Contrôle du dosage chimique dans le traitement des eaux usées

Divers processus de traitement des eaux usées nécessitent le dosage contrôlé de produits chimiques dans le flux de processus soit pour faciliter le traitement, soit pour éliminer les éléments indésirables. Pour que les pompes doseuses fonctionnent efficacement, les opérateurs doivent être constamment au courant de ce qui se passe dans le processus de traitement afin que les niveaux et les vitesses de dosage puissent être ajustés en conséquence. Partech Instruments, basée au Royaume-Uni, a développé des systèmes de contrôle prédictif utilisant des analyseurs en ligne dans le flux d'entrée pour envoyer des données en temps réel à un système de contrôle de dosage pour un réglage automatique de la pompe doseuse. rapporte Bryan Orchard.

L'élimination du phosphate des effluents d'une station d'épuration est une partie essentielle du traitement des eaux usées urbaines du Royaume-Uni et des directives connexes. Aujourd'hui, de nombreuses autres stations d'épuration disposent d'autorisations de rejet de phosphore mais, avec la persistance de niveaux élevés de phosphate dans l'eau non traitée, le problème du respect des autorisations s'aggrave. L'élimination des phosphates est effectuée en dosant des produits chimiques, normalement des sels de fer ou occasionnellement d'aluminium. Les produits chimiques utilisés dans le processus sont coûteux, c'est pourquoi il est dans l'intérêt des stations d'épuration d'exercer un contrôle strict du régime de dosage.

Partech Instruments de St Austell au Royaume-Uni a développé un contrôle prédictif en boucle fermée des systèmes de dosage d'entrée pour l'élimination du phosphate, qui a été testé avec succès sur divers sites à travers le Royaume-Uni (Figure 1). Les résultats des essais démontrent que cette approche est fiable et rentable, et peut aider à obtenir des performances optimales de la pompe doseuse et à réaliser des économies considérables en produits chimiques.

Le cas échéant, l'élimination naturelle du phosphate (par précipitation biologique ou chimique naturelle) est la méthode de choix. Cependant, dans la plupart des cas, il n'est pas possible et il devient nécessaire pour l'exploitant de recourir à des produits chimiques, le chlorure ferrique et le sulfate ferreux étant les plus couramment utilisés. Là où l'efficacité du fer est très réduite, un sel d'aluminium a été appliqué avec succès et fonctionne normalement en conjonction avec des sels de fer. Dans tous les cas, la quantité de produit chimique utilisée est critique pour la réalisation des travaux, la maîtrise des coûts et le respect de l'autorisation de rejet tant pour le phosphate que pour le fer/aluminium.

Le dosage des sels de fer à l'avant d'un ouvrage nécessite un niveau de contrôle de la pompe pour s'assurer que le pH de l'influent ne devienne pas trop acide car cela a un effet néfaste sur le processus de nitrification. Historiquement, le taux de dosage du fer était calculé en prélevant une série d'échantillons tout au long de la journée et en les analysant pour en déduire un profil diurne. Ce profil a été entré dans le système de dosage de sorte qu'un volume spécifique de fer a été dosé aux intervalles de temps utilisés et cela a ensuite été utilisé pour « contrôler » la dose.

Le système d'échantillonnage Partech est basé sur l'analyse de l'orthophosphate, par opposition au phosphore total ; la chimie des orthophosphates est simple et rapide, tandis que la chimie du phosphore total est plus complexe et peut être très lente. Le fer réagit directement avec le phosphate soluble, qui est presque totalement sous forme d'orthophosphate. Le phosphore total est en grande partie sous forme liée avec les solides et se dépose donc naturellement avec la forme soluble traitée du phosphate. Afin d'analyser le phosphore total, il serait également nécessaire d'analyser un échantillon non filtré, ce qui ne serait pas possible dans l'application d'entrée.

