LES AUTRES ThèmESOUVRAGES : OPTIMISER LES COÛTS

N° 326 - L’EAU, L’INDUSTRIE, LES NUISANCES - 125www.revue-ein.com

AbstrActbetter controlling the costsof water treatment plants.Wastewater treatment plants (WWTP) are in

general efficient for pollution treatment but are

often using too much energy and producing

too much sludge. Sanitation is a very costly

domain and cost reduction should be the prio-

rity of the exploiters (once pollution reduction

levels have been reached). Unfortunately, it

appears that rare reliable and easy-to-use tools

for this kind of optimization are unknown

or not well used. 2nd generation ATP-metry

(QG21w kit) is one of these tools which allows

a bioreactor oxygenation optimization and a

sludge reduction.

Pierre Kessler, Marc raymond, Aqua-tools

Si elles sont en général efficaces en termes de traitement de la pollution, les stations d’épuration (STEP) pêchent souvent par leur consommation énergétique et leur production de boues, souvent bien trop importantes. L’assainissement coûte très cher et la réduction des coûts d’exploitation courants doit être la première priorité des exploitants (une fois, bien sûr, que les normes épuratoires sont atteintes). Malheureusement, on se rend compte que les rares outils fiables, faciles d’utilisation et efficaces pour ce genre d’optimisation sont souvent méconnus ou mal utilisés. L’ATP-métrie de 2e génération est un de ces outils qui permet d’optimiser l’aération d’un bassin et de réduire la production de boues.

Réduire les coûts d’exploitation des stations d’épuration

R ésumer le fonctionnement d’une STEP en trois points de dépense est certes audacieux mais pas si

éloigné que ça de la réalité. Évidemment, les aspects environnementaux sont pri-mordiaux et sont l’essence même de l’exis-

tence des STEP. Toutefois, il serait quelque peu hypocrite de prétendre que le fonction-nement de ces ouvrages soit uniquement dicté par de nobles élans écologiques : sup-primons les différentes directives et lois sur les eaux résiduaires et il ne restera pas

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beaucoup de STEP en activité.Les trois points de dépense, sont :1. Les dépenses énergétiques ;2. Les pénalités et les redevances liées aux rejets de polluants dans le milieu ;3. Les dépenses liées à la filière boue.Les exploitants de STEP sont aujourd’hui pour la plupart très compétents et réus-sissent généralement à atteindre les nor-mes épuratoires. Il semblerait toutefois que pour ce faire, les dépenses énergé-tiques et pécuniaires engendrées soient supérieures à ce qu’elles pourraient être si les exploitants disposaient des outils adé-quats. L’ATP-métrie de seconde génération est aujourd’hui une des meilleures métho-des pour affiner et optimiser les dépen-ses énergétiques des exploitants, tant pour l’aération des bassins que pour l’extraction des boues. Elle permet aussi de limiter les risques de contamination des bassins par des matières toxiques qui conduiraient à un défaut d’épuration et donc à des pénalités environnementales.En mesurant l’ATP (adénosine triphos-phate), qui est le transporteur d’énergie de toute vie sur Terre, l’ATP-métrie donne une idée précise de la biomasse présente dans un milieu. La technique utilisée est la biolu-minescence : de l’ATP en contact avec de la luciférine-luciférase produira de la lumière qui sera mesurée.

RappelL’ATP-métrie permet la mesure de l’énergie et de l’activité de la biomasse vivante d’un bioréacteur. C’est un paramètre très perti-nent à suivre dans une STEP car il apporte une vision directe de la biomasse active et de son état de santé. L’ATP-métrie permet de gérer la station d’épuration et d’optimi-ser son fonctionnement en surveillant les paramètres cATP, BSI ou ABR, les résultats sont disponibles en 4 minutes.•cATP = L’ATP intracellulaire est la mesure du seul ATP contenu dans les microorga-nismes vivants.•BSI = Le BSI représente le stress des microorganismes sous un environnement spécifique et des conditions opératoires défavorables. Il est lié à la mortalité des microorganismes

•ABR = Le paramètre ABR définit dans un échantillon de biosolides le pourcentage des solides totaux qui correspondent réel-lement à de la biomasse vivante.

