Capteur de turbidité haute précision pour les stations d’épuration des eaux usées

Quelles sont les différences entre les trois indicateurs de clarté utilisés dans les stations d’épuration ? Distinction entre turbidité, MES et transparence

Dans les stations d'épuration, trois indicateurs de clarté sont fréquemment mentionnés : la turbidité, la transparence et les matières en suspension (MES). Ils représentent trois dimensions différentes de l'évaluation de la clarté : la concentration massique, les propriétés optiques et la perception sensorielle. La méthode normalisée pour mesurer les matières en suspension est la méthode gravimétrique, qui consiste à faire passer un échantillon d'eau à travers une membrane filtrante présentant des pores spécifiques, puis à sécher le résidu jusqu’à atteindre un poids constant. L’unité de mesure est le mg/L. Théoriquement, cet indicateur de concentration massique ne peut pas être surveillé en continu (en ligne) et nécessite un séchage suivi d’une pesée. Les substances affectant les matières en suspension comprennent les limons, les argiles et les micro-organismes de grand rayon. La turbidité est définie comme le degré de diffusion de la lumière par les particules en suspension dans l’eau. La méthode normalisée de mesure est la méthode de diffusion lumineuse à 90°, qui évalue la capacité des particules en suspension à perturber la propagation de la lumière. L’unité est le NTU (ou FTU, unité de turbidité au formol). De nombreuses substances influencent la turbidité, telles que les limons, les micro-organismes, les algues, la matière organique particulaire et les microbulles.

Pourquoi la méthode de mesure de la lumière diffusée à 90° constitue-t-elle la solution dominante pour le contrôle en continu de la turbidité ?

Cette méthode consiste à émettre, depuis une source lumineuse, un faisceau lumineux parallèle et dirigé dans un échantillon d’eau. Un photodétecteur est placé à un angle de 90°, perpendiculairement au faisceau incident. Lorsque la lumière rencontre des particules en suspension dans l’échantillon d’eau, elle est diffusée. Cette lumière diffusée se propage dans toutes les directions, mais le photodétecteur ne recueille que l’intensité de la lumière diffusée latéralement, à partir de laquelle la valeur de turbidité est calculée (l’intensité de la lumière diffusée latéralement est proportionnelle à la concentration de matières en suspension dans l’eau). Il s’agit de la solution la plus répandue pour le contrôle en continu de la turbidité, utilisée par les marques leaders du marché de la surveillance de la qualité de l’eau, telles qu’E+H, Hach, JIDE et OPTEX.

Comparaison des normes relatives à la turbidité de l’eau dans divers pays

Les normes relatives à la turbidité varient selon les pays et portent principalement sur trois domaines :

1. Eau destinée à la consommation humaine (normes obligatoires, exigeant un haut niveau de qualité) ;

2. Eaux de surface (classées selon la fonction du plan d’eau, généralement gérées conjointement avec la transparence) ;

3. Eaux usées industrielles (généralement exprimées en matières en suspension).

Voici des exemples de normes provenant de principaux pays et régions : la norme de l’EPA américaine stipule que la turbidité des eaux de surface courantes, telles que les rivières et les lacs, doit être maintenue entre 25 et 150 NTU ; la turbidité de l’eau destinée à la consommation humaine doit être inférieure à 1 NTU ; la norme applicable aux rejets industriels porte sur les matières en suspension totales (TSS), avec une valeur limite comprise entre 30 et 100 mg/L.

Les normes chinoises relatives aux eaux de surface fixent une turbidité inférieure à 25 NTU (classe V) et inférieure à 10 NTU (classe III). Pour les rejets des stations d’épuration urbaines, calculés en fonction des matières en suspension totales (TSS), la norme maximale autorisée est inférieure à 10 mg/L, tandis que la limite pour les rejets dans les réseaux de prétraitement est de 50 mg/L ; la limite de turbidité applicable aux points de distribution d’eau potable est de 1 NTU.

Le système européen EN ISO 7027 stipule que la limite directive pour l’eau appliquée est inférieure à 4 FNU ; l’exigence relative aux effluents conventionnels provenant des stations d’épuration urbaines, calculée à partir de la MES (matière en suspension), est inférieure à 35 mg/L, et pour les plans d’eau sensibles exigeant une haute qualité, elle est inférieure à 15 mg/L ; pour les eaux de surface, un contrôle coordonné de la transparence et de la turbidité est requis, et l’exigence pour l’eau brute est généralement inférieure à 5 NTU.

Pourquoi vos mesures de turbidité sont-elles toujours inexactes ?

Point sensible n°1 : Les eaux usées industrielles provenant de certaines industries sont colorées et présentent une faible transparence, comme par exemple les eaux usées issues du cokage, les eaux usées de teinture ou les eaux usées contenant de fortes concentrations de particules volumineuses. Cela entraîne des lectures instables des capteurs de turbidité, caractérisées par des fluctuations importantes et une valeur globale nettement plus basse.