Le système de mesure utilise l'analyseur MicroMac C, qui intègre un système d'analyse de débit en boucle (LFA). La technique LFA hautement flexible permet à l'analyseur de faire face au niveau élevé de turbidité de fond associée aux eaux usées brutes. L'analyseur utilise une méthode chimique qui est directement comparable à la méthode Blue Book utilisée dans les laboratoires, permettant ainsi une comparaison directe avec tous les échantillons instantanés analysés dans un laboratoire. (Le Blue Book est publié par le National Laboratory Service de l'Agence britannique pour l'environnement. Son comité statutaire d'analystes fournit des conseils faisant autorité sur les méthodes d'échantillonnage et d'analyse pour déterminer la qualité des matrices environnementales.)

Tout au long des essais, Partech a accordé une grande attention à la conception d'un système d'échantillonnage nécessitant peu d'entretien et garantissant un échantillonnage fiable des eaux usées brutes. Le système d'échantillonnage est une partie essentielle du système de contrôle et nécessite un échantillon optiquement clair pour déterminer avec précision le niveau d'orthophosphate, ceci étant réalisé par l'utilisation de la technologie de filtration pour éliminer les solides de l'échantillon. La conception finie fait face à un faible débit et à de faibles niveaux d'échantillon, à des gravillons, à des irrégularités et à un écoulement turbulent (Figure 2). En plus d'un faible entretien, la conception simple contribue à la confiance de l'opérateur et réduit les coûts au minimum.

L'avantage de déterminer le niveau de phosphate à l'entrée est que le débit de dose du sel de fer ou d'aluminium peut être calculé et le système de pompe doseuse contrôlé en utilisant le débit combiné et la concentration de phosphate. La sortie combinée générée permet à l'opérateur d'ajuster les pompes doseuses aux conditions spécifiques au site qui permettent d'ajuster le rapport « P sur Fe » jusqu'à ce qu'il soit optimisé. Cette optimisation nécessite la surveillance de l'effluent final pour s'assurer que les niveaux de phosphate sont conformes au consentement de l'Agence pour l'environnement et une fois l'optimisation effectuée, il n'est plus nécessaire de surveiller davantage l'effluent final. Bien que non indispensable, un analyseur mesurant le phosphore total pour contrôler le consentement au rejet peut être utilisé ici car l'orthophosphate est mesuré à l'entrée.

En utilisant la commande prédictive, la pompe doseuse réagit aux changements réels des niveaux de phosphate et fournit un régime de dosage actif. En revanche, le « profil diurne » couramment utilisé ne peut pas répondre aux changements d'apport et peut être soit un surdosage soit un sous-dosage, les deux ayant des conséquences financières. Un contrôle de rétroaction alternatif peut être utilisé sur certains sites, mais tend à offrir un contrôle médiocre en raison du décalage temporel entre les points de dosage et de mesure. Le processus de traitement des eaux usées à déplacement lent avec des temps de séjour de plusieurs heures dans des réservoirs de décantation et des bassins d'aération bénéficie d'un contrôle prédictif. Le système de mesure de Partech rend cela possible, opérant là où des systèmes alternatifs ne peuvent pas être appliqués.

Tous les systèmes de dosage de produits chimiques de Partech suivent le même modèle de base même s'ils peuvent sembler très différents. Chaque système dispose de deux réservoirs de stockage de produits chimiques qui peuvent être isolés pour permettre l'entretien. Le produit chimique sort des réservoirs de rétention à travers une série de vannes d'isolement vers les filtres en ligne. Ces filtres éliminent les débris du produit chimique, ce qui peut réduire l'efficacité du pompage ou bloquer les vannes en amont des pompes. Ces filtres nécessitent un nettoyage régulier et sont la cause la plus fréquente de problèmes au sein du système de dosage. S'ils se bouchent, la pompe n'est pas en mesure de délivrer le débit de dose requis. Il est conseillé de nettoyer les deux filtres avant de calibrer une pompe.

Une fois que le produit chimique a traversé les filtres, il passe à l'une des deux pompes doseuses (en service/en veille) pour chaque point de dosage. Certains sites ont plus d'un point de dosage, auquel cas il y aura des systèmes de dosage individuels pour chaque point de dosage.

Après chaque pompe se trouve une soupape de surpression. S'il y a un blocage en aval des pompes et que la pression dans le système atteint celle requise pour ouvrir ces vannes, le produit chimique retournera soit dans les réservoirs de rétention (par les conduites de trop-plein), soit dans la digue selon le type de système. Par la suite, le refoulement des deux pompes rejoint une ligne commune de sorte que tous les éléments suivants sont communs aux deux pompes.

