Régulation de l'aération des boues activées par la mesure ammonium-nitrate

Le renchérissement du coût de l’énergie et la volonté de réduire l’empreinte écologique du traitement des eaux usées imposent la recherche et la mise en œuvre de dispositifs de régulation de l’aération performants et fiables.

La société Hach-Lange, avec sa gamme WTOS (Water Treatment Optimisation Solutions), propose des solutions de régulation du fonctionnement des stations d’épuration (injection de réactifs chimiques, gestion de l’aération, pilotage de l’extraction de boues...). Le principe du module développé spécifiquement pour contrôler l’aération, WTOS N_DN-RTC, repose sur la mesure en continu de la teneur en ions ammonium et nitrate au cœur du réacteur biologique.

Pour tester cette technologie de mesure à partir de différentes sondes et valider l’efficacité de la régulation, après l’aimable autorisation du SIA, ce matériel a été installé sur la station d’épuration du Syndicat Intercommunal d’Assainissement de Marolles-Saint Vrain. L’étude s’est déroulée du mois de mars 2011 à septembre 2011.

La station d’épuration du SIA Marolles-Saint Vrain (91) est dimensionnée pour recevoir une population urbaine de 22 000 EH. Construite par France Assainissement et mise en service en 2007, elle est exploitée par la Société des Eaux de l’Essonne (SEE) dans le cadre d’un contrat de prestations de service depuis le 1er janvier 2010. La station assure le traitement des eaux usées des communes d’Avrainville, Cheptainville, Guibeville, Itteville, Leudeville, Marolles-en-Hurepoix et Saint Vrain.

Les effluents acheminés sur le dispositif transitent par un poste de relevage avant de subir un prétraitement classique. La filière biologique fonctionne selon le principe d'une boue activée faible charge avec une aération syncopée. Trois suppresseurs assurent l’apport en oxygène via des dif-

Diffuseurs « fines bulles » (2 surpresseurs en simultané et un en secours).

Le brassage, dissocié de l’aération, est assuré par des agitateurs fonctionnant en continu. Une injection de chlorure ferrique dans le bassin d’aération permet l’élimination simultanée du phosphore.

Un clarificateur assure ensuite la séparation des boues et des eaux traitées. Les boues sont recirculées vers la zone de contact en entrée du bassin d’aération.

Les eaux traitées rejoignent le milieu naturel la « Fausse Juine », cours d’eau classé sensible à l’eutrophisation par la pollution azotée et phosphorée.

Les boues en excès sont extraites directement du bassin d’aération pour subir un épaississement par grille d’égouttage, puis sont déshydratées au moyen d’un filtre-presse. Les boues sont ensuite séchées dans deux serres solaires avant d’être valorisées en agriculture.

Les limites de qualité des effluents imposées par l’arrêté préfectoral d’autorisation de rejet (21 mars 2006) sont précisées dans le tableau ci-après.

Les paramètres azotés et phosphorés sont jugés en moyenne annuelle. Les prescriptions de l’arrêté sont à respecter en concentration ou en rendement.

Objectifs et méthodologie de l’étude

Les objectifs de cette étude sont multiples :

• contrôler la fiabilité des sondes NH₄ et NO₃ par rapport aux analyses de laboratoire, comparer les technologies et évaluer les règles d’entretien et de maintenance des capteurs.
• mesurer les gains énergétiques liés à la régulation de l’aération par le système WTOS RTC N/DN et analyser l’impact sur la qualité des rejets comparativement aux autres modes de gestion de l’aération.
• identifier des impacts éventuels de ce mode de fonctionnement sur la qualité de la boue et les performances de la filière de traitement.

Afin de bien évaluer les gains apportés par la mise en œuvre du module de régulation couplé aux mesures en ligne des sondes NH₄, NO₃ et O₂, il était impératif de disposer de données de référence correspondant à un fonctionnement optimisé du traitement biologique, à savoir : un taux de boues adapté pour une charge massique de 0,1 kg DBO₅/kg MVS·jour, un temps de marche réel des surpresseurs en cohérence avec les besoins théoriques, la consommation d’énergie, la qualité de l’eau épurée, la qualité des boues,…

Optimisation préalable menée par l’exploitant

L’objectif est d’apporter la juste quantité d’oxygène nécessaire au traitement de la pollution reçue. Avant le test du matériel Hach-Lange, les alternances de phase d’aération et d’anoxie nécessaires pour les réactions de nitrification et de dénitrification étaient pilotées, soit par horloge (plage d’aération fixe quelle que soit la charge polluante reçue), soit par sonde Redox, soit par un couplage Redox/Oxygène dissous (démarrage et arrêt de l’aération sur seuil haut et bas).

