FR3027020A1

FR3027020A1 - METHOD FOR DYNAMICALLY REGULATING THE AERATION OF THE BIOLOGICAL BASIN

Info

Publication number: FR3027020A1
Application number: FR1402288A
Authority: FR
Inventors: Patrick Billette; David Baraton; Constance Menahem
Original assignee: Sources SA
Current assignee: Sources SA
Priority date: 2014-10-09
Filing date: 2014-10-09
Publication date: 2016-04-15
Anticipated expiration: 2034-10-09
Also published as: FR3027020B1

Abstract

Cette invention permet l'asservissement dynamique de l'aération de la station d'épuration dans le but d'optimiser son fonctionnement en termes de qualité des eaux rejetées et de réduction des dépenses énergétiques et économiques, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - Une première étape de nitritation commandant l'abaissement de la capacité d'aération de maximale à intermédiaire par un seuil intermédiaire de concentration en dioxygène. - Une deuxième étape de nitratation, aboutissant à l'arrêt de l'aération, asservie à un seuil haut en potentiel redox et ou un seuil bas de concentration en ammoniums. Une temporisation sécuritaire mise en place en cas de réaction trop rapide ou trop lente. - Une troisième étape de dénitrification, à la suite de la nitrification, se déroulant jusqu'à la remise en route du système d'aération commandé par l'intermédiaire d'un seuil haut de concentration en ammoniums ou d'un seuil bas de concentration en nitrates. Une deuxième temporisation sécuritaire mise en place en cas de réaction trop rapide ou trop lente. - La réitération des différentes étapes en continu.This invention allows the dynamic servoing of the aeration of the purification plant in order to optimize its operation in terms of quality of discharged water and reduction of energy and economic expenditure, characterized in that it comprises the steps following: - A first nitritation step controlling the lowering of the maximum to intermediate aeration capacity by an intermediate threshold of oxygen concentration. - A second nitration step, resulting in the cessation of aeration, slaved to a high threshold in redox potential and or a low threshold of ammonium concentration. A safe delay set up in case of reaction too fast or too slow. - A third denitrification stage, following nitrification, taking place until the re-start of the controlled aeration system via a high threshold of ammonium concentration or a low concentration threshold. in nitrates. A second safe delay set up in case of reaction too fast or too slow. - The repetition of the different stages continuously.