L'élément suivant dans le circuit d'écoulement est l'amortisseur de pulsations. Les pompes poussent le produit chimique vers l'avant par impulsions et l'amortisseur les lisse afin que le produit chimique soit livré au point de dosage en un flux constant. L'amortisseur est à 10 bars de pression. Après l'amortisseur de pulsations se trouve un contrôleur de débit, qui détecte si le débit de produit chimique tombe en dessous d'un point de consigne réglable. Si cela se produit, la pompe de service est en panne, la pompe de secours est mise en marche et une alarme est déclenchée. Si la pompe de secours ne parvient pas à fournir le débit minimum, cette pompe est également en panne et une alarme de priorité supérieure est déclenchée.

Après le moniteur de débit se trouve un manomètre qui indique la pression dans le système de dosage et la contre-pression sur les pompes. Il peut être utilisé pour déterminer la cause d'un problème si le système ne fonctionne pas correctement, c'est-à-dire si la soupape de chargement, qui est l'élément suivant dans le circuit d'écoulement, est bloquée et que le produit chimique passe à travers les soupapes de surpression. Selon le site, la pression indiquée sur le manomètre peut ne pas être nulle lorsque les pompes ne fonctionnent pas en raison de la contre-pression de la vanne de chargement. La jauge est également utilisée pour régler la vanne de chargement.

La soupape de chargement a deux objectifs. La première consiste à arrêter le siphonnage des produits chimiques des réservoirs de rétention vers le point de dosage. La seconde consiste à s'assurer qu'il y a une contre-pression sur les pompes afin qu'elles délivrent la dose qu'elles devraient pour une vitesse donnée. Si la pression imposée par la vanne de chargement est modifiée, les pompes doivent être recalibrées.

Une fois que le produit chimique a traversé la vanne de chargement, il se rend au point de dosage via la conduite de dosage. Le pot d'étalonnage est utilisé pour mesurer la quantité de dosage des pompes et si le réglage de la course de chaque pompe est adapté aux débits de dose requis. Les vannes de rinçage sont des points sur le système de dosage où les conduites peuvent être connectées et utilisées pour rincer l'eau potable (et non l'effluent final) pour nettoyer tout produit chimique avant que les travaux de maintenance ne soient effectués. Il y a généralement un bouton d'arrêt d'urgence pour chaque groupe motopompe. Cela fera échouer les deux pompes.

Quatre compagnies des eaux ont fourni des sites pour le programme d'évaluation de Partech : Thames, Wessex, Southern et Anglian Water. Le site de Thames Water, d'un équivalent habitant (EP) de 39 000, disposait d'une prise d'eau pompée et d'un système Gee & Co dosant du sulfate ferrique régulé par un régime diurne prédéterminé. Le débit entrant variait entre 40 et 200 litres par seconde et en amont du point de mesure se trouvait un déversoir en dessous duquel se trouvaient deux « bancs de sable » qui libéraient des quantités importantes de sable lors des débits élevés.

L'unité d'essai était positionnée au-dessus du canal d'admission à environ 20 m en amont (figure 3) du point de dosage et la pompe d'échantillonnage était située directement sous l'unité d'essai. Le signal de débit a été obtenu à partir d'un débitmètre existant. Après quatre mois, le système analysait de manière fiable les eaux usées brutes pour l'orthophosphate et, lorsqu'il était combiné avec le débit d'entrée, contrôlait avec succès le système de dosage. Lors des premières étapes, Partech a pu démontrer une économie d'environ 25 % du fer dosé par rapport au régime de dosage diurne. Cela a ensuite été amélioré de 8% supplémentaires en ajustant le rapport «P sur Fe».

La station d'épuration Keynsham de Wessex Water est une station d'épuration pompée avec une population équivalente à 23 000 habitants. Il a un consentement de phosphore total de 2 mg/litre sous forme de P et utilise du sulfate ferrique dosé par un système de dosage Michael Smith Engineering Ltd. L'objectif de l'essai était de démontrer que le contrôle du système de dosage du fer par une combinaison du niveau et du débit de phosphate offre un avantage en termes de coûts en raison de la réduction de la quantité de solution de sulfate ferrique (12,5 % Fe) utilisée.

