(k L - Travaux des élèves

Etude de cas :

Mesure du coefficient de transfert d’oxygène

(kLa) en stations d’épuration à boues activées

Sylvie Gillot - Cemagref

DEA STE - Module TC. 2 - Mesure et Environnement

25 novembre 2003

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


Bassin d’aération + Décanteur

Décanteursecondaire

Effluentépuré

Recirculation des boues

Eaux usées pré-traitées

Boues en excès

O2Mesure kLa

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

Aérateurs de surface - Brosses

Aérateurs de surface - Turbines

Disque

Diffuseurs fines bulles

PlaqueTube

Chenal d’aération - Insufflation d’air + agitation

Chenal d’aération

Pourquoi mesurer kLa ?

Aération : poste clé d’une station d’épuration

� Aspects énergétiques / Apport spécifique brut(kgO2/kWh)

� Qualité du traitement / capacité d’oxygénation (gO2/m3.h)

Où mesurer kLa ?

Généralement sur SITES REELS

� Insufflation d’air : effet de la disposition des diffuseurs,d’une vitesse horizontale imposée...

� En boues : effet de la qualité de l’eau interstitielle

� Aérateurs de surface : effet de la forme du bassin, durapport C/H....

Quand mesurer kLa ?

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

Chenal d ’aération - Eau claire

Comment mesurer kLa ?

� En boues : bilan gazeux(ne perturbe pas le fonctionnement de l’installation)

� En eau claire : réoxygénation d’eau claire (méthode normalisée)

Nécessité de la mesure de la concentration en oxygènedissous : utilisation d’électrodes à oxygène

Sondes oxymétriques

Electrodes à membrane perméable aux gaz

Ampérométrie à une électrode polarisée

Courant de diffusion proportionnel à lapression partielle d’oxygène dissous


Réaction cathodique :O2 + 2 H2O + 4e- ⇒ 4 ΟΗ-

Réaction anodique:4 Ag + 4 Cl- ⇒ 4AgCl + 4e-

Membrane

Electrolyte

Anode

Cathode


pO2 = H [O2]

pO2 = pression partielle d ’oxygène

H = constante de Henry

[O2] = concentration d ’oxygène dissous dans l ’eau

T(°C)

pO 2(mmHg)

H(mmHg/ mg.L)

[O 2 ](mg/L)

10 157 13.94 11.2920 156 17.13 9.0930 153 20.22 7.56


Etalonnage

0 (solution désoxygénée)Cs (solution saturée)

Précautions : agitation, température, salinité.

Comment mesurer kLa en eau claire ?

C = concentration en oxygène dissous (mg.L-1)

t = temps (h)

kLaT = 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)

( )CCsakdtdC

P)(T,TL −=

Bilan matière sur l ’oxygène en phase liquide (loi de Fick)

Comment mesurer kLa en eau claire ?

Procédure :

Exploitation des courbes de réoxygénation

Réoxygénation

Désoxygénation (addition de sulfite dans le bassin)

Etalonnage sur la saturation (mesure par Winkler)

Mise en place des sondes oxymétriques

0 au sulfite des sondes oxymétriques

Saturation de l ’eau du bassin

Addition du sulfite de sodium

Mesure de la concentration en oxygène dissous

Courbe de réoxygénation - Exploitation exponentielleCt = CS (T,P) – (CS (T,P) – C0) exp (-kLaT.t)

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Temps (h)

C (g

/m3 )

Courbe de réoxygénation - Exploitation logarithmiqueln (CS (T,P) – Ct) = kLaT . t + ln (CS (T,P) – C0)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

Temps (h)

Ln (C

*-C

)

�� Incertitude sur kLa = 3 %

Paramètres du transfert en eau claire

Capacité d’Oxygénation : CO = kLaT . Cs(T,P) (gO2.m-3.h-1)

Apport Horaire : AH = kLaT . Cs (T,P) . V . 10 (kgO2. h-1)

Apport Spécifique Brut : ASB = AH/P (kgO2.kW h-1)

