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Etude bibliographique, économique et essais sur
différentes méthodes de fractionnement de la
demande chimique en oxygène d’un effluent urbain
Stage assistant ingénieur effectué à l’Ecole Nationale du Génie de
l’Eau et de l’Environnement de Strasbourg (ENGEES)
Tuteur de stage ENGEES : Tuteur de stage EMAC :
Christian BECK Fabienne ESPITALIER
Maître de conférences au SHU Enseignant chercheur au
(Systèmes hydrauliques urbains) centre PP (Poudres et Procédés)
Alexandre Baudouin Mai-Juillet 2004
IFI 2005 Etude bibliographique, économique et essais sur
différentes méthodes de fractionnement de la
demande chimique en oxygène d’un effluent urbain
Stage assistant ingénieur effectué à l’Ecole Nationale du Génie de
l’Eau et de l’Environnement de Strasbourg (ENGEES)
Tuteur de stage ENGEES : Tuteur de stage EMAC :
Christian BECK Fabienne ESPITALIER
Maître de conférences au SHU Enseignant chercheur au
(Systèmes hydrauliques urbains) centre PP (Poudres et Procédés)
Alexandre Baudouin Mai-Juillet 2004
IFI 2005 Etude bibliographique, économique et essais sur différentes méthodes de fractionnement de la demande
chimique en oxygène d’un effluent urbain
REMERCIEMENTS
Je tiens tout d’abord à remercier le laboratoire Système Hydrauliques Urbains de l’ENGEES,
et en particulier Christian BECK et Antoine-Georges SADOWSKI, pour leurs conseils, ...

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Etude bibliographique, économique et essais sur différentes méthodes de fractionnement de la demande chimique en oxygène d’un effluent urbain Stage assistant ingénieur effectué à l’Ecole Nationale du Génie de l’Eau et de l’Environnement de Strasbourg (ENGEES) Tuteur de stage ENGEES : Tuteur de stage EMAC : Christian BECK Fabienne ESPITALIER Maître de conférences au SHU Enseignant chercheur au (Systèmes hydrauliques urbains) centre PP (Poudres et Procédés) Alexandre Baudouin Mai-Juillet 2004 IFI 2005 Etude bibliographique, économique et essais sur différentes méthodes de fractionnement de la demande chimique en oxygène d’un effluent urbain Stage assistant ingénieur effectué à l’Ecole Nationale du Génie de l’Eau et de l’Environnement de Strasbourg (ENGEES) Tuteur de stage ENGEES : Tuteur de stage EMAC : Christian BECK Fabienne ESPITALIER Maître de conférences au SHU Enseignant chercheur au (Systèmes hydrauliques urbains) centre PP (Poudres et Procédés) Alexandre Baudouin Mai-Juillet 2004 IFI 2005 Etude bibliographique, économique et essais sur différentes méthodes de fractionnement de la demande chimique en oxygène d’un effluent urbain REMERCIEMENTS Je tiens tout d’abord à remercier le laboratoire Système Hydrauliques Urbains de l’ENGEES, et en particulier Christian BECK et Antoine-Georges SADOWSKI, pour leurs conseils, leurs remarques judicieuses et leur sympathie. Je remercie aussi chaleureusement Yolaine GOUBARD, technicienne du laboratoire, pour son aide précieuse lors des manipulations et sa bonne humeur, ainsi que Martin FISCHER. Je tiens aussi à remercier toutes les personnes qui ont pris part – de près ou de loin – à ce stage et qui ont fait que celui-ci se déroule de la meilleure façon possible, dans une très bonne ambiance. - i - Etude bibliographique, économique et essais sur différentes méthodes de fractionnement de la demande chimique en oxygène d’un effluent urbain RESUME Le traitement actuel des rejets polluants domestiques est réalisé dans des stations d’épuration fonctionnant pour la majorité selon le principe du procédé biologique à boues activées. Les eaux résiduaires urbaines sont en effet constituées d’une multitude de molécules polluantes, présentes chacune en quantité très faible. Ces matières organiques sont à l’origine de la pollution et peuvent être séparées entre pollution soluble et insoluble. Pour quantifier la matière organique, des procédures d’oxydation soit chimiques, soit biologiques sont en général utilisées. Parmi les méthodes chimiques, la mesure de la demande chimique en oxygène au dichromate (DCO) est la plus complète. De plus, il y a nécessité de fractionner cette DCO pour bien connaître l’influence de chaque compartiment sur le milieu naturel et pour pouvoir bien dimensionner et connaître une station d’épuration. Il existe cinq méthodes dans la littérature permettant de déterminer le fractionnement de la DCO, à savoir le fractionnement physico-chimique, celui par suivi d’un pilote en régime permanent, les tests de biodégradation en réacteur fermé, les tests respirométriques et la méthode par spectrophotométrie UV-visible. La méthode la plus fiable semble être la méthode respirométrique (qui consiste à mesurer l’activité respiratoire des micro-organismes). Elle a en effet l’avantage d’être rapide (1 jour environ) et de conduire à moins d’incertitudes que la biodégradation en réacteur fermé. L’ENGEES utilise à l’heure actuelle une méthode de fractionnement par biodégradation en réacteur fermé, adaptée de son test initial. Mais ce test dure trois semaines environ, et les incertitudes