Description

1 Procédé de régulation dynamique de l'aération du bassin biologique Domaine de l'invention La présente invention concerne, de façon générale, le domaine du traitement de l'eau en vue de l'épuration des eaux usées. La présente invention se rapporte plus précisément au perfectionnement du procédé permettant la régulation dynamique de l'aération du bassin biologique ajustée au plus près des besoins en air, dans le but d'optimiser le fonctionnement de la station d'épuration en termes de qualité des eaux rejetées. D'autre part, elle a pour objectif secondaire de diminuer les dépenses énergétiques et économiques de ce poste très énergivore. Art antérieur et ses inconvénients Dans le domaine de l'invention, des procédés sont couramment mis en oeuvre afin d'affiner le traitement des eaux par l'utilisation d'un procédé de régulation le plus performant possible, permettant la réduction des teneurs en matières carboniques et azotées. Il est par exemple connu dans l'art antérieur, l'asservissement cyclique de l'aération sur horloge sans le recours à un capteur pour des stations alimentées par un réseau séparatif et en l'absence de rejet industriel. Les durées de marche et d'arrêt permettant une dégradation complète du carbone et de l'azote (de bons rendements sur l'azote garantissant ceux sur le carbone dans le domaine de l'aération prolongée) peuvent donc être préréglées dans l'automate. Dans l'éventualité où la 3027020 2 charge entrante est différente le weekend, deux réglages peuvent être adoptés. Lors de phases de fluctuations de débit comme dans le cas de pluies intenses ou de vidange des bassins 5 d'orages, des augmentations de charges carbonées et azotées sont constatées, la préprogrammation de réglages d'aération à l'aide d'horloges est donc beaucoup moins bien adaptée dans ce cas là. Devant ces considérations, une nouvelle technique a 10 été mise en place, il s'agit de l'asservissement du procédé d'aération par les sondes redox et oxygène afin de permettre d'adapter la durée des séquences d'aération et d'arrêt de l'aération à la charge instantanée reçue par l'installation. En présence de dioxygène, la tension 15 d'électrode de platine appelée potentiel d'oxydoréduction (ou potentiel redox) suit une fonction logarithmique croissante composée de deux phases. Lors de la nitrification, il y a tout d'abord production de nitrites puis de nitrates qui se traduit par une 20 augmentation du potentiel redox jusqu'à un certain seuil, connu, propre à chaque station de traitement des eaux usées, commandant l'arrêt du système d'aération. En absence de dioxygène, lors de la phase de dénitrification, le potentiel redox évolue vers des 25 valeurs basses indicatrices de l'état réducteur du milieu et, par déduction, de la présence de nitrates ou non, un seuil bas en dioxygène et ou redox permettant la relance du système d'aération. Ce type de procédé présente l'inconvénient majeur de 30 ne pas tenir compte des concentrations spécifiques en ammoniums et en nitrates lors des différentes phases de nitrification et dénitrification. La consommation en 3027020 3 dioxygène observée est très importante du fait d'une régulation peu sensible provoquant des dépenses énergétiques et économiques fortuites. De plus, les solutions de secours, en cas de défaillances des sondes, 5 paraissent très peu sécuritaires puisqu'il s'agit le plus souvent, d'un fonctionnement horaire garantissant une durée minimale et une durée maximale journalière de fonctionnement du système d'aération. Un autre procédé est utilisé depuis relativement peu 10 de temps, il s'agit de l'asservissement par mesure directe des concentrations d'ammoniums et de nitrates. Des sondes de mesure combinées des ions nitrates et ammoniums avec électrodes de compensation potassiums et chlorures sont utilisées pour ce faire. Lorsque le milieu 15 est aéré, l'azote est oxydé par nitrification, la concentration en ions NO3- augmente jusqu'à une valeur de consigne. Lorsque cette valeur limite est atteinte, l'aération est alors stoppée. En l'absence d'aération (phase anoxique), les nitrates sont réduits 20 (dénitrification), la concentration en ammoniums augmente jusqu'à une valeur limite entrainant un redémarrage des aérateurs. Cette technique présente l'inconvénient majeur de dépendre exclusivement des sondes indiquant les 25 concentrations en ammoniums et nitrates. Ainsi, il apparait difficile de connaître l'impact des autres sources de consommation de dioxygène notamment en cas de défaillance des deux sondes ; l'aération est alors dégradée. De plus, ne présentant pas de seuil 30 intermédiaire, l'aération fonctionne en mode TOR (Tout Ou Rien), ce qui peut générer des soucis d'exploitation à long terme.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates, in a general manner, to the field of water treatment with a view to the purification of wastewater. The present invention relates more specifically to the improvement of the method for the dynamic regulation of the aeration of the biological basin adjusted to the nearest air requirements, in order to optimize the operation of the treatment plant in terms of quality of the discharged waters. On the other hand, it has the secondary objective of reducing the energy and economic costs of this energy-intensive item. PRIOR ART AND ITS DISABILITIES In the field of the invention, processes are commonly used to refine the treatment of water by the use of the most efficient control method possible, allowing the reduction of material contents. carbon and nitrogen. It is for example known in the prior art, the cyclic servocontrol of aeration on clock without the use of a sensor for stations fed by a separate network and in the absence of industrial rejection. Running times and stopping times allowing a complete degradation of carbon and nitrogen (good yields on nitrogen guaranteeing those on carbon in the field of prolonged aeration) can therefore be preset in the automaton. In the event that the 3027020 2 incoming charge is different at the weekend, two settings can be adopted. During phases of flow fluctuations as in the case of intense rain or emptying storm basins, increases in carbon and nitrogen loads are noted, the preprogramming of ventilation settings with clocks is therefore much less well suited in this case. In view of these considerations, a new technique has been put in place, which is the enslavement of the aeration process by the redox and oxygen probes so as to make it possible to adapt the duration of the aeration and shutdown sequences. from aeration to the instantaneous charge received by the installation. In the presence of oxygen, the platinum electrode voltage called redox potential (or redox potential) follows an increasing logarithmic function composed of two phases. During nitrification, nitrite and then nitrate are first produced, which results in an increase in the redox potential up to a certain known threshold, specific to each wastewater treatment station, controlling the shutdown of the ventilation system. In the absence of oxygen, during the denitrification phase, the redox potential evolves towards low values indicating the reducing state of the medium and, inferentially, the presence of nitrates or not, a low oxygen and / or redox threshold. allowing the revival of the aeration system. This type of process has the major disadvantage of not taking into account the specific concentrations of ammonium and nitrates during the different phases of nitrification and denitrification. Consumption of 3027020 3 observed oxygen is very important because of a less sensitive regulation causing incidental energy and economic costs. In addition, the emergency solutions, in the event of sensor failures, appear very insecure since it is most often a time operation guaranteeing a minimum duration and a maximum daily operating time of the system. aeration. Another method has been used for a relatively short time, it is the slaving by direct measurement of ammonium and nitrate concentrations. Combined measurement probes of nitrate and ammonium ions with potassium and chloride compensation electrodes are used for this purpose. When the medium is aerated, the nitrogen is oxidized by nitrification, the concentration of NO 3 - ions increases to a set point. When this limit value is reached, the aeration is then stopped. In the absence of aeration (anoxic phase), the nitrates are reduced (denitrification), the ammonium concentration increases to a limit value causing a restart of the aerators. This technique has the major disadvantage of relying exclusively on probes indicating ammonium and nitrate concentrations. Thus, it appears difficult to know the impact of other sources of oxygen consumption especially in case of failure of both probes; the aeration is then degraded. In addition, having no intermediate threshold, the aeration operates in TOR mode (all-or-nothing), which can generate long-term operating problems.

