Etude de cas : Mesure du coefficient de transfert d oxygène (k L a) en stations d épuration à boues activées

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1 Etude de cas : Mesure du coefficient de transfert d oxygène (k L a) en stations d épuration à boues activées Sylvie Gillot - Cemagref DEA STE - Module TC. 2 - Mesure et Environnement 25 novembre 2003

2 Station d épuration à boues activées Traitement de la matière organique de l azote et du phosphore des eaux usées Epuration biologique aérobie Biomasse floculée en suspension

3 Station d épuration à boues activées

4 Station d épuration à boues activées Bassin d aération + Décanteur Eaux usées pré-traitées Effluent épuré Décanteur secondaire Recirculation des boues Mesure O 2 k L a Boues en excès

5 Systèmes d aération Aérateurs de surface : projection de l eau dans l air Brosses Turbines Systèmes à insufflation d air : Moyennes bulles Fines bulles Systèmes déprimogènes

6 Aérateurs de surface - Brosses

7 Aérateurs de surface - Turbines

8 Diffuseurs fines bulles Plaque Tube Disque

9 Chenal d aération - Insufflation d air + agitation

10 Chenal d aération

11 Pourquoi mesurer k L a? Aération : poste clé d une station d épuration Qualité du traitement / capacité d oxygénation (go 2 /m 3.h) Aspects énergétiques / Apport spécifique brut (kgo 2 /kwh)

12 Où mesurer k L a? Généralement sur SITES REELS Aérateurs de surface : effet de la forme du bassin, du rapport C/H... Insufflation d air : effet de la disposition des diffuseurs, d une vitesse horizontale imposée... En boues : effet de la qualité de l eau interstitielle

13 Quand mesurer k L a? A la mise en route d installations neuves Vérification des performances en eau claire Effet des réglages Lorsque les stations sont en service Suivi du vieillissement du matériel

14 Chenal d aération - Eau claire

15 Comment mesurer k L a? En eau claire : réoxygénation d eau claire (méthode normalisée) En boues : bilan gazeux (ne perturbe pas le fonctionnement de l installation) Nécessité de la mesure de la concentration en oxygène dissous : utilisation d électrodes à oxygène

16 Sondes oxymétriques Electrodes à membrane perméable aux gaz Ampérométrie à une électrode polarisée Courant de diffusion proportionnel à la pression partielle d oxygène dissous

17 Sondes oxymétriques Réaction cathodique : O H 2 O + 4e - 4 ΟΗ - Réaction anodique: 4 Ag + 4 Cl - 4AgCl + 4e - Membrane Electrolyte Anode Cathode

18 Sondes oxymétriques po 2 = H [O 2 ] po 2 = pression partielle d oxygène H = constante de Henry [O 2 ] = concentration d oxygène dissous dans l eau T ( C) po 2 (mmhg) H ( mmhg/ mg.l) [O 2 ] (mg/l)

19 Sondes oxymétriques Etalonnage 0 (solution désoxygénée) Cs (solution saturée) Précautions : agitation, température, salinité.

20 Comment mesurer k L a en eau claire? Bilan matière sur l oxygène en phase liquide (loi de Fick) dc dt = k L a T ( ) Cs (T,P) C C = concentration en oxygène dissous (mg.l -1 ) t = temps (h) k L a T = coefficient de transfert (h -1 ) à la température T ( C) Cs (T, P) = concentration à saturation en oxygène dissous à la température T ( C) et la pression P (hpa)

21 Comment mesurer k L a en eau claire? Procédure : Saturation de l eau du bassin 0 au sulfite des sondes oxymétriques Mise en place des sondes oxymétriques Etalonnage sur la saturation (mesure par Winkler) Désoxygénation (addition de sulfite dans le bassin) Réoxygénation Exploitation des courbes de réoxygénation

22 Addition du sulfite de sodium

23 Mesure de la concentration en oxygène dissous

24 Courbe de réoxygénation - Exploitation exponentielle C t = C S (T,P) (C S (T,P) C 0 ) exp (-k L a T.t) C (g/m 3 ) ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Temps (h)

25 Courbe de réoxygénation - Exploitation logarithmique ln (C S (T,P) C t ) = k L a T. t + ln (C S (T,P) C 0 ) 3 2,5 Ln (C*-C) 2 1,5 1 0, ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 Temps (h) Incertitude sur k L a = 3 %