obtenues sur les fractions de la DCO sont grandes. Ainsi, une étude économique des fournisseurs de spectrophotométrie et respirométrie en continu a été effectuée pour savoir dans quel matériel et à quel coût le laboratoire pourrait investir à long terme. Mais, comme le laboratoire ne dispose pas du budget suffisant pour l’instant, on a donc mis en place (pour la première fois au laboratoire) un test de respirométrie en aération continu. Deux protocoles ont donc été mis en place au laboratoire. Le premier test s’opère avec un faible rapport So/Xo (rapport du substrat sur la biomasse, inférieur à 0.1 gDCO/GDCO) pour déterminer la fraction rapidement biodégradable Ss de l’effluent. Pour effectuer cette expérience, on met en contact des boues activées et de l’effluent et on aère l’échantillon. On suit ensuite l’évolution de la concentration en oxygène dissous en fonction du temps. Le second test s’effectue avec un fort rapport So/Xo (supérieur à 2 gDCO/gDCO) et conduit à la fraction de la biomasse hétérotrophe de l’effluent Xb,h. Pour cela, l’effluent seul est introduit dans le réacteur. Sur les différentes tests effectués, les résultats sont mitigés. Le protocole de détermination du Ss a donné des résultats moyens. La fraction Ss déterminée est en effet en moyenne de 7.5% de la DCO totale, alors qu’elle varie dans la littérature de 6 à 30%. L’effluent traité ici est sensé avoir un Ss plus important. En revanche, la détermination du Xb,h est plutôt bonne, puisqu’elle conduit à une fraction de 14% de la DCO en moyenne, ce qui correspond à la littérature. Ce protocole est donc validé. La mauvaise détermination provient du fait de la difficulté d’exploitation des résultats expérimentaux. En effet, la méthode utilisée conduit à de très grandes imprécisions. A l’avenir, il faudra donc approfondir le traitement numérique des données, pour utiliser une méthode respirométrique vraiment fiable, ou alors changer de protocole en couplant plusieurs méthodes par exemple. - ii - Etude bibliographique, économique et essais sur différentes méthodes de fractionnement de la demande chimique en oxygène d’un effluent urbain SOMMAIRE REMERCIEMENTS ......................................................................................................................................i RESUME.........................ii SOMMAIRE..................iii INTRODUCTION.........1 Partie I : Synthèse bibliographique des différentes méthodes de fractionnement I- Contexte et objectifs de la synthèse bibliogra-phique...........................................................2 I-1) Présentation de l’ENGEES et objectifs du stage....................................................... 2 I-1-a) Présentation de l’Ecole.............................................................................................. 2 I-1-b) Objectifs du stage...................................................................................................... 2 I-2) Contexte général : pollution due à la matière organique et fractionnement ....... 3 I-2-a) La pollution due à la matière organique.................................................................... 3 I-2-b) Nécessité de mesurer la demande chimique en oxygène .......................................... 3 I-2-c) Définition du modèle................................................................................................. 4 I-2-d) Utilité et définition des différentes fractions............................................................. 4 I-2-e) Fonctionnement du modèle ....................................................................................... 6 I-3) Nécessité d’une synthèse bibliographique ................................................................ 6 II- Le fractionnement physico-chimique..........................................................................................8 II-1) Principe......................................................................................................................... 8 II-2) Avantages et inconvénients 9 III- Fractionnement par suivi d’un pilote en régime permanent..........................................10 III-1) Principe ..................................................................................................................... 10 III-2) Avantages et inconvénients.................................................................................... 11 IV- Tests de biodégradabilité en réacteur fermé .......................................................................12 IV-1) Détermination de la fraction biodégradable (Ss + Xs) ....................................... 12 IV-1-a) Principe................................................................................................................. 12 IV-1-b) Avantages et inconvénients.................................................................................. 12 IV-2) Détermination des fractions Si et Xi ..................................................................... 