Les dépenses énergétiquesdues à l’aérationIl est connu que la part la plus importante de la consommation énergétique est due à l’aération du bassin, soit par insufflation, soit par turbine (Brogdon, Jennifer et al., 2008). Pour une station de grande taille, la consommation énergétique de l’aération représenterait 60 % de la consommation totale (ASTEE, Suez Environnement, Veo-lia Eau, Juin 2007).La durée quotidienne de cette aération

est généralement déterminée soit par une simple horloge, soit assujettie à une

concentration d’oxygène dissous. Dans les deux cas, on ne considère finalement pas vraiment les besoins réels de la biomasse épuratrice. Par conséquent, et dans un souci louable d’ef-ficacité, il est fréquent que l’aération soit trop importante. C’est un moin-dre mal car si une trop longue aération n’aura pour conséquence qu’une dépense inutile, un défaut d’oxygène, lui,

conduit inévitablement à un développe-ment d’organismes anaérobies, à des mau-vaises odeurs et à un traitement imparfait. Devons-nous pour autant continuer dans cette direction alors que les prix de l’élec-tricité menacent d’augmenter drastique-ment et que des outils de mesure effica-ces existent pour déterminer précisément l’oxygène indispensable à la biomasse ?En effet, faute de réels moyens de quanti-fier précisément la biomasse épuratrice (la seule, finalement, qui nécessite un apport en oxygène), les exploitants se basent sur la matière sèche (MS) ou sur la matière volatile en suspension (MVS). Si cette der-nière est plus précise et pertinente que la MS, elle reste vague au regard des besoins réels d’un bassin aéré, la biomasse vivante ne représentant qu’une partie (variable) de la matière sèche et de la matière volatile en suspension.

Le kit QG21-W™ permet de quantifier la bio-masse vivante et d’en déterminer sa pro-portion dans les matières sèches d’un bas-sin d’aération : un dosage plus précis de l’aération est donc rendu possible par une meilleure connaissance de la microbiolo-gie du bassin.

deux cas, on ne considère finalement pas vraiment les besoins réels

importante. C’est un moin-dre mal car si une trop longue

répartition des consommations d’énergie sur une step (exemple de grosses stations). Présentation AstEE - 7 juin 2007 – session 5 - assainissement

Figure 1 : la biomasse vivante est incluse dans les MVs, elles-mêmes incluses dans la Ms.

On peut qualifier l’oxygène dissous dans un bassin d’aération en trois parties :• L’oxygène indispensable à la biomasse• L’oxygène de « sécurité » (de 15 à 25 % en général)• L’oxygène en excèsLe but de l’optimisation de l’aération avec le QG21-W™ est bien entendu de supprimer l’oxygène en excès.

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Mode opératoire pour optimiser l’aération (cf. tableau 1)L’objectif de ces opérations est de détermi-ner avec précision le taux d’oxygène dis-sous minimum dans le bassin tout en assu-rant la bonne santé de la biomasse épura-trice.Une réduction du temps d’aération de 30 à 40 minutes par jour et ce pendant quel-ques temps provoquera une augmentation du stress de la biomasse (augmentation du BSI™ : Biomass Stress Index = proportion de la biomasse morte par rapport à la bio-masse totale) et une réduction de l’oxygène dissous (puisque l’apport d’O2