3027020 4 Objectifs de l'invention Le procédé selon l'invention permet ainsi d'optimiser les techniques connues afin d'empêcher toute défaillance de l'aération. L'intérêt est d'améliorer et de fiabiliser 5 les performances de traitement à l'aide des différentes sondes et de limiter les pertes d'énergie et le coût économique liés à une utilisation excessive du système d'aération, et donc d'en réduire l'impact sur le coût du mètre cube d'eau traitée.OBJECTS OF THE INVENTION The method according to the invention thus makes it possible to optimize the known techniques in order to prevent any failure of the aeration. The interest is to improve and make reliable the treatment performance with the aid of the various probes and to limit the energy losses and the economic cost of excessive use of the aeration system, and therefore of reduce the impact on the cost of the cubic meter of treated water.

10 Exposé de l'invention L'objectif d'améliorer la régulation d'aération du bassin biologique est atteint à l'aide d'un procédé de régulation dynamique, qui selon l'invention, comprend les 15 étapes suivantes : Une première étape représentant la première partie de la nitrification nommée nitritation. Les bactéries s'adaptent à la concentration en dioxygène 02 assez rapidement, puis elles transforment les 20 ions ammoniums NH4+ en ions nitrites NO2, la consommation en dioxygène est très importante, le système d'aération fonctionnant à sa capacité maximale. La réaction s'écrit : NH4+ + 202 + 2e- = NO2 + 2H20.SUMMARY OF THE INVENTION The objective of improving aeration control of the biological basin is achieved by means of a dynamic control method, which according to the invention comprises the following 15 steps: A first step representing the first part of nitrification called nitritation. The bacteria adapt to the O 2 O 2 concentration quite rapidly, then they convert the NH 4 + ammonium ions into NO 2 nitride ions, the consumption of oxygen is very important, the aeration system operating at its maximum capacity. The reaction is written: NH4 + + 202 + 2e- = NO2 + 2H20.

