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Vérification du fonctionnement d'une station d'épuration

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6 • Vérification d’une

station d’épuration



6.1 Capacité d’oxygénation



Aérateur de surface



A

B



Bassin

C

D



Schéma de principe pour prise d’échantillon dans un bassin



■ Mode opératoire



Remplir le bassin avec de l’eau de distribution, réaliser la désoxygénation en

répartissant uniformément sur toute la surface du bassin du sulfite de sodium

à raison de 120 g/m3 et du chlorure de cobalt à raison de 1 g/m3.

Homogénéiser le milieu en faisant fonctionner l’aérateur quelques minutes.

Arrêter l’aérateur pour permettre la réduction de l’oxygène, vérifier que la

désoxygénation est complète en effectuant des mesures à l’oxymètre. Mettre

l’ắrateur en route. À partir du moment ó l’oxygène dissous commence à

appartre, noter l’heure et effectuer des prélèvements à chaque prise

d’échantillon à une fréquence conditionnée par la vitesse de remontée de

l’oxygène dissous ; elle varie de 30 secondes à plusieurs minutes suivant

l’aérateur et la dimension du bassin. Effectuer les mesures d’oxygène dissous par la méthode de Winkler avec introduction immédiate de réactifs.

Suivre simultanément la montée de l’oxygène dissous à l’oxymètre. Arrêter

les mesures lorsque la concentration atteint 8 à 9 mg/L, un minimum d’une

douzaine de mesures est souhaitable. Laisser fonctionner l’aérateur pendant

1 à 3 heures et même davantage si nécessaire pour déterminer la saturation

en oxygène de l’eau, la vérifier par des dosages aux différents points de prise

d’échantillon. Noter la température et la pression atmosphérique.

■ Expression des résultats



La capacité d’oxygénation (CO) du bassin est donnée par la formule :

CO = 11,25 × 2,3 × kL . a × coefficient global de correction

11,25 = Concentration en oxygène à saturation de l’eau à 10 °C.

Cs – Co

kL . a = log10 ––––––––

Cs – Ct

Cs

Co

Ct

t

1064



=

=

=

=



΋t (en heures).



Concentration en oxygène à saturation.

Concentration en oxygène nulle.

Concentration en oxygène en fonction du temps (t ).

temps pour passer de Co à une valeur de Ct donnée.



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6.2 Indice de Mohlman



Coefficient global de correction = coefficient de correction de température

× coefficient de correction de transfert K × coefficient de correction de pression atmosphérique.

Cs 10 °C

Coefficient de température = ––––––––––––– .

Cs théorique θo



θo = température réelle de l’expérimentation



Valeurs de



ͱ⒓θ⒓



K 10°

––––– .

K °



ͱ⒓⒓



K 10°

––––– en fonction de la température

K␪°



D



(en degrés centigrades)

Température

(°C)

9

10

11

12

13

14

15

16



ͱ⒓⒓



K 10°

–––––

K␪°



1,019

1,000

0,982

0,964

0,946

0,928

0,911

0,895



Température

(°C)



ͱ⒓⒓



17

18

19

20

21

22

23

24



0,878

0,861

0,843

0,830

0,815

0,799

0,784

0,770



K 10°

–––––

K␪°



EAUX RÉSIDUAIRES



Coefficient de transfert =



760



Correction de pression = –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––



Pression atmosphérique (mm Hg) réelle de l’expérimentation



6.2 Indice de Mohlman

■ Principe



L’indice de Mohlman (ou Sludge Volume Index) se définit comme étant le

volume occupé après décantation de 30 minutes d’un échantillon de boues

correspondant à 1 gramme de matière sèche.

■ Mode opératoire



Introduire dans une éprouvette 1 litre de boues. Déterminer le volume (en mL)

occupé par les boues après une décantation d’une demi-heure. Déterminer par

ailleurs la teneur en matières sèches d’un litre de boues à analyser.