26 Paramètres du transfert en eau claire Capacité d Oxygénation : CO = k L a T. Cs (T,P) (go 2.m -3.h -1 ) Apport Horaire : AH = k L a T. Cs (T,P). V. 10 (kgo 2. h -1 ) Apport Spécifique Brut : ASB = AH/P (kgo 2.kW h -1 ) Rendement d Oxygénation : RO = AH/(Q. ρ. 0.21) (%) V = Volume du bassin (m 3 ) Q = Débit d air (Nm 3.h -1 ) ρ = masse volumique de l oxygène (kg.m -3 )

27 Paramètres du transfert en eau claire ASB (kgo 2.kW h -1 ) Brosses 1.55 Turbines lentes 1.50 Turbines rapides 1.05 Insufflation d air FB 2.50

28 Comment mesurer k L a en eau boues? Bilan gazeux = Bilan matière sur l oxygène en phase gazeuse : RO'= Masse d'oxygène transféré Masse d'oxygène insufflé RO = AH /(Q. ρ. 0.21) (%)

29 Méthode des bilans gazeux Expression du rendement d oxygénation en fonction des fractions molaires (gaz dépourvu de CO 2 et H 2 O) RO' = 1 y y ' s ' e (1 (1 y y ' e ' s ) ) y' e = fraction molaire en oxygène dans l air insufflé y s = fraction molaire en oxygène dans l air de sortie

30 Méthode des bilans gazeux L ensemble des gaz issus du bassin ne peut être collecté Mesure du débit d air par module de diffuseurs Echantillonnage et analyse des gaz de sortie de modules représentatifs

31 Méthode des bilans gazeux Collecteurs de gaz - Analyseur de gaz - oxymètres

32 Méthode des bilans gazeux Détermination du rendement d oxygénation global en pondérant les rendements locaux par les débits correspondants (RO') global = n RO' i= 1 n q i= 1 i si q si

33 Méthode des bilans gazeux Exemple d échantillonnage Zone d anoxie D 4 Agitateur

34 Méthode des bilans gazeux Rendements d oxygénation locaux en fonction du débit d air Rendement d'oxygénation (%) (RO ) global = 14.5 % Débit d'air collecté (m 3 /m 2.h)

35 Rapport transfert en boues / transfert en eau claire α = kla' kla Facteur alpha Gamme Très faible charge Aérateurs de surface Fines bulles

36 Mesure du transfert d oxygène en stations d épuration à boues activées Mesures en eau claire et en boues Optimisation des systèmes d aération Sur sites réels Méthode normalisée (eau claire) ou conseillée (boues)

37 Mesure du transfert d oxygène en stations d épuration à boues activées Analyse critique des étapes de la mesure Matériel utilisé (précision, étalonnage, conditions d utilisation...) Mesure (échantillonnage ) Résultats Exploitation

38 Références bibliographiques ASCE (1992) ASCE Standard measurement of oxygen transfer in clean water. American Society of Civil Engineers Capela, S., Gillot, S. and Héduit, A. (1999) Oxygen transfer under process conditions: comparison of measurement methods. 72nd Annual Conference and Exposition Water Environment Federation, New Orleans, Louisiana, USA. FNDAE (2001) Insufflation d'air fines bulles pour les boues activées en petites collectivités : influence de la forme du bassin et de la répartition des diffuseurs sur l'efficacité du transfert d'oxygène. ( FNDAE (2002) Prédiction des performances d'oxygénation des systèmes d'insufflation d'air en eau claire. ( / - à paraître)

39 Références bibliographiques (suite) Gillot, S., Héduit, A. (2003) Predicting oxygen transfer in annular ditches equipped with fine bubble diffusers and mixers. 76th Annual Conference and Exposition Water Environment Federation, Los Angeles, USA. Héduit, A., Capela, S., Gillot, S., Roustan, M. (2003) Aération forcée dans les procédés biologiques d épuration. In: Transferts gaz-liquide dans les procédés de traitement des eaux et des effluents gazeux, Ed. Tech & Doc, Lavoisier, Paris, pp pren (1999) Measurement of the oxygen transfer in clean water in activated sludge aeration tanks

40 Diffuseurs fines bulles Plaque Tube Disque

41 Diffuseurs fines bulles

42 Chenal d aération Condom (32)

43 Addition du sulfite de sodium Lyon (69)

44 Mesure du débit d air

45 Mesure de la vitesse horizontale - Eau claire Millau (12)

46 Mesures de la vitesse horizontale - Boues Montauban (82)

47 Chenal oblong Rodez (12)