Mesure des nitrates et nitrites
dans le process de traitement biologique de la station d’épuration de Schweinfurt, en Allemagne.
Cas d’application mené par nos collègues de chez TriOS Mess- und Datentechnik GmbH
La situation
La station d’épuration de Schweinfurt, conçue pour 250 000 EH, exploite sa phase de traitement biologique via quatre conduites aérées par intermittence. Chaque ligne est équipée d’une sonde combinée ammonium/nitrate ISE (électrodes sélectives ioniques) pour le contrôle. Les sondes ISE, relativement peu coûteuses à l’achat, fonctionnent selon un processus électrochimique, sujet à une dérive des valeurs mesurées en raison des modifications des propriétés de l’électrode au fil du temps. Cette dérive peut être accrue par les impuretés présentes dans les eaux usées. Par conséquent, des étalonnages fréquents via des mesures comparatives en laboratoire sont nécessaires. Le débit commun des quatre conduites d’aération est à nouveau contrôlé avec un analyseur d’ammonium et une sonde nitrates optique (N-NOx). En plus des tâches de contrôle direct, celles-ci servent également à surveiller et à vérifier la fiabilité des sondes ISE.
La situation
La station d’épuration de Schweinfurt, conçue pour 250 000 EH, exploite sa phase de traitement biologique via quatre conduites aérées par intermittence. Chaque ligne est équipée d’une sonde combinée ammonium/nitrate ISE (électrodes sélectives ioniques) pour le contrôle. Les sondes ISE, relativement peu coûteuses à l’achat, fonctionnent selon un processus électrochimique, sujet à une dérive des valeurs mesurées en raison des modifications des propriétés de l’électrode au fil du temps. Cette dérive peut être accrue par les impuretés présentes dans les eaux usées. Par conséquent, des étalonnages fréquents via des mesures comparatives en laboratoire sont nécessaires. Le débit commun des quatre conduites d’aération est à nouveau contrôlé avec un analyseur d’ammonium et une sonde nitrates optique (N-NOx). En plus des tâches de contrôle direct, celles-ci servent également à surveiller et à vérifier la fiabilité des sondes ISE.
La problématique
Pour les contrôles de débit de l’étape de traitement biologique, la station d’épuration de Schweinfurt dispose d’un bâtiment de mesure avec un réservoir de trop-plein dans lequel un débit partiel des eaux usées est pompé en continu. La sonde optique NOx utilisée jusqu’à présent est installée dans ce réservoir de trop-plein en complément de la filtration pour l’analyseur d’ammonium.
Cependant, il s’avère que ce capteur ne fournit pas de concordance satisfaisante avec les mesures comparatives des nitrates en laboratoire et doit donc être réétalonné encore et encore, ce qui n’est normalement pas prévu pour une mesure optique des nitrates.
Pour un contrôle et une surveillance précis des sondes ISE, la sonde NOx n’est donc pas suffisament adaptée. Une nouvelle sonde plus performante doit être utilisée à ce niveau du process.
Un autre inconvénient est le temps de réponse relativement long des mesures NOx. Avec l’utilisation actuelle de la sonde directement dans les boues activées, un calcul de moyenne est nécessaire car la turbidité élevée provoquée par les flocs de boues, engendre des fluctuations plus importantes dans les mesures individuelles. Par conséquent, une moyenne sur 10 à 15 minutes (3 à 5 mesures individuelles) est généralement nécessaire pour lisser l’hydrogramme. En cas de changements très rapides de la concentration en nitrates dans les eaux usées, une mesure comparative exacte en laboratoire est donc considérablement plus difficile.
Cependant, il s’avère que ce capteur ne fournit pas de concordance satisfaisante avec les mesures comparatives des nitrates en laboratoire et doit donc être réétalonné encore et encore, ce qui n’est normalement pas prévu pour une mesure optique des nitrates.
Pour un contrôle et une surveillance précis des sondes ISE, la sonde NOx n’est donc pas suffisament adaptée. Une nouvelle sonde plus performante doit être utilisée à ce niveau du process.
Un autre inconvénient est le temps de réponse relativement long des mesures NOx. Avec l’utilisation actuelle de la sonde directement dans les boues activées, un calcul de moyenne est nécessaire car la turbidité élevée provoquée par les flocs de boues, engendre des fluctuations plus importantes dans les mesures individuelles. Par conséquent, une moyenne sur 10 à 15 minutes (3 à 5 mesures individuelles) est généralement nécessaire pour lisser l’hydrogramme. En cas de changements très rapides de la concentration en nitrates dans les eaux usées, une mesure comparative exacte en laboratoire est donc considérablement plus difficile.
La solution
Une sonde spectrale OPUS à été installée dans sa cellule de mesure montée sur platine, et alimentée grâce au circuit d’eau filtré déjà existant pour l’analyseur d’ammonium. La mesure optique dans un milieu clair permet d’augmenter la longueur du trajet du capteur de 1 à 2 mm, obtenant ainsi des résultats de mesure plus précis.
De plus, le calcul de moyennes n’est pas nécessaire, car les mesures individuelles sont stables après filtration. L’intervalle de mesure réglé est de 2 minutes afin de suivre la dynamique rapide du traitement.