1065



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6.3 Indice de boues



■ Expression des résultats



L’indice de Mohlman est représenté par le rapport :

Boues décantées en 30 min (mL/L)

–––––––––––––––––––––––––––––––

Masse de matières sèches (g/L)



Remarques

– L’indice de Mohlman permet de caractériser la décantabilité des boues, une

boue normale a un indice de 100. En présence de phénomène de bulking, l’indice augmente ; il peut atteindre la valeur de 500.

– Lorsqu’il y a des problèmes de décantation sur le clarificateur, il convient

d’effectuer un examen microscopique des boues.



6.3 Indice de boues

L’indice de Mohlman n’est réellement représentatif de la décantabilité d’une

boue que si le volume final obtenu, à partir d’un volume initial de un litre,

est compris entre 100 et 250 mL. Dans cette zone, l’indice est proportionnel

à la concentration en boues.

L’indice de boues (ou Diluted Sludge Volume Index) est défini à partir de

tests de décantation permettant d’obtenir des volumes de boues compris

entre 100 et 250 mL.

■ Mode opératoire



Dans une série d’éprouvettes graduées de 1 litre, verser respectivement

500, 250 et 125 mL de boues provenant du bassin d’aération, prélevées

après 15 à 20 minutes de fonctionnement du système d’aération. Compléter

à 1 litre les éprouvettes avec de l’eau prélevée en sortie du clarificateur.

Homogénéiser le contenu des éprouvettes en les retournant plusieurs fois

après obturation. Laisser décanter 30 minutes. Au bout de ce temps, noter

la hauteur du voile de boue.

Prélever sur l’échantillon issu de l’aérateur une aliquote pour la mesure de

la matière sèche.

L’indice de boues est donné par la formule :

V30

IB = ––––––––––

(MES)a × f

V30 = Volume de boues dans l’éprouvette après décantation de 30 min,

exprimé en mL.

(MES)a = Concentration en boues dans l’aérateur (exprimée en g/L de

matières sèches).

f = Facteur de dilution (volume de boues initialement introduit dans l’éprouvette en mL / 1 000).



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6 • Vérification d’une

station d’épuration



6.4 Activité de la biomasse :

mesure respirométrique



6.4 Activité de la biomasse :

mesure respirométrique



Besoins en oxygène = a’.DBO éliminée + b’.masse de matière vivante

où :

a’ et b’ représentent les coefficients respiratoires de la boue activée utilisée,

(a’ . DBO) éliminée représente les besoins pour la synthèse bactérienne,

(b’ . masse de matière vivante) représente les besoins pour la respiration

endogène.



D

EAUX RÉSIDUAIRES



Le renforcement de la réglementation en matière d’assainissement impose

une meilleure mtrise du fonctionnement des stations d’épuration biologiques par boues activées. La mesure de la vitesse de consommation de la

biomasse présente, appelée respirométrie, constitue un bon indicateur de

l’activité microbienne d’une biomasse aérobie.

Lors de la respiration aérobie, la biomasse hétérotrophe présente (constituée de microorganismes dont des bactéries et des protozoaires) utilise le

substrat carboné (correspondant aux polluants organiques). Une partie de

ce substrat organique est oxydé pour donner de l’énergie et le reste sert à

la génération de nouvelles cellules.

Lorsque la matière organique biodégradable est consommée par une

biomasse aérobie, il se produit une consommation d’oxygène par les

microorganismes, pour leur respiration endogène (auto-oxydation des

constituants cellulaires), pour leurs besoins énergétiques, et pour la synthèse de nouvelles cellules.

On exprime généralement ces besoins globaux en oxygène sous la forme

suivante :



■ Objectif et principe



La détermination de l’activité d’une biomasse par respirométrie consiste à

mesurer l’oxygène consommé par le processus biologique. Seule la respiration endogène est prise en compte dans cette détermination. La mesure

est donc pratiquée sur une boue privée de nourriture (DBO).

Le suivi de la consommation en oxygène par la biomasse ắrobie permet

de conntre l’état de cette biomasse et son aptitude à éliminer une pollution carbonée.

Cette activité respiratoire se mesure à l’aide d’un respiromètre.

