Etude bibliographique, économique et essais sur différentes ...

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 pos