25 Une deuxième étape de nitratation correspondant à la phase finale de la nitrification. Les nitrites formés sont oxydés en nitrates par une oxygénation nécessitant un apport en dioxygène moins important. Ainsi, on observe une remontée de la courbe de 30 concentration en dioxygène directement liée à la réaction suivante : NO2 +'2:2 02 = NO3- 3027020 5 On observe donc que la consommation en dioxygène est 4 fois moins importante pour cette phase de nitratation, ainsi, la capacité d'aération fournie est intermédiaire.A second nitration step corresponding to the final phase of nitrification. The nitrites formed are oxidized to nitrates by oxygenation requiring a less important dioxygen intake. Thus, a rise in the dioxygen concentration curve directly linked to the following reaction is observed: NO2 + '2: 2 O2 = NO3- 3027020 5 It is therefore observed that the dioxygen consumption is 4 times less important for this phase of the reaction. nitratation, thus, the provided aeration capacity is intermediate.

5 Une troisième étape de dénitrification, avec l'arrêt de l'aération. Cette réaction est dite « de dénitrification » (ou réduction dissimilative) car elle se traduit par la réduction des nitrates en azote moléculaire (N2), gaz qui retourne à 10 l'atmosphère. Ainsi l'invention repose sur une approche originale consistant à utiliser, simultanément et de façon complémentaire, les différentes sondes d'ammoniums, nitrates, redox et dioxygène afin d'affiner le temps de 15 l'aération, d'améliorer la consommation énergétique, les coûts économiques et la qualité du traitement, plus particulièrement pour l'abattement des nitrates. En effet, l'étape de traitement biologique, permet classiquement un traitement efficace de la matière 20 azotée, et particulièrement des nitrates. Description des figures Figure 1 : Schéma de principe général du procédé de régulation dynamique de l'aération dans un bassin 25 biologique selon l'invention. Figure 2 : Schéma récapitulatif des différentes phases rencontrées lors de la mise en place du procédé de régulation dynamique de l'aération dans un bassin 30 biologique selon l'invention.A third stage of denitrification, with the cessation of aeration. This reaction is called "denitrification" (or dissimilative reduction) because it results in the reduction of nitrates in molecular nitrogen (N2), a gas that returns to the atmosphere. Thus, the invention is based on an original approach consisting in using, simultaneously and in a complementary manner, the various ammonium, nitrate, redox and oxygen probes in order to refine the aeration time, to improve the energy consumption, the economic costs and the quality of the treatment, especially for the reduction of nitrates. Indeed, the biological treatment step conventionally allows effective treatment of the nitrogenous material, and particularly nitrates. Description of the Figures Figure 1: General scheme of the method of dynamic regulation of aeration in a biological basin according to the invention. FIG. 2: Diagrammatic diagram of the different phases encountered during the implementation of the method of dynamic regulation of aeration in a biological basin according to the invention.

