Calculateur de MLVSS pour le traitement des eaux usées

Les matières solides en suspension volatiles de la liqueur mixte (MLVSS) constituent la fraction organique et biodégradable des matières solides en suspension dans un bassin d’aération à boues activées. Elles servent de mesure indirecte de la quantité de microorganismes actifs qui traitent les eaux usées. Ce calculateur détermine les MLVSS à partir de données de laboratoire, selon la méthode du pourcentage de VSS ou celle des matières solides en suspension fixes (FSS).

Que sont les MLVSS ?

Les stations d’épuration qui utilisent le procédé des boues activées s’appuient sur des microorganismes pour dégrader les polluants organiques. Le mélange d’eau, de microorganismes et de matières solides dans le bassin d’aération est appelé liqueur mixte. Une partie des matières solides en suspension de ce mélange est constituée de matière organique, principalement de microorganismes vivants et morts. Cette fraction organique correspond aux matières solides en suspension volatiles ; lorsqu’elle est mesurée dans la liqueur mixte, elle est appelée MLVSS.

Le reste des matières solides en suspension est constitué de matières inorganiques telles que les graviers, le sable et les minéraux. Cette fraction inorganique est appelée matières solides en suspension fixes (FSS), ou MLFSS lorsqu’elle est mesurée dans la liqueur mixte, car elle ne se consume pas sous l’effet de la chaleur. Ensemble, les MLVSS et les MLFSS constituent les matières solides en suspension de la liqueur mixte (MLSS), c’est-à-dire la concentration totale de matières solides en suspension dans le bassin.

$\text{MLSS} = \text{MLVSS} + \text{MLFSS}$

Les exploitants suivent les MLVSS, car elles donnent une approximation de la taille de la population biologique qui assure le traitement. Un niveau stable de MLVSS indique généralement un traitement stable et prévisible. Une baisse soudaine peut signaler un influent toxique, une extraction excessive de boues ou une pluie ayant entraîné la biomasse hors du bassin.

Comment calculer les MLVSS

Il existe deux méthodes courantes pour calculer les MLVSS ; elles devraient toutes deux donner le même résultat si les mesures de laboratoire sont exactes.

Méthode du pourcentage de VSS

Certains laboratoires indiquent les VSS sous forme de pourcentage des TSS (matières solides totales en suspension). Dans ce cas :

$\text{MLVSS} = \text{TSS} \times \frac{\text{VSS\%}}{100}$

• MLVSS = matières solides en suspension volatiles de la liqueur mixte (mg/L)
• TSS = matières solides totales en suspension (mg/L)
• VSS% = proportion de matières solides en suspension qui est volatile, généralement de 65–85% dans un système classique à boues activées

Méthode FSS

D’autres laboratoires indiquent directement la fraction fixe (inorganique). Dans ce cas, les MLVSS sont obtenues par soustraction :

$\text{MLVSS} = \text{TSS} - \text{FSS}$

Comme les VSS et les FSS s’additionnent toujours pour donner les TSS, cette formule donne le même résultat que la méthode du pourcentage lorsque les mesures sous-jacentes concordent. Si les deux méthodes donnent des résultats sensiblement différents pour le même échantillon, il convient de vérifier les données de laboratoire ou la manipulation de l’échantillon.

Exemple détaillé

Exemple 1 : méthode du pourcentage de VSS. Un exploitant mesure des TSS de 3 500 mg/L dans le bassin d’aération, avec un pourcentage de VSS de 75 %.

$\text{MLVSS} = 3{,}500 \times \frac{75}{100} = 2{,}625 \text{ mg/L}$

Exemple 2 : méthode FSS. Le même bassin est également mesuré directement : les TSS sont de 3 500 mg/L et les FSS de 875 mg/L.

$\text{MLVSS} = 3{,}500 - 875 = 2{,}625 \text{ mg/L}$

Les deux méthodes concordent, comme prévu, puisque 875 mg/L de FSS représentent exactement 25 % de 3 500 mg/L de TSS.

Comment utiliser ce calculateur

1. Saisissez la valeur des matières solides totales en suspension (TSS) en mg/L.
2. Choisissez une méthode de calcul : « Avec le pourcentage de VSS » ou « Avec les matières solides en suspension fixes (FSS) ».
3. Saisissez la deuxième valeur : soit le pourcentage de VSS (0-100%), soit la valeur des FSS en mg/L.
4. Lisez le résultat des MLVSS en mg/L, affiché avec la formule et les nombres utilisés.