sera plus fai-ble). Progressivement, le BSI™ reviendra à son niveau initial, tandis que l’oxygène dis-sous se stabilisera (étape A).Cette étape de réduction du temps d’aéra-tion sera répétée (étapes A1, A2, A3) jus-qu’à ce que le BSI™ ne diminue plus (étape B).L’augmentation de l’aération (étape C) pro-voquera une baisse du BSI™ qui revien-dra à son niveau initial. L’oxygène dissous dans le bassin aura globalement diminué : ce sera le nouveau seuil à respecter pour une aération optimale (si l’effluent entrant n’est pas trop changeant), et surtout le temps d’aération aura été considérable-ment réduit. L’activité bactérienne restant la même, les rendements épuratoires n’en seront pas affectés.Si l’économie ne sera « que » de quel-ques pourcents, elle pourra être très conséquente en terme de kWh. Par cette méthode, LuminUltra, le fabricant cana-dien du QG21-W™, a permis à plusieurs industriels nord-américains d’économiser jusqu’à 180 000 $ par an d’électricité. Même sans forcément atteindre cette somme, l’in-térêt pécuniaire et environnemental est

indéniable. La qualité des traitements n’est pas affectée puisque l’activité microbiolo-gique reste la même : le « buffer » d’oxy-gène dissous permet d’amortir d’éventuels pics de pollution entrante.

Les redevances et pénalités liées aux rejets dans le milieuTout industriel relié au réseau d’assainisse-ment collectif doit, logiquement, en suppor-ter une partie des frais de fonctionnement. Ces redevances sont surtout basées sur le flux de pollution et la toxicité des effluents reçus par la STEP. Le flux peut facilement être déterminé par des méthodes classi-ques, tandis que la toxicité reste générale-ment établie de manière moins précise. Il n’est pas rare que, faute de pouvoir prouver la non-toxicité de leurs effluents, des indus-triels soient dans l’obligation de payer une redevance majorée.De même, une STEP industrielle sera dans certains cas soumise à des variations impor-tantes de la qualité de l’effluent entrant. Ces variations, surtout si elles induisent une augmentation de la toxicité, peuvent avoir de graves conséquences sur l’épura-tion et donc provoquer une pollution du milieu naturel et un risque de pénalité de la part de l’organisme de contrôle.Le kit QG21-W™ permet de qualifier très facilement les effluents et leur toxicité en suivant l’évolution de la biomasse vivante et morte en jar-test. Ces tests donnent une indication précise du BSI™ : le Biomass Stress Index qui représente le ratio de la biomasse morte sur la biomasse totale et du cAPT™ : la biomasse vivante. Ces tests, très rapides (quelques minutes par test), permettent un suivi temps-réel de l’évolu-tion de la biomasse de la STEP en contact avec l’effluent brut.

L’ATP extracellulaire (dATP) et total (tATP) seront mesurés dans des solutions à diffé-rentes concentrations d’effluents et de liqueur mixte de la STEP. Comparées aux valeurs trouvées à t=0, les valeurs de BSI™ et de cATP (ATP intracellulaire) trouvées à t+30 minutes indiqueront la toxicité immé-diate. En continuant les mesures sur une durée de 48 heures, il sera possible de jau-ger la toxicité chronique de l’effluent.Si les valeurs restent identiques (ou supé-rieures) au témoin, il est alors évident que l’effluent n’est pas toxique. Outre le fait de rassurer l’exploitant de la STEP, ce genre de résultat pourrait faire valoir auprès des agences de l’eau le droit de réviser les rede-vances dues.

Les dépenses liées à la filière bouesLe point le plus problématique (et le plus onéreux) d’une STEP reste bien souvent la filière boues. Une réduction de leur volume induit une économie conséquente pour l’exploitant qui sera moins assujetti aux extractions et autres vidanges.Un taux de matière sèche élevé dans le bas-sin d’aération peut nuire à la décantation et à la qualité du traitement. Par conséquent, l’exploitant aura tendance à augmenter les extractions pour réduire la concentration de matière sèche. Bien entendu, cela aug-mentera ses coûts de traitement des boues (plus de volume à traiter, donc temps de décantation plus court, donc siccité plus faible…) de manière considérable.Le kit QG21-W™ permet à l’exploitant une autre méthode pour réduire la quantité de matière sèche dans le bassin d’aération en se fixant un niveau d’extraction de boues « cible » plus bas que le niveau actuel.