Le suivi du fonctionnement en mode Redox/O₂ a été fait à partir des données enregistrées depuis la reprise de l’exploitation par la Société des Eaux de l’Essonne en janvier 2010, et pendant la période du 20 avril au 19 mai 2011, période de suivi incluant les données des sondes de mesures ammoniums et nitrates installées dans le bassin d’aération.

Durant cette période, les paramètres étudiés ont été les suivants :

• Temps de marche des surpresseurs,
• Concentration en oxygène dissous dans le bassin,
• Données d’autosurveillance et d’exploitation,
• Teneurs en NH₄ et NO₃ (période du 20 avril au 19 mai 2011).

L’automatisme du mode Redox + O₂ implanté sur le site pilotant l’aération fonctionne de la façon suivante :

Consignes Redox :

• Démarrage de 2 surpresseurs (simultané) sur atteinte d’un seuil bas : 0 mV
• Arrêt des 2 surpresseurs sur atteinte d’un seuil haut : +320 mV

Consignes Oxygène :

• Seuil haut oxygène : arrêt d’un surpresseur sur atteinte d’un seuil haut de 2,5 mg/L
• Seuil très haut oxygène : arrêt des 2 surpresseurs sur atteinte d’un seuil très haut de 7 mg/L

En cas de dysfonctionnement de la sonde Redox, un mode secours permet d’assurer des temps de marche minimum et maximum des surpresseurs.

Les données recueillies durant cette période seront comparées à celles enregistrées après la mise en service du système de régulation WTOS RTC N/DN.

Avec ce mode de fonctionnement, on observe de grandes variations en NH₄⁺ et en NO₃⁻ au cours de la journée avec des pointes pouvant atteindre 12 mg/L en nitrate et 8 mg/L en ammonium.

De plus, la courbe d’O₂ montre des excès d’oxygène dissous (> 1 mg/L) sur des périodes d’environ 1 h en fin de cycle d’aération.

Présentation du matériel Hach-Lange

Les équipements implantés et testés sur la station d’épuration de Marolles-Saint Vrain sont les suivants :

• Sonde combinée ANISE : mesure des ions NH₄⁺ et NO₃⁻ par électrodes sélectives avec compensation K⁺ et Cl⁻.

• Sonde Nitratax SC : mesure des ions NO₃⁻ par UV.

• Sonde NH₄-D : mesure des ions NH₄⁺ par électrode sélective (compensation K⁺).

• Sonde LDO : mesure optique de l’oxygène dissous.

• Boîtier d’acquisition SC1000 : permet de communiquer en Modbus avec les différents appareils. Il transmet la mesure des ions ammonium et nitrate vers le régulateur WTOS. Les informations peuvent également être transférées vers la supervision.

• Régulateur WTOS RTC N/DN+O₂.

L’ensemble des capteurs de mesure a été disposé sur la passerelle à côté des sondes Oxygène et Redox (Endress+Hauser) déjà présentes sur la station, à quelques mètres de la sortie du bassin d’aération vers le dégazage.

Les sondes ANISE, NH₄-D et LDO sont libres dans le bassin (fixation sur chaîne) ; la sonde Nitratax est fixée sur support rigide (canne d’immersion) coudé à 90°, la tête de la sonde étant dans le sens du flux afin de limiter les risques de colmatage.

L’afficheur SC1000 est situé sur la passerelle. Le WTOS a été installé dans l’armoire électrique générale de la station.

Pour permettre de comparer les performances avec la situation actuelle (sonde Redox + Oxygène), il a été choisi de tester le module de régulation WTOS N/DN+O₂ avec les sondes ANISE et LDO pour le pilotage de l’aération :

– la mesure des paramètres NH₄⁺ et NO₃⁻ permet de calculer les temps d’aération nécessaires ;

– la mesure de l’oxygène dissous permet d’ajuster le nombre de surpresseurs à mettre en fonctionnement.

Les autres sondes ont été testées à titre de comparaison.