Le calculateur vérifie que les TSS sont supérieures ou égales à zéro, que le pourcentage de VSS est compris entre 0 et 100 et que les FSS ne dépassent pas les TSS, puisque les FSS en constituent une partie. Si une vérification échoue, un message indique la correction à effectuer.

Le rapport MLVSS/MLSS

Dans une station classique à boues activées, le rapport MLVSS/MLSS se situe généralement entre 0,65 et 0,85, ce qui signifie que 65–85% des matières solides en suspension sont organiques. Un rapport inférieur à cette plage peut indiquer une accumulation de matières solides inertes ou l’entrée d’une quantité supplémentaire de matières inorganiques provenant d’une source industrielle. Un rapport proche de la limite supérieure signifie généralement que la biomasse est principalement organique et active.

Pourquoi les MLVSS sont importantes pour le contrôle du procédé

Les MLVSS interviennent dans plusieurs calculs utilisés quotidiennement par les exploitants :

• Rapport nourriture/microorganismes (F/M) : compare la charge organique entrante à la quantité de biomasse disponible pour la traiter.
• Temps de rétention des matières solides (SRT), également appelé âge des boues : durée pendant laquelle la biomasse reste dans le système, ce qui influe sur la stabilité du traitement et la capacité à éliminer l’ammoniac (nitrification).
• Production de boues : une quantité de biomasse plus importante signifie généralement davantage de boues à extraire et à éliminer.
• Demande en oxygène : la biomasse a besoin d’oxygène pour fonctionner ; la consommation d’énergie d’aération suit donc approximativement les MLVSS.

Les méthodes normalisées de laboratoire pour les MLVSS sont décrites dans Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (méthode 2540E) et dans la méthode EPA 160,4.

Comment calculer le rapport F/M

$\text{Rapport F/M} = \frac{\text{Charge de DBO de l’influent (kg/jour)}}{\text{Masse de MLVSS dans le bassin (kg)}}$

Exemple. Une station présente les valeurs suivantes :

• Débit de l’influent = 10 000 m³/jour
• DBO de l’influent = 250 mg/L
• Volume du bassin d’aération = 2 000 m³
• MLVSS = 2 500 mg/L

Comme 1 mg/L dans un débit mesuré en m³/jour équivaut à 1 gramme de matière par jour, la charge en kg/jour est obtenue en multipliant puis en divisant par 1 000 :

• Charge de DBO de l’influent = 10 000 m³/jour × 250 mg/L ÷ 1 000 = 2 500 kg/jour
• Masse de MLVSS = 2 000 m³ × 2 500 mg/L ÷ 1 000 = 5 000 kg
• Rapport F/M = 2 500 kg/jour ÷ 5 000 kg = 0,5 par jour

Une station classique à boues activées fonctionne généralement avec un rapport F/M compris entre 0,2 et 0,6 par jour. Un rapport trop élevé peut provoquer le foisonnement filamenteux, dans lequel des bactéries en forme de fil rendent les boues difficiles à décanter. Un rapport trop faible gaspille de l’énergie pour aérer une biomasse qui dispose de peu de nourriture à consommer.

Plages de fonctionnement typiques

Les tableaux de conception publiés indiquent la concentration totale de matières solides (MLSS), plutôt que la fraction volatile. Les MLVSS correspondent à la fraction volatile de ces valeurs, soit environ 65–85% de chaque plage.

Les bioréacteurs à membranes peuvent fonctionner avec des concentrations de matières solides beaucoup plus élevées, car ils séparent les matières solides au moyen de membranes au lieu de s’appuyer sur la décantation gravitaire dans un clarificateur.

Comment mesurer les MLVSS en laboratoire

La procédure normalisée comporte deux étapes de chauffage :

1. Étape TSS. Un volume connu de liqueur mixte est filtré à travers un filtre en fibre de verre préalablement pesé, séché à 103–105°C pendant au moins une heure, refroidi, puis pesé. Le gain de masse correspond aux TSS (ou aux MLSS lorsque l’échantillon est de la liqueur mixte).
2. Étape d’incinération. Le même filtre est chauffé dans un four à 550 °C pendant 15–20 minutes. La matière organique se consume, laissant des cendres inorganiques. Le filtre est à nouveau refroidi et pesé.
3. Résultat. La perte de masse pendant l’incinération correspond à la fraction volatile et organique, c’est-à-dire aux MLVSS.