3027020 6 Description détaillée de modes de réalisation de l'invention La présente invention concerne l'amélioration des techniques de régulation de l'aération d'un bassin 5 d'aération grâce à l'utilisation simultanée de différentes sondes : ammoniums, nitrates, redox et dioxygène. Le principe général de cette invention repose sur l'analyse des différents paramètres nécessaires au suivi d'une étape de nitrification - dénitrification dans 10 une station d'épuration. La mise en oeuvre de l'invention permet la réduction quantitative des nitrates dans le bassin biologique permettant ainsi de répondre aux normes en vigueur. Les microorganismes présents dans le bassin dégradant les 15 molécules carbonées et azotées à l'aide de dioxygène. Chaque sonde permet alors de mesurer la concentration des paramètres en temps réel, comparant ces données à des valeurs seuils déclenchant l'arrêt ou le démarrage du système d'aération.DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS OF THE INVENTION The present invention relates to the improvement of the techniques for regulating the aeration of aeration basin by the simultaneous use of different probes: ammoniums, nitrates, redox and oxygen. The general principle of this invention is based on the analysis of the various parameters necessary for monitoring a nitrification-denitrification step in a purification plant. The implementation of the invention allows the quantitative reduction of nitrates in the biological basin thus meeting the standards in force. The microorganisms present in the pool degrading the carbon and nitrogen molecules using dioxygen. Each probe then makes it possible to measure the concentration of the parameters in real time, comparing these data with threshold values triggering the stopping or starting of the aeration system.

20 De plus, afin d'assurer un encadrement de secours de la régulation et d'éviter les pertes d'énergie, le modèle défini impose des temporisations sur les différentes étapes. Ainsi, toute défaillance est endiguée rapidement et le coût associé, dépendant du temps de marche du 25 système d'aération, est allégé. Comme cela est représenté sur la Figure 1 annexée, la présente invention comporte une sonde à dioxygène, une sonde redox, une sonde de mesures à ammoniums et une sonde de mesures à nitrates.In addition, in order to provide backup supervision of the regulation and to avoid energy losses, the defined model imposes delays on the different steps. Thus, any failure is quickly curbed and the associated cost, depending on the running time of the aeration system, is reduced. As shown in the appended FIG. 1, the present invention comprises a oxygen probe, a redox probe, an ammonium measurement probe and a nitrate measurement probe.

30 Lors de la première étape 1, symbolisant le début de la phase de nitrification, le système d'aération est à sa capacité maximale.In the first step 1, symbolizing the beginning of the nitrification phase, the aeration system is at its maximum capacity.