Mécanisme d'interférence : Les turbidimètres traditionnels, fondés sur le principe de la lumière diffusée, mesurent l'intensité du signal lumineux revenant vers le détecteur. Si l'eau est colorée, une partie de la lumière diffusée est absorbée prématurément, ce qui affaiblit le signal lumineux reçu par le détecteur et conduit à une valeur de mesure inférieure. De grosses particules en suspension peuvent également provoquer des fluctuations de lecture lorsqu'elles traversent le trajet de transmission de la lumière.

Solution : Les turbidimètres utilisant une lumière infrarouge à 860 nm évitent efficacement les interférences dues à la couleur. Par ailleurs, un algorithme doit être configuré, recourant à une méthode de mesure par rapport afin d’ajuster l’algorithme de compensation du signal lumineux et d’éliminer les erreurs causées par le déplacement de grosses particules et par la couleur. Actuellement, les modèles grand public utilisant cette solution comprennent notamment le HACH TSS-Sc, le CUS51D Turbimax d’E+H et le WQ3000-TSS/Turb de JIDE.

Point sensible 2 : Dans les procédés avancés de traitement des eaux usées, tels que le traitement par membranes, les réacteurs à boues activées membranaires (MBR), l’alimentation en eau pour l’osmose inverse ou le traitement dans les décanteurs secondaires, lorsque l’eau traitée est très claire (turbidité généralement inférieure à 1 UT), la vitesse de réponse du turbidimètre diminue ou la valeur affichée augmente brusquement, même lorsque l’échantillon d’eau est stable.

Mécanisme d’interférence : interférence due aux bulles. Les bulles générées par des débits instables perturbent considérablement les mesures de turbidité à faible turbidité, conduisant à des valeurs mesurées artificiellement élevées. Des instruments non étalonnés peuvent générer des signaux lumineux internes chaotiques, affectant la quantité déjà très faible de lumière diffusée lors des mesures à faible turbidité, ce qui entraîne une diminution de la vitesse de réponse de l’appareil.

Solutions : Installer un bac désaérateur (principe de gravité ou de pressurisation) , optimiser la conception du canal d’écoulement et effectuer régulièrement un étalonnage du point zéro à l’aide d’eau ultrapure.

De nombreux autres problèmes complexes liés aux mesures de turbidité se posent sur site. Vous pouvez contacter nos ingénieurs via notre site web pour en discuter davantage. Nous invitons les clients de divers secteurs à nous fournir des études de cas afin d’améliorer nos produits et d’élargir notre expérience d’applications sur site.

Point sensible n° 3 : Le turbidimètre est très précis immédiatement après l’étalonnage, mais après moins d’une semaine d’utilisation dans des eaux naturelles ou des eaux usées, les mesures présentent des fluctuations et une dérive vers le haut.

Mécanisme d’interférence : Interférences courantes dues aux biofilms présents dans les eaux naturelles et les océans, ou interférences dues aux composés de calcium et de magnésium qui s’accumulent dans les eaux usées à forte dureté. Ces interférences peuvent facilement masquer les composants émetteurs et récepteurs du signal lumineux, ce qui affecte les résultats des mesures.

Solution : Sélectionner un turbidimètre équipé d’une brosse de nettoyage automatique. Ce type de brosse en silicone est durable, facile à remplacer et permet de nettoyer périodiquement la fenêtre optique selon les besoins, réduisant ainsi efficacement les interférences dues aux biofilms. Pour les eaux usées à forte teneur en dureté, la fréquence de maintenance doit être augmentée. Il est recommandé de choisir un turbidimètre encapsulé dans des matériaux résistants à la corrosion, tels que l’alliage de titane (dans ce cas, le turbidimètre en ligne JIDE WQ3000-turb-Ti, version avec nettoyage automatique en alliage de titane, très économique, est recommandé). Lors de la maintenance courante, un lavage à l’acide permet efficacement de dissoudre les composés de calcium et de magnésium.

Point sensible n° 4 : Les données de turbidité obtenues en laboratoire et celles fournies par l’analyseur en ligne ne sont pas comparables, avec une erreur supérieure à 10 %, ce qui rend impossible pour l’une ou l’autre partie de faire confiance aux résultats des essais.

Mécanismes d'interférence : La turbidité et les matières en suspension sont des paramètres dynamiques et actifs qui se déposent facilement. Il est donc essentiel d’agiter vigoureusement l’échantillon avant tout test, et un agitateur magnétique peut s’avérer nécessaire pour assurer la stabilité du test. En outre, lors de l’étalonnage des analyseurs de turbidité en ligne en laboratoire, il convient d’utiliser le récipient d’étalonnage anti-lumière fourni par le fabricant, et la solution étalon de formaldéhyde doit être analysée dans un environnement totalement obscur afin d’éviter toute interférence de la lumière ambiante. Dans certaines conditions opérationnelles complexes, si une concordance exacte avec les données de mesure obtenues en laboratoire est requise, et que l’instrument ne permet pas de reproduire les conditions d’analyse de la solution étalon en laboratoire (le principe de mesure en laboratoire pouvant reposer sur la méthode à lampe à incandescence plutôt que sur la méthode à lumière infrarouge), il est possible d’utiliser des échantillons d’eau réels pour l’étalonnage, afin de garantir que les résultats comparatifs répondent aux exigences du test.