Un moniteur d'orthophosphates a été implanté à l'entrée de l'ouvrage après les grilles et avant le point de dosage du fer. La sortie de courant (mA) du débitmètre existant a été envoyée au moniteur et combinée dans un module électronique PR avec la sortie phosphate mA et un algorithme appliqué pour fournir une seule sortie mA à l'unité de dosage.

L'essai a duré 14 jours, au cours desquels des périodes de « contrôle » et « sans contrôle » ont été utilisées. "Aucun contrôle" signifie utiliser la méthode traditionnelle de réglage du niveau de dose. Un analyseur portable a été utilisé pour mesurer le niveau de phosphate dans l'effluent final afin d'évaluer l'efficacité du processus d'élimination du phosphate et de s'assurer que l'effluent était conforme pendant l'essai.

Initialement, le rapport fer sur phosphate a été défini de telle sorte que la sortie de l'unité d'essai imitait le mécanisme de dose existant, c'est-à-dire un facteur de 3. Après une période de jours, ce facteur a été réduit à 2,5 pour voir la différence de dose qu'il faisait. . A ce stade, un analyseur portable a été mis en place pour contrôler l'effluent final.

L'unité d'essai a été installée à côté du canal d'admission juste avant le point de mesure du débit dans le canal et en amont du point de dosage. La pompe d'échantillonnage était située aussi près que possible de l'unité d'essai, le signal de débit étant obtenu à partir d'un débitmètre existant.

La pompe submersible était contrôlée par l'analyseur et ne fonctionnait systématiquement que pendant c. 90 s par cycle d'analyse, temps suffisant pour que l'élément filtrant soit nettoyé et que le pot de sous-échantillon soit rempli à ras bord avant que l'analyseur ne prélève son échantillon. Ce cycle permet d'utiliser un échantillon filtré sans avoir à nettoyer manuellement l'élément filtrant plus d'une fois tous les trois mois.

L'effluent final a été surveillé à côté du point de prélèvement des eaux usées urbaines pour l'ammoniac et l'orthophosphate. L'échantillon a été pompé jusqu'au pot d'échantillon par une petite pompe péristaltique à travers une ligne d'échantillon non filtrée. Les données obtenues par ce système ont été utilisées pour vérifier que l'un des ajustements effectués en amont n'affectait pas négativement l'effluent. En utilisant l'analyseur de phosphate à l'entrée de l'usine, il pourrait être possible d'arrêter complètement le dosage du fer lorsque la concentration entrante de P tombe en dessous d'un certain chiffre, par exemple 3 mg/litre. Cela introduirait bien sûr une autre économie potentielle et pourrait facilement être intégré dans le package de contrôle de dosage.

Le coût du système de contrôle Partech étant de l'ordre de 12 000 £ à 17 000 £, selon les conditions du site, et une économie de 18 % par an sur un site avec un taux de dosage chimique d'environ 400 litres par jour à un coût de 50 £ par tonne, la période de récupération est inférieure à 12 mois.

L'utilisation d'un système de contrôle « actif » à l'entrée d'un ouvrage peut avoir les effets suivants :

1. Contrôle plus strict et plus efficace de l'unité de pompe doseuse de produits chimiques, avec réponse aux événements de routine et non routiniers.

2. Les économies de produit chimique dosé devraient être de l'ordre de 10 à 40 % selon l'état des travaux en ce qui concerne l'optimisation.

3. Moins de probabilité d'échec du consentement pour les produits chimiques résiduels – Fe ou Al – et les phosphates.

4. Réduction de la production de boues.

5. Réduction du potentiel de corrosion des ouvrages en raison d'un surdosage de fer.

6. Le système de contrôle aura une période de récupération en fonction de la taille de l'ouvrage et du volume de fer utilisé et ne devrait pas être viable sur un petit ouvrage.

En résumé, il existe désormais un système de contrôle de dosage fiable et robuste pour les stations d'épuration qui optimise à la fois les performances de la pompe doseuse et les produits chimiques utilisés.