Rendement d’Oxygénation : RO = AH/(Q . ρ . 0.21) (%)

V = Volume du bassin (m3)Q = Débit d’air (Nm3.h-1)ρ = masse volumique de l’oxygène (kg.m-3)

Paramètres du transfert en eau claire

ASB (kgO2.kW h-1)

Brosses 1.55

Turbines lentes 1.50

Turbines rapides 1.05

Insufflation d ’air FB 2.50

Comment mesurer kLa en eau boues ?

insufflé oxygèned' Masse transféréoxygèned' MasseRO'=

RO ’ = AH ’/(Q . ρ . 0.21) (%)

Bilan gazeux = Bilan matière sur l ’oxygène enphase gazeuse :

Expression du rendement d ’oxygénation en fonction desfractions molaires(gaz dépourvu de CO2 et H2O)

y'e= fraction molaire en oxygène dans l’air insuffléy’s= fraction molaire en oxygène dans l’air de sortie

)y(1y)y(1y

1RO' 's

'e

'e

's

−−

−=

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 demodules représentatifs

Méthode des bilans gazeuxCollecteurs de gaz - Analyseur de gaz - oxymètres


� Détermination du rendement d’oxygénation global en pondérant les rendements locaux par les débits correspondants

∑

∑

=

=

=n

1isi

n

1isii

globalq

qRO')(RO'

Méthode des bilans gazeuxExemple d ’échantillonnage

Agitateur

4

3

2

1

Zone d ’anoxieD

Méthode des bilans gazeuxRendements d’oxygénation locaux en fonction du débit d’air

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6 7 8Débit d'air collecté (m3/m2.h)

Ren

dem

ent d

'oxy

géna

tion

(%)

(RO ’)global = 14.5 %

Rapport transfert en boues / transfert en eau claire

akL

a'kL=α

Facteur alpha

Gamme Très faible charge

Aérateurs de surface 0.80 - 1.10 0.90

Fines bulles 0.30 - 0.85 0.65

Mesure du transfert d’oxygène en stationsd’épuration à boues activées

Mesures en eau claire et en boues

� Méthode normalisée (eau claire) ou conseillée (boues)

� Optimisation des systèmes d ’aération

� Sur sites réels

Mesure du transfert d’oxygène en stationsd’épuration à boues activées

� Analyse critique des étapes de la mesure

� Exploitation

� Résultats

� Mesure (échantillonnage …)

� Matériel utilisé (précision, étalonnage, conditions d ’utilisation ...)

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 processconditions: comparison of measurement methods. 72nd Annual Conferenceand Exposition Water Environment Federation, New Orleans, Louisiana, USA.

FNDAE (2001) Insufflation d'air fines bulles pour les boues activées en petitescollectivités : influence de la forme du bassin et de la répartition des diffuseurssur l'efficacité du transfert d'oxygène. (http://www.eau.fndae.fr/)

FNDAE (2002) Prédiction des performances d'oxygénation des systèmesd'insufflation d'air en eau claire. (http://www.eau.fndae.fr / - à paraître)

Gillot, S., Héduit, A. (2003) Predicting oxygen transfer in annular ditchesequipped with fine bubble diffusers and mixers. 76th Annual Conference andExposition Water Environment Federation, Los Angeles, USA.

Héduit, A., Capela, S., Gillot, S., Roustan, M. (2003) Aération forcée dans lesprocédés biologiques d ’épuration. In: Transferts gaz-liquide dans les procédésde traitement des eaux et des effluents gazeux, Ed. Tech & Doc, Lavoisier,Paris, pp. 383-438

prEN12255-15 (1999) Measurement of the oxygen transfer in clean water inactivated sludge aeration tanks

Références bibliographiques (suite)

Disque


PlaqueTube

Chenal d’aération

Condom (32)

Addition du sulfite de sodium

Lyon (69)

Mesure du débit d ’air

Mesure de la vitesse horizontale - Eau claireMillau (12)

Mesures de la vitesse horizontale - Boues

Montauban(82)

Chenal oblongRodez (12)

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