La température du four est importante. Les méthodes normalisées fixent l’étape d’incinération à 550 °C avec une tolérance de 50 °C. À une température plus élevée, des carbonates inorganiques tels que le carbonate de magnésium commencent à se décomposer, ce qui augmente la perte de masse mesurée et donne une valeur de matières volatiles faussement élevée. À une température plus basse, la matière organique peut ne pas se consumer complètement.

Alternatives aux MLVSS

Les MLVSS sont largement utilisées parce que la méthode est simple et fiable, mais d’autres méthodes mesurent la biomasse de manière plus spécifique :

• L’ATP (adénosine triphosphate) mesure une molécule présente uniquement dans les cellules vivantes ; elle quantifie donc la biomasse active sans la matière morte. Elle nécessite un analyseur dédié.
• La respirométrie mesure la vitesse à laquelle la biomasse consomme de l’oxygène, ce qui indique directement l’activité biologique. Elle est utile pour déterminer si l’influent est toxique pour la biomasse.
• La quantification de l’ADN et la FISH (hybridation fluorescente in situ) identifient et dénombrent des microorganismes spécifiques. Ce sont principalement des outils de recherche, utiles pour déterminer la cause du foisonnement filamenteux.

Ces méthodes fournissent davantage de détails, mais coûtent plus cher et demandent plus de temps ; c’est pourquoi les MLVSS restent la référence pour le contrôle courant du procédé.

Foire aux questions

Quelle est la différence entre les MLSS et les MLVSS ? Les MLSS correspondent à l’ensemble des matières solides en suspension dans le bassin d’aération, y compris les matières organiques et inorganiques. Les MLVSS désignent uniquement la partie organique. Les MLSS sont égales aux MLVSS plus les MLFSS (matières solides en suspension fixes de la liqueur mixte).

Quel est le rapport MLVSS/MLSS typique ? Dans une station classique à boues activées, il est généralement compris entre 0,65 et 0,85 (65-85%). Un rapport inférieur indique une proportion plus importante de matières inorganiques dans le mélange.

Comment les MLVSS influent-elles sur le rapport F/M ? Les MLVSS sont le dénominateur du rapport F/M. À charge organique identique, une quantité plus élevée de MLVSS donne un rapport F/M plus faible. Une quantité plus faible de MLVSS donne un rapport F/M plus élevé, ce qui peut favoriser les bactéries filamenteuses qui décantent mal si le rapport devient trop élevé.

Qu’est-ce qui provoque une baisse soudaine des MLVSS ? Les causes courantes comprennent une extraction excessive de boues, la présence de substances toxiques dans l’influent qui tuent la biomasse, de fortes pluies qui entraînent la biomasse hors du bassin et une faible disponibilité de nourriture pendant les périodes de faible charge, comme les vacances.

Les MLVSS peuvent-elles être trop élevées ? Oui. Des MLVSS élevées augmentent la demande en oxygène et donc le coût énergétique de l’aération, peuvent surcharger le clarificateur secondaire en matières solides et limiter la diffusion de l’oxygène jusqu’au centre des flocs denses.

Combien de temps après le prélèvement faut-il mesurer les MLVSS ? Les méthodes normalisées indiquent de commencer dès que possible, car les matières solides ne peuvent pas être conservées. Les échantillons doivent être réfrigérés à 4 °C, conservés de préférence pendant au plus 24 heures, et jamais plus de 7 jours.

Références

1. Water Environment Federation. Operation of Water Resource Recovery Facilities, 7e édition. McGraw-Hill Education, 2018.
2. Metcalf & Eddy. Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery, 5e édition. McGraw-Hill Education, 2014.
3. American Public Health Association, American Water Works Association et Water Environment Federation. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 23e édition, 2017.
4. U.S. Environmental Protection Agency. Wastewater Technology Fact Sheet: Activated Sludge Process. EPA 832-F-00-016.