Gestion des capteurs

Nettoyage

Il est préconisé de nettoyer les sondes une fois toutes les deux à trois semaines en fonction de l’encrassement observé sur site.

Le nettoyage s’effectue à l’eau du robinet et avec un pinceau fourni avec les sondes.

Il est déconseillé de nettoyer des sondes à ions sélectifs avec de l’eau distillée ou déminéralisée.

L’opération de nettoyage est relativement rapide, environ 10 minutes, pour l’ensemble des capteurs.

Au cours de la période d’essais, il n’a pas été constaté d’encrassement anormal des sondes.

De la filasse peut se déposer sur la canne d’immersion mais le capteur reste propre.

La sonde oxygène LDO mise en place nécessite un simple nettoyage mensuel.

Il est également préconisé par le fournisseur de réaliser un nettoyage, tous les deux mois, de la fenêtre en verre de la sonde Nitratax à l’acide dilué (HCl à 5 %).

Suivi comparatif / Étalonnage

Avec le principe de mesure des ions ammonium et nitrate par électrodes sélectives, une dérive peut être constatée au fil du temps. Pour le pilotage de l’aération, il est important de disposer de mesures fiables. Des mesures comparatives doivent être réalisées deux fois par semaine de la façon suivante :

1. Prélèvement d’un échantillon ponctuel de boues activées à proximité des sondes (en alternant les phases de prélèvement : en aération et en anoxie).

2. Relevé des valeurs affichées : K⁺, Cl⁻, NO₃⁻, NH₄⁺.

3. Au laboratoire : filtration de l’échantillon et analyses par kits rapides (spectrophotomètre) des paramètres NH₄⁺ et NO₃⁻.

Ces mesures ont pour but d’une part d’identifier toute dérive par rapport à une mesure laboratoire, et d’autre part de réaliser l’étalonnage des sondes, le cas échéant.

On parle de « dérive » de la sonde lorsque deux à trois mesures comparatives successives présentent un écart significatif de l’ordre de 1 mg/L.

Dès lors, il est nécessaire d’effectuer l’étalonnage.

L’étalonnage de la sonde. Ci-dessous une courbe de suivi et une droite d’étalonnage.

Aucune maintenance particulière n’est requise pour la sonde ANISE. La cartouche du capteur contenant les têtes de sonde a une durée de vie estimée à 1 an. La fréquence d’étalonnage nécessaire pendant les 5 mois d’essai a été de 1 à 2 par mois. Le retour d’expérience sur la sonde NH₄-D montre les mêmes résultats que sur la sonde ANISE, la méthode de mesure étant identique.

La sonde Nitratax montre une grande fiabilité : aucune calibration n’a été nécessaire. En revanche des opérations de maintenance sont nécessaires (une à deux fois par an) : renouvellement du balai d’essuie-glace qui passe devant la cellule de mesure et changement du joint d’étanchéité.

Descriptif du fonctionnement du régulateur WTOS

Principe de fonctionnement

Les temps de nitrification et dénitrification sont déterminés pour le WTOS N/DN en fonction des concentrations mesurées en N-NH₄ et en N-NOₓ et des valeurs cibles imposées par l’exploitant. Le contrôleur estime les valeurs mesurées absolues ainsi que le taux d’augmentation ou de baisse des mesures (pentes d’apparition et disparition des paramètres). Le système est donc de type prédictif.

Le bon fonctionnement de l’aération est préservé en cas de valeurs aberrantes ou défaut de communication. En effet, des intervalles comprenant des temps de nitrification et de dénitrification minimum et maximum réglables sont définis.

Le WTOS testé dispose d’une régulation optionnelle de l’oxygène. Ce type de contrôle est basé sur des régulateurs de seuil haut et bas en oxygène. Il est activé durant les phases de nitrification (aération). Le contrôle de l’oxygène permet d’adapter la puissance d’aération aux besoins de chaque phase d’aération. Il contient jusqu’à six niveaux d’aération différents. Les surpresseurs mono-vitesse de l’installation de Saint-Vrain ne permettent l’utilisation que de deux niveaux d’aération différents : 1 ou 2 surpresseurs en fonctionnement.

