant pas à l’objectif augmente également.
Tableau 3b : Objectifs de contrôle du rapport F/M pour parvenir à différents niveaux de performance
| Efficacité de l’élimination de DBO (%) | F/M (kg/kg/jour) |
|---|---|
| < 88,6 % | MLSS 0,37 | MLVSS 0,39 | MLVASS 1,43 |
| 88,6 % – 92,3 % | MLSS 0,38 | MLVSS 0,40 | MLVASS 1,07 |
| > 92,3 % | MLSS 0,31 | MLVSS 0,32 | MLVASS 0,93 |
Avec deux mécanismes indépendants, il a donc été vérifié qu’en maintenant un MLVSS à 3 000 mg/L (soit 6 000 ng/mL de cATP) et un rapport F/M inférieur ou égal à 0,93, on améliore beaucoup la capacité à répondre aux objectifs de performance de processus.
ATP et dérèglements du process
Outre l’identification de possibilités pour une stabilité améliorée par le maintien de concentrations spécifiques de biomasse, il a également été trouvé que les mesures d’ATP peuvent fournir une alarme précoce des dérèglements imminents de processus.
Un tel incident s’est produit le 4 juillet. À ce moment, l’efficacité d’élimination de la DBO a chuté en dessous de l’objectif de 88,6 %. Le même jour, une évaluation au microscope a montré que la qualité microbienne était « pauvre ». Le taux de DBO de l’effluent n’a pas augmenté de manière importante pendant cet incident, ainsi il n’existait pas de condition de « surcharge ».
L’analyse des résultats a montré qu’un pic important de la valeur de BSI a précédé cet incident de cinq jours – 5,6 % le 29 juin et 7,1 % le 3 juillet. La moyenne globale de BSI pour la période était de 3,2 %, aussi il s’agissait d’une réponse significative. Une illustration de ceci est présentée sur la figure 4.
Il est également intéressant de noter que pendant les deux semaines précédant cet incident, le niveau de MLVSS était significativement en dessous de l’objectif de contrôle proposé. De plus, la proportion de solides actifs par rapport au total (déterminée par l’ABR) était également très faible. La cause de cet incident n’est pas établie, mais certains facteurs possibles incluent :
- - un débit d’azote en dessous de la valeur optimale ;
- - une variation soudaine de la température du processus de 40 à 32 °C ;
- - de grandes fluctuations de conductivité et de TDS ;
- - une chute du pH de l’effluent.
On ne sait pas s’il s’agissait d’une cause unique ou d’une relation de synergie entre plusieurs causes qui ont produit la réponse sous-optimale de la biomasse ; une caractéristique importante du BSI est qu’il réagit quand des stress surviennent, facilitant ainsi la création de meilleures relations cause/effet aux jours où les problèmes se produisent vraiment. En général, une valeur de BSI supérieure ou égale à 4,0 % semble être un indicateur de situation stressante dans le bioréacteur de l’usine de référence.
Variabilité des données
L’apparente grande variabilité des résultats ATP était une forte préoccupation à l’usine.
Tableau 4 : Vérification de l’objectif de contrôle par calcul de moyennes mensuelles
| Mois | MLVSS (mg/L) | F/M | DBO en sortie (mg/L) | Élimination de DBO (%) |
|---|---|---|---|---|
| LIMITE | – | – | 3,3 | – |
| Mars | 3 152 | 0,75 | 1,3 | 96,9 % |
| Avril | 2 943 | 0,87 | 1,0 | 97,6 % |
| Mai | 3 044 | 0,95 | 3,0 | 93,5 % |
| Juin | 2 432 | 0,99 | 1,9 | 94,7 % |
| Juillet | 2 114 | 1,37 | 5,6 | – |
| Août | 3 536 | 0,77 | 1,6 | 96,3 % |
| Septembre | 3 464 | 1,24 | 2,0 | 96,1 % |
de référence. La variabilité est un paramètre qui peut être lié à plusieurs causes ; en général, les paramètres ATP varient plus que les mesures conventionnelles car de nombreux facteurs affectent la biomasse vivante. Les principaux facteurs qui affectent la biomasse sont la quantité de nutriments disponibles sur une base quotidienne — le tableau 5 présente l’écart-type relatif des 4 principaux nutriments par rapport aux 3 mesures de quantité de biomasse.
Le MLAVSS varie presque 4 fois plus que le MLSS ou le MLVSS ; cependant, ceci est probablement en réponse à la variabilité collective des 4 nutriments.
Il peut également y avoir des facteurs analytiques ou de variabilité d’échantillonnage. Par exemple, les mesures de MLSS et de MLVSS sont réalisées 4 fois chaque jour, puis moyennées à des fins de contrôle.
Les paramètres ATP sont seulement mesurés deux fois par jour de test et actuellement la fréquence de test est de 2 fois par semaine.
Enfin, le MLSS et le MLVSS sont des paramètres activement contrôlés et maintenus — c’est-à-dire que les opérateurs s’efforcent de conserver ces chiffres à une valeur ou dans un intervalle spécifique d’objectif sur une base journalière. Si les mesures étaient prises pour contrôler les niveaux d’ATP, la variabilité pourrait être réduite.
Tableau 5 : Examen de la variabilité dans le temps des résultats
| Paramètre | Écart-type relatif (%) |
|---|---|
| DBO entrant (mg/L) | 23,6 |
| N entrant | 58,7 |
| P entrant | 55,6 |
| O₂ entrant | 24,4 |
| Moyenne combinée | 40,6 |
| MLSS | 10,5 |
| MLVSS | 10,3 |
| MLAVSS | 39,4 |
Conclusions
À ce jour, les résultats d’ATP accumulés ont fourni plusieurs conclusions de valeur et montrent des possibilités pour stabiliser le fonctionnement du processus et déterminer l’origine de ses dérèglements.
Les objectifs déterminés de contrôle ont été vérifiés et ne sont pas invraisemblables — le bioréacteur obtient ces conditions plus souvent qu’il ne les obtient pas. En routine pour le suivi de ces objectifs de contrôle, des graphiques tels que ceux des figures 5a et 5b peuvent être utilisés.
De plus, une valeur d’ABR supérieure ou égale à 35 % semble conduire à une performance optimale du bioréacteur.
L’utilisation de cette information sur une base quotidienne devrait faciliter la détection précise des conditions de détérioration et l’action corrective ultérieure de l’opérateur.
Dans des situations où les niveaux de MLAVSS chutent en dessous de la concentration optimale recommandée de 3 000 mg/L, des actions similaires à celles communément menées en cas de niveaux élevés de MLSS ou de MLVSS peuvent être entreprises, telles qu’une augmentation du débit de retour des boues activées ou une augmentation de débit des suppléments (oxygène, azote, phosphore) pour remédier à toutes restrictions.
En allant plus loin, l’usine de référence envisage de prendre des mesures pour améliorer la qualité des résultats ATP en réalisant davantage d’analyses à une plus grande fréquence.
L’usine de référence a l’intention de continuer à recueillir les résultats et lorsque davantage de données seront disponibles, les possibilités d’optimisation pourront être analysées.
Par exemple, le taux d’azote, phosphore et oxygène peut être comparé à l’ATP et à la DBO, et les relations entre les nutriments et la quantité de biomasse peuvent être établies pour identifier des possibilités, non seulement de stabiliser le fonctionnement mais également d’économiser en coûts opérationnels.
Ceci sera réalisé à l’aide d’une logique d’analyse à plusieurs variables.
