Exploiter les traitements MP de manière stable

MESURE UV UTILE POUR L'EXPLOITATION QUOTIDIENNE

En complément des mesures périodiques des substances de référence, les STEP dotées d'un traitement MP utilisent généralement la mesure de l'absorbance d'un effluent à une longueur d'onde de 254 nm (mesure UV) au moyen d'un photomètre pour estimer le taux d'épuration. La diminution de l'absorbance UV donne des informations sur la pollution par des micropolluants organiques. En effet, lors d'essais avec une large gamme de dosage d’ozone en laboratoire et à grande échelle, ce delta UV corrèle très bien avec l'élimination des MP. Ce paramètre de substitution peut être relevé en temps réel au moyen de sondes en ligne ou en laboratoire ([7-11]). L'encadré 1 fournit des informations plus précises sur les mesures UV des installations étudiées.

En revanche, il n'y a pas de lien évident dans les données analysées des STEP avec traitement MP (voir par ex. fig. 3). Cela vaut aussi bien pour les ozonations que pour les installations à charbon actif. Les raisons de cette mauvaise corrélation sont notamment les suivantes:

• Dans les cas considérés, le taux d’épuration se situe dans une fourchette étroite de 80% à 90%, c'est-à-dire dans une fenêtre d'observation limitée. Les points de données supplémentaires issus d'éventuels essais avec différents dosage d’ozone (voir encadré 2) n'ont pas été pris en compte dans notre évaluation.
• Il faut en outre tenir compte du fait que des erreurs peuvent survenir lors du prélèvement, de la préparation des échantillons et de l'analyse MP. Ces erreurs influencent négativement la corrélation entre le taux d’épuration et le delta UV.
• En fonction de l'âge des sondes UV, la corrélation entre les mesures UV et MP d'une STEP peut varier dans le temps.
• Dans les installations à charbon actif avec une filtration finale, la sonde UV mesure des eaux usées filtrées en sortie de STEP, alors que l'échantillon d'eaux usées n'est pas filtré en entrée de l'étape MP. Cela se répercute sur les résultats [7]. C'est également le cas lors de la comparaison des valeurs UV en ligne (généralement non filtrées) et des valeurs UV en laboratoire (filtrées).
• A la STEP de Neugut, plusieurs sondes UV sont utilisées avec différents delta UV correspondants. Selon la paire de sondes utilisée pour la régulation, un facteur différent est nécessaire pour que toutes les sondes UV fournissent le même résultat final. Les essais avec différents dosages d’ozone ont révélé une très bonne corrélation (R² de 0,96) via l'ozonation (comparaison entre l'entrée et la sortie de l'ozonation, voir fig. 4).
• Le taux d'épuration est déterminé entre l'entrée et la sortie de la STEP, alors que le delta UV n'est déterminé que sur le traitement MP. Cela signifie que l'étape biologique contribue en plus au taux d'épuration. Même si l'influence est faible au total, il peut y avoir certains décalages.
• La stratégie choisie pour le dosage de l'ozone a également une grande influence sur la fourchette du résultat delta UV, tout comme la croissance du biofilm au fil du temps dans les sondes UV et son élimination.

Mesure UV utile sur la plupart des installations  - avec certaines restrictions 

Malgré une mauvaise corrélation dans les données recueillies, les ozonations peuvent, selon l'expérience des exploitants et exploitantes, être contrôlées ou plutôt régulées de manière stable par temps sec à l'aide de sondes UV. Par contre, par temps de pluie, ce paramètre atteint jusqu'à présent ses limites dans la plupart des ozonations, probablement parce que la composition des eaux usées change rapidement et donc aussi le rapport entre le COD et l'absorbance. A la STEP de Neugut, la régulation avec le delta UV fonctionne de manière fiable même par temps de pluie [4]. On ne sait pas pourquoi cela ne fonctionne pas toujours pour les autres ozonations.

Le signal UV est également utilisé dans les installations à charbon actif. L'expérience montre toutefois que ce signal représente plutôt une valeur indicative dans ces cas. Il indique par exemple les dysfonctionnements de manière fiable. Le signal UV n'est donc pas utilisé pour le contrôle/la régulation, car les installations à charbon actif réagissent très lentement aux modifications de dosage, en particulier lorsqu'elles réinjectent les CAP dans la biologie. Le temps de séjour du charbon actif dans le système est alors de plusieurs jours. Le taux d'épuration ne change donc pas immédiatement si l'on ajoute plus ou moins de charbon actif à court terme. Pour les STEP de petite et moyenne taille, les moyennes journalières du delta UV sont ainsi suffisantes. 