Principaux réglages du régulateur

En fonction de la qualité de traitement imposée par la réglementation, les réglages initiaux des différents paramètres ont été saisis à la mise en route tels que :

• • Valeurs cibles définies : 1,5 mg N-NH4/L et 2,5 mg N-NO3/L
• • Max O2 à 2,5 mg/L permet l’arrêt des surpresseurs en phase de nitrification.
• • Min O2 à 1 mg/L permet le démarrage du deuxième surpresseur si la concentration en oxygène est inférieure à 1 mg/L en phase de nitrification.
• • Temps de fonctionnement sécuritaire :
  • - Min Nitrification : 15 min.
  • - Max Nitrification : 120 min.
  • - Min Dénitrification : 30 min.
  • - Max Dénitrification : 150 min.

Ajustement des réglages en cours d’essai :

Le réglage de la valeur cible a été modifié pour le paramètre NH4 le 14/06, pour être fixé à 2,5 mg/L, afin de réduire les fréquences de démarrages de l’aération.

Le réglage du seuil bas Min O2 a été modifié à 0,3 mg/L. Cette modification a été effectuée afin de limiter les redémarrages des surpresseurs lorsque ces derniers sont coupés par l’atteinte du seuil haut Max O2 durant la phase de nitrification.

Description des séquences de fonctionnement de la régulation

Les graphiques ci-dessous présentent les courbes issues de la supervision. Sur ces graphiques sont affichées plusieurs courbes :

• • Variable de calcul du régulateur, Nreg en bleu ciel, varie entre −1 et +1,
• • Variable Nombre de surpresseurs demandés, Nbre supres. en rose, varie de 0 à 2,
• • Surpresseurs en fonctionnement, 3 lignes vertes en bas,
• • Oxygène en orange (échelle 0 à 6 mg/L),
• • Nitrates en vert (échelle 0 à 5 mg/L, 0 à 6 mg/L le week-end),
• • Ammonium en rose (échelle 0 à 5 mg/L, 0 à 6 mg/L le week-end),
• • Redox en rouge (échelle −400 à +200 mV).

Sur le graphique du fonctionnement du mode WTOS les 15 et 16/06, on observe l’effet de la régulation, avec des pointes de nitrates ne dépassant jamais les 3,5 mg/L et des pics en ammonium situés autour de 2 mg/L. On observe également une montée en oxygène en fin d’aération, ce qui traduit bien le fait que la charge ait été éliminée. Cependant, ces excès d’O2 dissous ne sont que de très courte durée. L’oxygène injecté est donc mieux utilisé. Les phases d’aération sont de l’ordre de 25 à 30 min mais peuvent varier en fonction de la charge entrante (cas d’un pic de charge).

Le graphique du fonctionnement du mode WTOS le week-end du 26/06 montre comment le système se comporte le week-end (augmentation de la charge sur la station, soit 1,2 fois la charge d’un jour de semaine correspondant à 50 % de la charge nominale). Les pics maximum sont de 5,3 mg/L en N-NH4 et de 5,1 mg/L en N-NO3. Pendant ces phases d’aération l’oxygène ne dépasse pas les 0,3 mg/L.

On observe que le système ne traite pas la charge en ammonium à son maximum lors d’une phase d’aération mais la coupe avant afin de limiter une formation de nitrate trop importante. En fonctionnant ainsi, le système réagit beaucoup mieux à l’effet des pics de charge que le système redox et les valeurs en nitrate se re-stabilisent très vite en dessous de 4 mg/L après la pointe de flux de pollution.

Oxygène dissous

On observe nettement l’effet de la mise en place de la régulation, la concentration moyenne en oxygène dissous ayant nettement diminué dans le bassin d’aération. Sur le mois de mai, il est possible de comparer le taux moyen d’oxygène dissous

obtenu (conditions de fonctionnement très proches) avec la régulation Redox égal à 1,14 mg/L avec celui obtenu avec la régulation WTOS égal à 0,55 mg/L.

Cette réduction importante de la concentration en oxygène dissous montre que celui-ci est quasiment entièrement utilisé par les bactéries pour éliminer la pollution. Ce paramètre montre qu’il n’y a pas de perte et que l’ensemble de l’air fourni par les surpresseurs est utilisé au bon moment pour traiter la charge polluante.

Cette réduction du taux d’oxygénation de la boue activée n’a pas eu d’incidences mesurables sur la qualité des boues : décantabilité, déshydratabilité, taux de MVS (à l’échelle de la durée du test : 5 mois).