Mode opératoire (cf. tableau 2)La première étape consiste à augmenter les extractions d’environ 5 % (étape A). Le taux de matière sèche diminuera, ainsi que le cATP™ (ATP intracellulaire, ou ATP des cellules vivantes). Au bout de quelques jours, le cATP™ réaugmentera, la biomasse s’étant adaptée à son « nouveau » milieu. Une fois que le cATP™ a atteint le niveau initial et que la matière sèche a diminué d’environ 10 %, il faut réduire les extrac-tions au niveau cible.Cette étape est à répéter plusieurs fois en réduisant l’augmentation des extractions

tableau 1 : Variations de l’oxygène dissous et du bsI™ en fonction de l’aération du bassin.

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(étapes A1, A2, A3).Après plusieurs étapes de diminutions de l’extraction (cycles d’augmentations puis de diminutions plus fortes), le cATP™ n’aura plus assez de nutriments pour atteindre son niveau initial et devrait stagner, voire continuer à baisser (étape B).À ce moment, il faut diminuer une dernière fois les extractions pour que le cATP™ attei-gne son niveau initial (étape C). Lors de cette dernière étape, la matière sèche augmentera légèrement, mais son niveau restera bien plus bas qu’au début de l’opération.Ce processus de réduction de la matière sèche dans le bassin ne diminue pas la bio-masse vivante. L’épuration est donc tout

aussi efficace, voire même plus efficace puisque la décantation sera facilitée dans le clarificateur. En outre, une eau allégée en matière sèche sera plus facilement aérée : il est donc possible d’optimiser à nouveau l’aération grâce à ce procédé.

ConclusionL’ATP-métrie n’est pas une technique nou-velle, elle est utilisée depuis plusieurs décennies dans de multiples domaines. L’ATP-métrie de seconde génération est quant à elle une technique éprouvée dans la recherche de légionelles dans les tours aéroréfrigérantes et les réseaux sanitai-res, entre autres. C’est aujourd’hui aussi un moyen simple et efficace de piloter une STEP à moindre coût. Pour un exploitant soucieux de son empreinte écologique et de sa facture d’électricité, il sera dans un premier temps bien plus intéressant d’opti-miser le fonctionnement de son installation plutôt que d’investir massivement dans du matériel moins énergivore.Il ne faut cependant pas perdre de vue que chaque STEP étant unique dans son fonc-tionnement, il est évident que les modes opératoires donnés ici doivent être adap-tés sur le terrain. Toutefois, la philosophie de ces manipulations reste inchangée et les résultats obtenus devraient largement compenser l’investissement en argent et en temps. ■

tableau 2 : Variations de la matière sèche et du cAtP en fonction des extractions de boues.

Cette manipulation des extractions agit directement sur la biomasse active dans le bassin. Même si celle-ci revient régulièrement à son niveau initial, il y a des risques que les rendements épuratoires soient moins bons lorsque la biomasse est plus rare. Il sera préférable d’effectuer de petits ajus-tements progressifs plutôt que de grands change-ments.

ATTENTION !

Référence bibliographique• Brogdon, Jennifer et al. Enhancing the Energy Efficiency of Wastewater Aeration, Water Environment Federation, 2008.

P Intégration de la nouvelle loi sur l’eau et de ses décrets d’applicationP Insertion des 9èmes programmes révisés des agences de l’eauP Intégration des modifications institutionnelles (MEEDDM...)P45 rubriques d’activités supplémentairesP150 sociétés nouvellesPAccès à l’intégralité du site www.guide-eau.com

ÉDITIONS JOHANET : 60, rue du Dessous des Berges - 75013 ParisTél. 33 (0)1 44 84 78 78 - Fax 33 (0)1 42 40 26 46 - E-mail : info@editions-johanet.com - Internet : www.editions-johanet.com

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Édition 2009-2010 - 39e édition

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Accès intégral à la version électronique

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PÉdition 2009-2010 - 39e édition