Le dosage de charbon actif dans la biologie, tel qu'il est par exemple mis en œuvre à la STEP de Wetzikon, constitue un cas particulier. Une mesure UV à la sortie du décanteur primaire devrait être faite pour ce procédé. Dans les eaux usées pré-décantées, le COD est quantitativement et qualitativement différent de celui obtenu après traitement biologique des eaux usées. Par conséquent, la mesure UV n'est pas utile dans ce cas.

La régulation du dosage du charbon actif se fait donc indépendamment du delta UV, le plus souvent proportionnellement au débit. La STEP d'Herisau dose le charbon actif un peu différemment, à savoir une quantité constante répartie sur la journée selon les variations du débit.

Pour optimiser davantage les installations d'ozone et de charbon actif, des concepts de mesure différents ou supplémentaires sont nécessaires. Un concept de mesure prometteur est par exemple celui de l'Electrone Donating Capacity (EDC), qui pourrait compléter la mesure UV. L’EDC été testé avec succès lors de l'ozonation à la STEP de Werdhölzli [13]. Il faudrait toutefois le soutien des fabricants de techniques de mesure et des STEP intéressées pour continuer à développer le concept de mesure pour la pratique. Une autre méthode est celle de la fluorescence induite par laser, qui a été testée à la STEP de Neugut et a donné des résultats comparables aux sondes UV.

Le delta UV varie d'une STEP à l'autre 

Le signal UV baisse plus ou moins fortement avec le traitement MP selon les STEP étudiées (fig. 5). Selon la composition des eaux usées, la diminution moyenne des UV varie entre 23% (STEP de Penthaz) et 45% (STEP Bassersdorf). Les autres STEP étudiées se situent entre les deux. La STEP d'Altenrhein constitue un cas particulier: la diminution de l'absorbance UV présentée se réfère uniquement à l'ozonation – le traitement avec CAG n'est pas inclus.

A l'aide d'un test avec différents dosages d’ozone (voir encadré 2), chaque STEP peut attribuer le taux d'épuration au delta UV correspondant pour ses eaux usées. Si, plus tard dans l'exploitation, le delta UV s'écarte des valeurs spécifiques déterminées pour la STEP, il est judicieux de procéder à des clarifications plus précises.

Pour que l'ajout d'ozone fonctionne de manière stable et fiable lors d'une régulation à l'aide du delta UV, le signal UV doit varier le moins possible (éviter la dérive). Selon leur expertise, c'est le cas pour les STEP de Bassersdorf, Werdhölzli et Neugut. La boîte sur la figure 5 est étroite pour ces STEP - la zone entre le quartile 25% et le quartile 75% se situe à la valeur moyenne +/- 0,5 à 2,5%. Les données de la STEP de Reinach varient plus que celles des autres installations d'ozone. Cependant, seules six valeurs mesurées ont été prises en compte dans l'analyse.

Pour les installations à charbon actif, les diminutions des UV varient plus fortement que pour les installations à ozone, surtout pour la STEP d'Herisau en raison des fortes influences industrielles.

LE DOSAGE COMPLÉMENTE LES MESURES

En complément des mesures MP et UV, les quantités d'ozone et de charbon actif dosées permettent de classer le taux d’épuration momentané. Il s'agit d'une information importante, en particulier pour les installations à charbon actif. Si les dosages actuels s'écartent des valeurs empiriques, il est judicieux de procéder à des clarifications plus précises.

Doses habituelles de charbon actif 

Les installations de charbon actif étudiées des STEP Thunersee, Schönau, Wetzikon et de Penthaz nécessitent entre 7 et 17 mg/L de charbon actif. 50% des données se situaient dans cette fourchette. La STEP d'Herisau a besoin de plus de charbon actif en raison de ses exigences spécifiques (fig. 6). Comme on pouvait s'y attendre, le dosage diffère entre les STEP. Cela s'explique notamment par les différences de composition des eaux usées. De plus, parmi les cinq STEP étudiées, on trouve quatre procédés de charbon actif différents (voir tab. 1). Cela peut constituer une autre raison pour les dosages variables. En plus, ces STEP utilisent différents produits de CAP.

Les dosages spécifiques deviennent un peu plus comparables lorsqu'elles se rapportent au COD. Les STEP de Thunersee, Schönau et Penthaz ont besoin d'environ 1 à 2 mg de charbon actif par mg de COD (Figure 6, bande verte). Les valeurs de la STEP d'Herisau sont nettement plus élevées en raison d'exigences plus strictes, avec une dose spécifique moyenne d'environ 3,5 mgCA/mgCOD.
Le procédé avec dosage du CAP dans la biologie représente un cas particulier. Le COD en sortie de la décantation secondaire est fortement influencé par le traitement du CAP qui précède. C'est certes aussi le cas des STEP qui réinjectent le CAP dans la biologie, comme les STEP Thunersee ou Schönau. Mais l’effet y est moins prononcé, car le charbon actif est déjà partiellement chargé. Sur la base de valeurs empiriques, la STEP de Wetzikon estime sa consommation spécifique de charbon actif entre 2 et 4 mgCA/mgCOD. Comme il n'y a pas de traitement en plusieurs étapes, la consommation spécifique de CAP est plus élevée que dans les traitements d'effluents comme le procédé d'Ulm ou le dosage de CAP avant le filtre à sable.