La sonde UV OPUS est équipée d’un étalonnage nitrate/nitrite, afin que la valeur de concentrations en azote puisse être enregistrée correctement.
De plus, le calcul de moyennes n’est pas nécessaire, car les mesures individuelles sont stables après filtration. L’intervalle de mesure réglé est de 2 minutes afin de suivre la dynamique rapide du traitement.
La sonde UV OPUS est équipée d’un étalonnage nitrate/nitrite, afin que la valeur de concentrations en azote puisse être enregistrée correctement.
Pendant ue période d’un mois, le laboratoire de la station d’épuration a effectué régulièrement des mesures comparatives des nitrates et des nitrites à l’aide de tests en cuvettes. Ces tests affichent une excellente corrélation avec les valeurs en ligne du capteur OPUS pour les nitrates sur toute la plage de mesure. Résultats confirmés par un graphique de corrélation impressionnant avec une pente de presque 1 et un coefficient de détermination de 0.99.
Même pour les nitrites, une très bonne corrélation peut être constatée malgré la faible plage de mesure. Un petit décalage d’env. – 0,15 mg/l optimiserait même les résultats de mesure. Cependant, aucun autre ajustement des paramètres n’a été effectué pendant la période d’essai.
Même pour les nitrites, une très bonne corrélation peut être constatée malgré la faible plage de mesure. Un petit décalage d’env. – 0,15 mg/l optimiserait même les résultats de mesure. Cependant, aucun autre ajustement des paramètres n’a été effectué pendant la période d’essai.
Corrélation des mesures comparatives en laboratoire avec les valeurs en ligne du dispositif de test OPUS UV dans le rejet biologique de la station d’épuration de Schweinfurt du 26.6 au 26.7.2019
Ce qui est frappant dans l’évolution des valeurs mesurées en ligne, est que les nitrites sont détectés à plusieurs reprises en quantités clairement mesurables (jusqu’à 2 mg/l). Avec les nitrates, les nitrites présentent un hydrogramme quotidien dynamique avec des changements généralement très rapides et importants dans les valeurs mesurées. Cependant, dans l’ensemble, la somme des nitrates et des nitrites restent bien inférieures à 10 mg/l, même dans les pics.
Graphiques des valeurs des mesures OPUS pour NO3-N (ligne bleue) et NO2-N (ligne jaune) avec les mesures comparatives en laboratoire pour NO3-N (points rouges) et NO2-N (points verts)
Conclusion
Les résultats montrent qu’il faut nécessairement utiliser à ce point de mesure une sonde spectrale capable de détecter les nitrates et les nitrites de manière différenciée. Outre les nitrates, les nitrites sont toujours présents en concentrations non négligeables, ce qui interfère avec une mesure de Nos et produit des résultats de mesure divergents.
Les nitrates et les nitrites absorbent la lumière UV presque à la même intensité et à la même longueur d’onde. Si la mesure UV est effectuée à une seule longueur d’onde, comme c’est le cas avec des capteurs optiques de NOx, il n’est pas possible de différencier entre ces deux paramètres. Le résultat est exprimé comme une valeur de nitrate pur et diffère significativement des concentrations réelles en présence de nitrite. Ce n’est qu’avec une évaluation spectrale sur une plage de longueurs d’onde plus large avec une résolution suffisante, comme c’est le cas avec la sonde UV OPUS, permet de déterminer simultanément et avec précision ces deux paramètres.
Les nitrates et les nitrites absorbent la lumière UV presque à la même intensité et à la même longueur d’onde. Si la mesure UV est effectuée à une seule longueur d’onde, comme c’est le cas avec des capteurs optiques de NOx, il n’est pas possible de différencier entre ces deux paramètres. Le résultat est exprimé comme une valeur de nitrate pur et diffère significativement des concentrations réelles en présence de nitrite. Ce n’est qu’avec une évaluation spectrale sur une plage de longueurs d’onde plus large avec une résolution suffisante, comme c’est le cas avec la sonde UV OPUS, permet de déterminer simultanément et avec précision ces deux paramètres.
L’installation de la sonde en dérivation présente un grand avantage à ce stade. Dans un milieu clair, les valeurs mesurées peuvent en principe être déterminées de manière plus fiable et plus précise. L’amortissement n’est également pas nécessaire et les processus rapides peuvent être reproduits de manière réaliste. Étant donné que la filtration est déjà présente, aucun coût d’investissement supplémentaire n’est encouru dans ce cas. Il n’est pas même nécessaire d’acheter un système de nettoyage automatique tel qu’un essuie-glace ou un compresseur pour une injection d’air comprimé. En supposant que le fonctionnement en dérivation est plus « doux » pour le capteur lui-même et provoque moins d’usure, le bilan des coûts totaux d’une mesure en dérivation est beaucoup plus favorable dans l’ensemble par rapport à une sonde d’immersion.
L’opérateur de la station d’épuration a également été convaincu par la performance de la sonde UV OPUS. Les résultats fiables et précis en temps réel lui permettent de surveiller et d’optimiser efficacement la régulation des processus dans le traitement biologique. L’acquisition de la sonde UV OPUS pour la détermination des nitrates et des nitrites a été approuvée et mise en service en janvier 2020.