Retour d’expérience

Performance épuratoire

Le suivi des performances des deux modes de régulation, Redox+O₂ et WTOS N/DN+O₂, a été réalisé à partir des rendements épuratoires atteints en azote global. Les moyennes ci-dessous ont été calculées sur une période comparable (avec des poids de boues et des conditions de température dans le bassin équivalents) :

Le traitement de l’azote à l’échelle d’un bilan journalier (bilan 24 h) est de meilleure qualité avec la régulation WTOS (le traitement du carbone étant de même qualité) et permet également une plus grande fiabilité de la qualité du rejet tout au long de la journée, quelle que soit la charge arrivant en entrée de station.

Temps de marche des surpresseurs

À l’échelle du mois de mai 2011 (temps sec), on peut considérer que les conditions de fonctionnement sont identiques. Durant cette période, les deux types de régulation ont fonctionné :

• Du 1ᵉʳ au 18 mai, régulation Redox ;
• Du 19 au 31 mai, régulation WTOS+O₂.

Sur ces périodes représentatives, on constate une réduction du temps d’aération de 1,2 h en moyenne par jour (14,2 h/j en régulation Redox et 13 h/j en régulation WTOS+O₂) soit un gain de 8,5 %.

Lorsque deux surpresseurs sont en fonctionnement, leur puissance absorbée est de 59 kWh (mesure effectuée en février 2011, surpresseur roots à vitesse fixe). Durant une année complète avec un gain moyen sur le temps d’aération de 1,2 h/j, l’économie réalisée est évaluée à 25 840 kWh. La qualité du traitement n’étant pas identique selon la régulation de l’aération utilisée, il convient de rapporter les temps d’aération au rendement d’élimination de l’azote. Ainsi, un ratio énergétique par kilogramme d’azote traité pourra être établi. Un historique a été réalisé sur le fonctionnement de l’aération en régulation Redox, et des bilans journaliers fréquents (bilans 24 h, entrée/sortie de STEP) ont été réalisés permettant de chiffrer le ratio « temps de marche/kg de NGL éliminé ».

Les ratios ont été moyennés et comparés sur des périodes de fonctionnement identiques.

Le gain d’aération pour éliminer 1 kg d’azote global est de 0,018 h ou 1,1 kWh, ce qui représente une réduction de 20 % par rapport à la régulation sur seuils Redox.

Coûts

L’investissement du matériel de régulation Hach-Lange et l’installation par les équipes de la SEE sur la station de Saint-Vrain est de l’ordre de 20 k€, il comprend :

• SC 1000 + module de communication + auvent de protection,
• Sondes Anise + kit chaîne d’immersion,
• Régulateur WTOS N/DN,
• Installation de l’ensemble sur le bassin d’aération et dans les armoires de contrôle + communication avec l’automate de la station,
• Forfait mise en route/formation.

Les coûts d’exploitation annuels sont estimés à 2 k€ et comprennent le suivi, l’entretien des sondes et le remplacement de la capsule de la sonde Anise.

Conclusion

Ces essais confirment l’efficacité, la fiabilité et l’intérêt de la régulation de l’aération d’une boue activée pilotée par le suivi des formes azotées (nitrification/dénitrification). Les avantages principaux portent sur l’économie d’énergie d’une part et sur la constance de la qualité de l’eau épurée d’autre part. Sous réserve d’un suivi adapté des équipements, l’optimisation des seuils de régulation (NH₄⁺ et NO₃⁻) pour respecter en permanence le niveau de rejet imposé sur l’azote global (15 mg/L dans le cas de Saint-Vrain) doit permettre de tendre vers une économie d’énergie du poste aération de l’ordre de 15 % comparativement aux dépenses enregistrées avec une régulation traditionnelle (Redox/Oxygène).

Pour répondre à un objectif de recherche permanente de l’optimisation des coûts d’exploitation, associé de plus à l’évolution inévitable du coût de l’énergie électrique au cours des prochaines années, le système de régulation de l’aération proposé par la société Hach-Lange représente une solution de mise en œuvre facile pour les maîtres d’ouvrage et les exploitants.

1 Coût pour une régulation basée sur la sonde Anise seule (hors sonde O₂) et régulateur WTOS N/DN simple, sans option régulation O₂.