■ Matériel

– appareil de mesure (respiromètre) :

Un respiromètre type est présenté sur le schéma ci-dessous. Il est constitué d’un flacon

d’environ 200 à 300 mL muni d’un bouchon dans lequel on pourra placer hermétiquement l’électrode à oxygène. Le flacon sera placé sur un agitateur magnétique.



1067



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6.4 Activité de la biomasse :

mesure respirométrique



Oxymètre



Électrode à oxygène

Échantillon

de boues activées

Barreau aimanté

– oxymètre équipé de sa sonde à oxygène.



■ Mode opératoire



Un échantillon de boues activées (suffisant pour remplir totalement le respiromètre) est prélevé dans le bassin d’aération de la station d’épuration.

Il est mis sous aération pendant environ 2 heures pour éliminer la matière

organique biodégradable résiduelle (DBO) contenue dans l’eau.

L’échantillon est ensuite transféré dans le respiromètre, rempli sans bulles

d’air et sur lequel on ajuste l’électrode de mesure d’oxygène.

La concentration en oxygène est suivie au cours du temps jusqu’à une

concentration d’environ 1 mg/L.

■ Résultats



Dans le respiromètre, la concentration en oxygène décrt linéairement

(voir figure ci-dessous).

O2 (mg/L)



8

6



dO2

= RO2

dt



4

2

0



Temps



Évolution de la consommation en oxygène

dans une boue activée privée de nourriture



Cette décroissance est proportionnelle à l’activité des microorganismes et

la vitesse de décroissance de la concentration en oxygène dans le respiromètre fermé donne le taux de respiration RO2 de la boue activée.

1068



6 • Vérification d’une

station d’épuration



6.5 Essai d’inhibition de la respiration

des boues activées



Remarques

– Si on mesure en parallèle la concentration en biomasse de la boue activée,

en déterminant sa teneur en MVS (matières volatiles en suspension), on pourra

calculer la quantité d’oxygène consommée par g de biomasse (en g d’oxygène

par g de MVS et par heure).

– Ce respiromètre permet de déterminer les coefficients respiratoires d’une

boue activée.



6.5 Essai d’inhibition de la respiration

des boues activées

Certaines substances présentes dans des rejets sont susceptibles de nuire

au fonctionnement des stations d’épuration fonctionnant avec un traitement

biologique par boues activées. Les microorganismes aérobies présents dans

ces boues consomment de l’oxygène selon un taux de respiration (exprimé

en mg d’oxygène par heure), qui sera affecté par la présence d’un inhibiteur.

La comparaison des taux de respiration d’une boue activée, mesurés en

présence ou en absence de la substance étudiée (*), permet de conntre

l’effet inhibiteur de cette substance et de déterminer sa concentration

inhibitrice.



D

EAUX RÉSIDUAIRES



■ Objectif et principe



■ Matériel

– dispositifs d’aération permettant d’assurer un débit de 0,5 à 1 L par minute,

– pH mètre,

– oxymètre équipé de sa sonde à oxygène,

– béchers d’environ 600 mL,

– fioles jaugées de 500 mL,

– quadrillé gausso-logarithmique (dit log-probabilité, ou log-probit),

– appareil de mesure (respiromètre).

L’appareil schématisé ci-dessous pourra être utilisé pour les essais (voir D-7.3). Il est

constitué d’un flacon de 200 à 300 mL muni d’un bouchon dans lequel on pourra placer

hermétiquement l’électrode à oxygène. Le flacon sera placé sur un agitateur magnétique.



Électrode à oxygène



Barreau aimanté



Mélange

• Eau usée

• Inoculum

• Substance ou eau potable



(*) La substance étudiée peut être une molécule organique ou encore un effluent spécifique contenant

des composés présumés inhibiteurs.



1069



6 • Vérification d’une

station d’épuration



6.5 Essai d’inhibition de la respiration

des boues activées



■ Réactifs



EAU



POTABLE



On pourra utiliser l’eau du robinet du laboratoire après avoir éliminé le chlore résiduel

éventuellement présent (sur charbon actif par exemple).