3027020 7 Commence alors la phase de nitritation 1 au cours de laquelle, l'ammonium est éliminé partiellement et le dioxygène fortement consommé. A la fin de cette étape, lorsque le seuil intermédiaire en dioxygène de 2 mg/1 est 5 atteint, la capacité d'aération passe de maximale à intermédiaire. L'abaissement de la capacité d'aération de maximale à intermédiaire marque le début de la phase de nitratation 2. Les nitrites NO2- sont oxydés en nitrates NO3- à l'aide 10 d'un apport de dioxygène 4 fois moins important qu'à la nitritation. Le taux d'ammoniums chute considérablement tandis que le taux de nitrates, le potentiel redox et le taux en dioxygène augmentent. La fin de cette phase de nitrification est conditionnée par différents seuils 15 dépendant de plusieurs paramètres. Un potentiel redox atteignant 200 mV et/ou une concentration en ammoniums de l'ordre de 0,4 mg/1 déclenche la fin de l'aération. Une temporisation complémentaire sécuritaire permet d'empêcher une mauvaise production de nitrites NO2-, en 20 réduisant le fonctionnement de l'aération d'une capacité maximale à intermédiaire en cas de réaction trop rapide (inférieure à 15 minutes) ou trop lente (supérieure à 120 minutes). L'étape finale 3 du procédé peut alors commencer, il 25 s'agit de la dénitrification. La concentration en nitrates est abattue fortement tout comme le potentiel redox tandis que le taux d'ammoniums augmente fortement. La concentration en dioxygène reste nulle, le système d'aération étant arrêté. La fin de la dénitrification, 30 permettant la remise en route du système d'aération, est commandée par deux seuils distincts, un seuil haut en ammoniums fixé à 1 mg/1 et un seuil bas en nitrates fixé 3027020 8 à 0,5 mg/l. Dès que le premier de ces deux seuils est atteint, l'aération est redémarrée. Une temporisation complémentaire sécuritaire permet d'empêcher une mauvaise élimination des nitrates NO3-, en 5 activant le fonctionnement du système d'aération en cas de réaction trop rapide (inférieure à 30 minutes) ou trop lente (supérieure à 150 minutes). La régulation d'un bassin biologique traitement des eaux usées étant un perpétuel d' de une station 10 recommencement, il n'y a pas de limites définies pour l'arrêt du processus, la boucle fonctionne alors en continu. 15 20 25 30The starting point for the nitritation phase 1 during which the ammonium is partially removed and the dioxygen strongly consumed. At the end of this step, when the intermediate oxygen threshold of 2 mg / l is reached, the aeration capacity goes from maximum to intermediate. The lowering of the maximum to intermediate aeration capacity marks the beginning of the nitration phase 2. The nitrites NO 2 - are oxidized to nitrates NO 3 - with the aid of a contribution of oxygen 4 times less than to nitritation. The ammonium level drops considerably while the nitrate level, the redox potential and the oxygen content increase. The end of this nitrification phase is conditioned by different thresholds depending on several parameters. A redox potential up to 200 mV and / or an ammonium concentration of the order of 0.4 mg / 1 triggers the end of the aeration. A complementary safe delay makes it possible to prevent a bad production of NO2- nitrites, by reducing the operation of aeration from a maximum to intermediate capacity in case of a reaction that is too fast (less than 15 minutes) or too slow (greater than 15 minutes). 120 minutes). The final step 3 of the process can then begin, this is denitrification. The nitrate concentration is severely reduced as is the redox potential while the ammonium content increases sharply. The oxygen concentration remains zero, the aeration system being stopped. The end of the denitrification, allowing the restarting of the aeration system, is controlled by two distinct thresholds, a high threshold in ammoniums fixed at 1 mg / l and a low threshold in nitrates set at 3027020 8 to 0.5 mg / l. As soon as the first of these two thresholds is reached, the aeration is restarted. A complementary safe delay makes it possible to prevent a bad elimination of nitrates NO 3 -, by activating the operation of the aeration system in the event of a reaction that is too fast (less than 30 minutes) or too slow (more than 150 minutes). The regulation of a biological wastewater treatment pond being a perpetual of a restart station, there are no defined limits for stopping the process, the loop then operates continuously. 15 20 25 30

Claims

REVENDICATIONS1. A method for dynamically regulating the aeration of the biological pond, with the aim of optimizing the operation of the treatment plant in terms of the quality of the discharged water and the reduction of energy and economic expenditure, characterized in that it comprises the Next steps: - A first nitritation step controlling the reduction of the capacity of the maximum to intermediate aeration system by an intermediate threshold of oxygen concentration. - A second nitration step, resulting in the shutdown of the aeration system, slaved to a high threshold in redox potential and or a low threshold in ammonium concentration. The presence of a safe delay in case of reaction too fast or too slow. - A third denitrification stage, following nitrification, taking place until the re-start of the controlled aeration system via a high threshold of ammonium concentration or a low concentration threshold. in nitrates. The presence of a second safe delay in case of reaction too fast or too slow. Repetition of the different stages continuously.

2. Method according to claim 1, characterized in that the intermediate concentration threshold of 02 is 2 mg / l. 3027020 10

3. Method according to claim 1, characterized in that the low threshold of ammonium concentration is 0.4 mg / l and the high threshold of ammonium concentration is 1 mg / l. 5

4. Method according to claim 1, characterized in that the redox potential is set at a high threshold of 200 mV.

5. Process according to claim 1, characterized in that the low threshold of nitrate concentration is set at 0.5 mg / l.

6. Process according to Claims 1, 2, 3 and 4, characterized in that the time delay on the nitrification stage is set at 15 minutes in the case of a rapid reaction and 120 minutes in the case of a slow reaction.

7. Process according to Claims 1, 3 and 5, characterized in that the time delay on the denitrification stage is set at 30 minutes in the case of a rapid reaction and 150 minutes in the case of a slow reaction. 2530