Comment choisir un capteur de turbidité haute précision dans des conditions opérationnelles complexes au sein des stations d’épuration

Dans l’ensemble du système de traitement des eaux usées industrielles, la turbidité constitue un indicateur de processus fondamental qui reflète directement l’efficacité de l’élimination des matières en suspension totales (TSS), les performances de décantation des boues, la surveillance de la qualité de l’eau brute entrante et le respect des normes de qualité de l’eau traitée en sortie. Les prélèvements et analyses manuels ne permettent pas d’obtenir un retour d’information précis sur les fluctuations de la qualité de l’eau, ce qui comporte un risque de dépassement des normes de rejet. De plus, les capteurs de turbidité à faible précision sont également sensibles à divers facteurs d’interférence, tels que la couleur, les dépôts visqueux, la matière organique et les bulles d’air, ce qui peut entraîner une instabilité fréquente à long terme, notamment dans des conditions d’exploitation complexes où l’incertitude augmente considérablement.

Les capteurs de turbidité à haute précision, quant à eux, sont conçus selon des principes fondamentaux de surveillance et des détails techniques visant à éliminer les interférences et à atténuer les dérives potentielles des données ainsi que les erreurs. Cette section prend pour exemples l’analyseur de turbidité/matières en suspension de la série WQ3000 de JIDE et le turbidimètre à faible plage de mesure de référence pour les stations d’épuration des eaux usées 1720E de Hach.

L’analyseur de turbidité/matières en suspension de la série WQ3000 de JIDE intègre une source de lumière LED proche infrarouge à 860 nm qui pénètre dans l’eau sans être affectée par la coloration jaunâtre ou brunâtre des eaux usées ni par la chromaticité des eaux usées issues du secteur textile, évitant ainsi les erreurs inhérentes aux méthodes de détection utilisant la lumière visible.

Un module récepteur photoélectrique est positionné à 90° par rapport au faisceau lumineux incident afin de capter spécifiquement la lumière diffusée latéralement générée par les matières en suspension et les particules colloïdales présentes dans l’eau.

L'intensité de la lumière diffusée est proportionnelle de façon linéaire à la turbidité de l'eau. La puce, grâce à une compensation thermique et à un filtrage algorithmique, convertit avec précision la turbidité en unités normalisées NTU.

La conception du circuit intègre un système d'isolation afin d'éviter les interférences causées par la lumière ambiante, permettant ainsi une précision de détection ultra-élevée dans la plage de faible turbidité (0 à 50 NTU), avec une résolution allant jusqu'à 0,01 NTU.

L'analyseur de turbidité basse Hach 1720E fonctionne selon la méthode de la lumière diffusée à 90° et intègre un système de désembouage et de dégazage permettant d’éliminer efficacement les interférences dues aux bulles d’air lors des mesures de turbidité dans la plage basse. Cet appareil possède une plage de mesure de 0 à 100 NTU et une précision en turbidité basse de 0,001 NTU, ce qui le rend adapté au suivi des eaux potables répondant aux normes les plus strictes, ainsi qu’aux rejets d’eaux usées conformes aux exigences les plus élevées. Ce produit détient actuellement la plus grande part de marché et bénéficie d’une forte reconnaissance dans le secteur, bien que certains bacs d’échantillonnage sur site soient sujets à l’entartrage et nécessitent une maintenance fréquente — des problèmes signalés par le secteur. Il impose toutefois encore certaines exigences quant à la qualité de l’eau sur site.

Guide comparatif et de sélection

Méthodes de mesure	Principes fondamentaux	Avantages	Inconvénients/Limitations	Scénarios d’application dans les stations d’épuration
méthode de diffusion à 90°	Capture de la lumière latérale diffusée à 90°	Compatible avec les plages de mesure hautes et basses, précision extrêmement élevée pour les mesures de faible turbidité	L’interférence due aux dépôts ou aux bulles doit être prise en compte.	Surveillance standard de la qualité de l’eau à l’entrée et à la sortie
Méthode de transmission	Mesure de l’atténuation de la lumière pénétrant dans l’eau	Adapté aux mesures de turbidité élevée de base	Faible sensibilité dans la plage de faible turbidité, très sensible aux interférences dues à la couleur.	Non adapté à la surveillance fine des eaux usées épurées
Méthode de rétrodiffusion	Capture de la lumière diffusée sous un angle large proche de 180°	Très adapté aux mesures à concentration ultra-élevée	Mauvaise linéarité dans la plage de faible turbidité.	Convient uniquement aux boues à forte concentration et aux eaux entrantes