EAU



USÉE RECONSTITUÉE



Peptone



16 g



Extrait de viande



11 g



Urée



3g



Chlorure de sodium



0,7 g



Chlorure de calcium dihydraté



0,4 g



Sulfate de magnésium heptahydraté



0,2 g



Phosphate dipotassique

Eau déionisée



INOCULUM



2,8 g

q.s.p.



1 000 mL



BACTÉRIEN



Il est constitué d’une boue urbaine centrifugée et lavée.

Prélevée dans uns station d’épuration urbaine, la boue est centrifugée. On élimine la

surnageant puis on ajoute de l’eau potable (déchlorée). On centrifuge à nouveau et on

répète cette opération 2 fois.

Une fraction de cette boue humide est séchée à 105 °C et pesée. On prépare alors

une suspension de boue dans l’eau potable déchlorée présentant une teneur en MES

d’environ 4 g/L.

Si la boue ne peut pas être utilisée le jour même, on ajoute 50 mL d’eau usée reconstituée pour chaque litre d’inoculum et on met sous aération à 20 °C.



SUBSTANCE



DE RÉFÉRENCE



Une solution de dichloro-3,5 phénol pourra être utilisée comme référence. La concentration inhibitrice du dichloro-3,5 phénol se situe entre 5 et 30 mg/L.

On préparera donc une solution mère concentrée à 500 mg/L qui sera diluée pour les

essais. Son pH sera ajusté entre 7 et 8.



■ Mode opératoire



Dans une fiole jaugée de 500 mL introduire :

eau usée reconstituée

eau de distribution déchlorée

solution de substance à étudier

inoculum bactérien

eau de distribution déchlorée



16

environ 100

100

200

q.s.p.

500



mL

mL

mL

mL

mL



Agiter et verser dans un bécher de 600 mL.

Démarrer l’aération à un débit de 0,5 à 1 L/min en utilisant une pipette

Pasteur plongeant dans le bécher.

Après 3 heures d’aération, transférer une partie de la solution dans l’appareil de mesure, rempli sans bulles d’air et sur lequel on ajuste l’électrode

de mesure d’oxygène. Le taux de respiration est suivi au cours du temps

pendant 10 minutes (ou moins si la consommation d’oxygène est rapide.

Ce mode opératoire est réalisé de la même manière :

1070



6 • Vérification d’une

station d’épuration



6.5 Essai d’inhibition de la respiration

des boues activées



– pour chaque concentration de la substance à étudier

– pour 2 essais tộmoin, en remplaỗant la substance ộtudier par de leau

de distribution,

– pour les solutions de référence de dichloro-3,5 phénol.

■ Traitement des résultats



% d’inhibition = 1 –



2S

× 100

T1 + T2



ó :

S est le taux de consommation en oxygène de la substance à une concentration donnée

T1 et T2 sont les taux de consommation en oxygène des solutions témoin.

Le même calcul est réalisé pour chaque concentration de la substance S.

Sur un quadrillé gausso-logarithmique (échelle log en abscisse et échelle

gaussienne en ordonnée), on porte alors le pourcentage d’inhibition en

fonction de la concentration. On en déduit la concentration qui correspond

à 50 % d’inhibition, soit la CE50.

Cette valeur de CE50 donne une indication de la concentration toxique visà-vis de la flore bactérienne des boues activées.



D

EAUX RÉSIDUAIRES



Tracer pour chaque échantillon la courbe de consommation en oxygène en

fonction du temps et déterminer ainsi le taux de respiration en mg d’oxygène par litre et par heure. On utilisera les mesures comprises approximativement entre 6,5 mg/L d’O2 et 2,5 mg. L d’O2 ou sur une période de

10 minutes quand le taux de respiration est faible. La partie de la courbe

exploitée doit être linéaire.

Pour chaque concentration de la substance, l’effet inhibiteur (exprimé en

pourcentage) se calcule comme suit :



Remarques

– Si le taux de respiration des 2 témoins diffère de plus de 15 %, l’essai devra

être recommencé.

– La CE50 du dichloro-3,5 phénol doit être comprise entre 5 et 30 mg/L.



1071



BIBLIOGRAPHIE



Chapitre D-1 (Généralités)

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