12 IV-2-a) Principe................................................................................................................ 12 IV-2-b) Avantages et inconvénients 13 V- Méthodes respirométriques...........................................................................................................14 V-1) Principe ....................................................................................................................... 14 V-2) Avantages et inconvénients...................................................................................... 16 VI- Méthodes optiques .........................................................................................................................18 VI-1) Principe de la spectrométrie d’absorption UV-visible ........................................ 18 VI-2) Historique bibliographique .................................................................................... 19 VI-3) Limites, avantages et actualité de la spectrométrie ............................................ 19 CONCLUSION ...........................................................................................................................................21 Partie II : Méthode de fractionnement utilisée à l’ENGEES, améliorations possibles et faisabilité économique - iii - Etude bibliographique, économique et essais sur différentes méthodes de fractionnement de la demande chimique en oxygène d’un effluent urbain I- Méthode de fractionnement utilisée actuellement à l’ENGEES.........................................22 I-1) Principe et méthode effectuée...................................................................................................22 I-1-a) Préparation du contenu des réacteurs ...................................................................... 23 I-1-b) Matériel utilisé......................................................................................................... 23 I-1-c) Suivi du test ............................................................................................................. 24 I-1-d) Prélèvements et analyses......................................................................................... 24 I-2) Détermination finale des fractions de la DCO et de l’azote.................................. 24 I-3) Difficultés rencontrées avec la méthode et propositions d’améliorations ......... 26 I-3-a) Problèmes posés par le test de biodégradation en réacteur fermé ........................... 26 I-3-b) Propositions d’améliorations et développement d’une nouvelle méthode.............. 26 II- Etude économique des méthodes de spectrophotométrie et de respirométrie en continu........................................................................................................................................................27 CONCLUSION............28 Partie III : Essais en laboratoire sur la méthode de fractionnement par respirométrie en aération continue I- Mise en place et tests sur le respiromètre ............................................................................29 I-1) Matériel utilisé et mode opératoire .......................................................................... 29 I-2) Les différents tests et calculs à effectuer................................................................. 30 I-2-a) Détermination du rapport S /X et des volumes à injecter ...................................... 30o o I-2-b) Protocole et théorie du test à faible rapport So/Xo ................................................. 31 I-2-c) Protocole du test à fort rapport So/Xo..................................................................... 32 II- Une exploitation des courbes délicate.................................................................................33 II-1) Exploitation du respirogramme à faible rapport : détermination de la fraction Ss ..................................................................................................................................................................33 II-2) Exploitation du respirogramme à fort rapport : détermination de la fraction Xb,h..............................35 III- Des résultats peu fiables sur le Ss, mais corrects sur le Xb,h36 III-1) Coefficient de transfert à l’oxygène KLa.........................................................................36 III-2) Résultats obtenus sur la détermination du Ss..................................................... 37 III-3) Résultats sur l’effluent synthétique ...................................................................... 38 III-4) Résultats sur la fraction Xb,h ................................................................................ 38 III-5) Limites de la respirométrie à aération continue................................................. 