Jusqu'à présent, seuls les jours où les STEP ont effectué des analyses MP ont été considérés. Le dosage moyen indiqué dans le tableau 2 tient en revanche compte de tous les jours d'exploitation et sert de complément. Les valeurs ont été calculées avec les quantités totales consommées annuellement. Il en résulte des moyennes annuelles de 7 à 15 mgCA/L, soit 1,3 à 1,7 mgCA/mgCOD (sans Herisau et Wetzikon). Ces données correspondent bien aux consommations spécifiques calculées précédemment pour les jours d'analyse des MP. De plus, les valeurs correspondent bien aux données des installations allemandes.

Tab. 2: Dosages moyens de charbon actif, calculés à partir de la quantité totale consommée annuellement.

Doses habituelles d'ozone 

Les quatre installations d'ozonation examinées nécessitent en moyenne entre 1,8 et 4 mg/L d'ozone. 50% des valeurs se situent dans cette fourchette.

Les différences entre les STEP se réduisent nettement lorsque le dosage est rapporté au COD. En effet, cela permet à nouveau de tenir compte des différentes matrices d'eaux usées. Les STEP de Werdhölzli, Neugut, Bassersdorf et Reinach ont besoin d'environ 0,4 à 0,7 mg d'ozone par mg de COD (fig. 7, bande verte). Les valeurs de la STEP d'Altenrhein sont nettement inférieures en raison de l'ozonation partielle.

Si l'on considère les quantités de dosage calculées à partir de la quantité totale d'ozone dosée annuellement, on obtient des moyennes annuelles de 1,9 à 3,9 mgO₃ /L, respectivement de 0,35 à 0,59 mgO₃ /mgCOD (tab. 3, sans Altenrhein). Ces données coïncident bien avec les consommations spécifiques déterminées précédemment pour les jours d'analyse des MP.

Tab. 3: Dosages moyens d'ozone, calculées à partir de la quantité totale consommée annuellement.

DONNÉES GÉNÉRALES UTILES

Les cantons vérifient si les traitements MP sont exploités dans les règles de l'art et si elles respectent le taux d'épuration exigé par la loi. Pour ce faire, ils s'appuient sur les mesures périodiques des substances de référence, mais peuvent également consulter d'autres données d'exploitation. En plus des mesures UV (voir ci-dessus), les données d'exploitation suivantes sont également utiles :

• Nombre d'heures de fonctionnement des agrégats importants (par ex. générateur d'ozone, dosage de charbon actif) et durée d’utilisation des filtres de CAG.
• Intervalles de remplacement du charbon actif dans les différentes cellules CAG (on ne dispose pas encore de valeurs empiriques à ce sujet).
• Nombre et type de pannes survenues sur les principaux agrégats.
• La consommation mensuelle d'électricité du traitement MP. Pour pouvoir la classer, il faut disposer des valeurs empiriques des premières années de fonctionnement.
• Consommations mensuelles d'ozone et de charbon actif.

CONCLUSIONS

L'expérience opérationnelle et les données d'exploitation des dix premières installations de traitement des MP permettent de tirer les enseignements suivants:

• Les STEP avec un traitement MP respectent généralement le taux d'épuration de 80% exigé par la loi. Les mesures de MP permettent aux exploitant·e·s de faire le point périodiquement. De cette manière, ils génèrent des valeurs empiriques importantes au cours de la première ou des deux premières années d'exploitation en ce qui concerne le dosage de l'ozone ou du charbon actif et l'utilisation des sondes UV.
• Pour l'exploitation quotidienne, les mesures UV à 254 nm sont très utiles, en particulier pour les installations d'ozonation (entrée/sortie de l'ozonation). Par temps de pluie, ces mesures sont parfois moins fiables. Pour les installations à charbon actif, la diminution des UV ne représente qu'une valeur indicative et indique par exemple de manière fiable les perturbations d’exploitation.
• La diminution absolue de l'absorbance de la mesure UV est différente pour chaque STEP, en fonction de la matrice spécifique des eaux usées et des sondes UV utilisées, respectivement de leurs réglages. Il est donc recommandé d'attribuer la diminution de l'absorbance au taux d'épuration correspondant dans le cadre d'un essai avec différents dosages d’ozone. De tels essais sont réalisés pendant la phase de rodage, dès que les sondes UV mesurent de manière stable.
• Le dosage de l'ozone basé sur le signal UV ou le delta UV nécessite une mesure de l'absorbance aussi précise que possible avec peu de dérive. C'est pourquoi l'entretien des sondes revêt une grande importance dans le fonctionnement des installations.
• La quantité d'ozone et de charbon actif dosé donne un point de repère supplémentaire par rapport au taux d’épuration momentané. C'est particulièrement important pour les installations à charbon actif, car le delta UV est trop imprécis. Si les dosages actuels s'écartent des valeurs empiriques, il est judicieux de procéder à des clarifications approfondies. Pour réduire encore plus les incertitudes liées au dosage du charbon actif, des projets de recherche pour des outils adaptés à la pratique et permettant d'assurer la qualité du charbon actif sont nécessaires.
• Pour vérifier si le traitement MP a fonctionné toute l'année, les paramètres complémentaires suivants sont utiles: le nombre d'heures de fonctionnement et le nombre et le type de pannes des principaux agrégats (entre autres le générateur d'ozone, le dosage de charbon actif), la durée de fonctionnement des cellules des filtres de CAG, la consommation électrique mensuelle du traitement MP et les consommations mensuelles d'ozone et de charbon actif.

Bibliographie

[1] Regazzi, F., Schmid, M., Walti, B., (2020) : Motion 20.4262 Massnahmen zur Elimination von Mikroverunreinigungen für alle Abwasserreinigungsanlagen, dernière visite 11.10.23
[2] Wunderlin, P., Gulde, R., Bosshard, J. (2024) : Élimination des micropolluants dans les eaux ménagères : Enseignements tirés de sept années de vérification du taux d’épuration. A&G, n° 1, 46-53.
[3] OFEV (2023): Abwasserfinanzierung / Abwasserfonds, dernière visite 24.7.23
[4] Schachtler, M., Otto, J., Thomann, M. (2020): Spurenstoffelimination bei Regenwetter. Aqua et Gas No. 2, 20-25
[5] VSA (2022): Betrieb von Reinigungsstufen zur Spurenstoffelimination auf ARA bei Regenwetter. www.micropoll.ch., consulté le 24.7.23
[6] Böhler, M. A., Carl, F., Zhu, M., McArdell, C. S., Frömelt, A., Joss, A. (2023): Spurenstoffelimination bei stark verdünnter Abwassermatrix – Erfahrungen, Kenntnisstand und Herausforderungen. 15. Aachener Tagung Wassertechnologie. Eawag, Dübendorf, Suisse.
[7] Wittmer, A., Ramisberger, M., Böhler, M., Heisele, A., Sigrist, H., Hollender, J., McArdell, C., Longrée, P. (2013): UV-Messung zur Regelung der Ozondosis und Überwachung der Reinigungsleistung. Eawag, Dübendorf, Suisse.
[8] VSA (2017): Konzepte zur Überwachung der Reinigungsleistung von weitergehenden Verfahren zur Spurenstoffelimination - Faktenblatt. www.micropoll.ch, consulté le 24.07.23
[9] Schachtler, M., Hubaux, N., Götz, C. (2017): Eignung von UV/VIS Sonden zur Überwachung der Spurenstoffelimination, Korrespondenz Abwasser 64, 889 - 904
[10] VSA (2018): Erfahrungen mit UV/VIS-Sonden zur Überwachung der Spurenstoffelimination auf Kläranlagen - Faktenblatt. www.micropoll.ch, consulté le 24.07.23
[11] McArdell, C.S., Böhler, M., Hernandez, A., Oltramare, C., Büeler, A., Siegrist, H. (2020): Pilotversuche zur erweiterten Abwasserbehandlung mit granulierter Aktivkohle (GAK) und kombiniert mit Teilozonung (O3/GAK) auf der ARA Glarnerland (AVG), Ergänzende Untersuchungen zur PAK-Dosierung in die biologische Stufe mit S::Select® -Verfahren in Kombination mit nachfolgender GAK. Schlussbericht Eawag, Dübendorf, Suisse.
[12] Schachtler, M., Hubaux, N. (2016) : BEAR: Innovative Regelstrategie der Ozonung – UV-Messtechnik für Regelung und Überwachung der Elimination von Mikroverunreinigungen. Aqua et Gas, p. 84 - 93.
[13] Walpen, N. (2022) : Application of UV absorbance and electron-donating capacity as surrogates for micropollutant abatement during full-scale ozonation of secondary-treated wastewater. Water Research 209 (117858)