39 CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES..............................................................................40 BIBLIOGRAPHIE........................................................................................................................................ I TABLE DES ILLUSTRATIONS............................................................................................................VII TABLE DES ANNEXES........................................................................................................................VIII - iv - Etude bibliographique, économique et essais sur différentes méthodes de fractionnement de la demande chimique en oxygène d’un effluent urbain INTRODUCTION Le stage effectué à l’Ecole Nationale du Génie de l’Eau et de l’Environnement de Strasbourg (ENGEES) se situe dans le cadre de la modélisation de la station d’épuration du Syndicat du Rosenmeer sous un logiciel de traitement de station : GPS-X. Pour pouvoir modéliser la station de la manière la plus cohérente possible, il faut connaître le fractionnement de la demande chimique en oxygène qui arrive en entrée de station. C’est dans ce contexte que ce sujet a été proposé. Ainsi, dans une première partie, une étude bibliographique des différentes techniques de fractionnement de la demande chimique en oxygène est proposée. Elle fait état des avantages et des inconvénients de chaque méthode. Ensuite, dans une seconde partie, la méthode de fractionnement utilisée à l’ENGEES est présentée. C’est une méthode de biodégradation en réacteur fermé : ses points faibles seront exposés et donc la nécessité de mettre en place une autre méthode de fractionnement. C’est dans ce but qu’une mini étude économique est présentée ensuite. Les différents fournisseurs de spectrophotomètres et de respiromètres installables en continu sur station vont alors être comparés. Enfin, dans une dernière partie, des essais expérimentaux sur la méthode de respirométrie à aération continue vont être présentés. Cette technique a en effet été mise en place pour la première fois au laboratoire. Les protocoles instaurés vont être détaillées, ainsi que l’exploitation des courbes expérimentales et les différents résultats obtenus. Alexandre Baudouin - 1 - Mai 2004 Etude bibliographique, économique et essais sur différentes méthodes de fractionnement de la demande chimique en oxygène d’un effluent urbain Partie I : Synthèse bibliographique des différentes méthodes de fractionnement Alexandre Baudouin Mai 2004 Etude bibliographique, économique et essais sur différentes méthodes de fractionnement de la demande chimique en oxygène d’un effluent urbain I- Contexte et objectifs de la synthèse bibliogra- phique I-1) Présentation de l’ENGEES et objectifs du stage I-1-a) Présentation de l’Ecole L’Ecole Nationale du Génie de l’Eau et de l’Environnement de Strasbourg (ENGEES) date de 1952 et se situe depuis 1960 dans ses locaux actuels à Strasbourg (Bas-Rhin). C’est un établissement d’enseignement supérieur dépendant du Ministère de l’Agriculture, de l’Alimentation, de la Pêche et des Affaires Rurales. Elle a pour vocation première de former des ingénieurs et des cadres dont les compétences s’exercent dans les domaines de l’eau (eau potable, assainissement, hydraulique agricole), de l’équipement rural et de l’aménagement du territoire. Elle forme de plus des ingénieurs fonctionnaires (destinés principalement aux Ministères) et des ingénieurs civils (plus orientés dans le secteur privé ou parapublic). L’Ecole propose de plus une formation à la recherche avec trois DEA : - Mécanique et Ingénierie, - Protection, Aménagement, Exploitation du Sol et du Sous-sol, - Systèmes Spatiaux et Environnement. Deux mastères spécialisés (Eau potable et Assainissement, Maîtrise des déchets) viennent compléter cette activité. Bien entendu, l’Ecole possède une activité de recherche. Elle est relativement importante à la vue de sa petite taille (seulement 70 élèves par promotion). En effet, trois unités de recherche la composent : - « Gestion des Services Publics » (GSP), en collaboration avec le CEMAGREF (Centre national du Machinisme Agricole, du Génie Rural, des Eaux et Forêts), - « Centre d’Ecologie Végétale et d’Hydrologie », en collaboration avec l’Université Louis pasteur de Strasbourg, - « Systèmes Hydrauliques Urbains » (SHU), où ce stage a été effectué. I-1-b) Objectifs du stage Le laboratoire SHU a pour objectif l'étude des systèmes d'assainissement urbain, d'adduction et de distribution d'eau potable. Les activités du laboratoire visent à mettre au point des outils d'aide à la conception, à la gestion des équipements et à la gestion des systèmes, destinés aux maîtres d'ouvrages, maîtres d’œuvres et bureaux d'études. Ce stage se situe dans le cadre de la modélisation de stations d’épurations à boues activées. Afin de mieux caractériser la matière organique des eaux usées responsable de la pollution, on mesure la demande chimique en oxygène (DCO) et son fractionnement. Or, la mesure du fractionnement de la DCO n’est pas normalisée et les méthodes évoluent sans cesse. Un des premiers objectifs pour l’ENGEES est donc de réaliser une étude bibliographique sur les Alexandre Baudouin - 2 - Mai 2004
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