Développement d'un capteur logiciel pour la surveillance et la régulation d'un procédé de déshydratation de boues d'épuration

par Sandro Maquiné De Souza

Thèse de doctorat en Technologies de l'information et des systèmes

Sous la direction de Thierry Denoeux.

Soutenue en 2005

à Compiègne .


  • Résumé

    La directive 91/271/CEE du Conseil des Communautés Européennes établit que toutes les agglomérations urbaines de 2000 à 15000 habitants devront disposer d'un système de collecte des eaux résiduaires, lesquelles devront être soumises à un traitement secondaire ou équivalent (élimination de la matière organique dissoute) avant d'être rejetées, au plus tard le 31 décembre 2005. La conséquence de cette directive est une augmentation continue de la production de boues résiduaires issues du traitement des eaux usées. En France, la production de boues résiduaires est passée de 850 000 tonnes en 2000 à 1 200 000 tonnes en 2002 (en tonnage de matière sèche). En 2005, cette production doit atteindre les 1 300 000 tonnes. Les boues résiduaires contiennent une quantité très importante d'eau (de l'ordre de 95% en masse). Pour réduire les coûts de transport et avant que ces boues ne puissent être acheminées vers une destination finale, une bonne partie de cette eau doit être éliminée. Les équipements normalement utilisés pour cette élimination sont le filtre à plateaux, la centrifugeuse et le filtre à bandes presseuses. Le choix de l'équipement dépend de la siccité (pourcentage de matières sèches) finale recherchée, laquelle à son tour dépend de la destination finale envisagée. Le filtre à bandes, utilisé en Europe depuis une quarantaine d'années, présente comme avantages un fonctionnement en continu avec une basse consommation d'énergie. Une fois en fonctionnement, cette machine doit être surveillée par un opérateur, qui ajuste le taux d'agent de conditionnement en fonction des caractéristiques de la boue alimentée (concentration de matières en suspension, type de boue). Le réglage final se fait par l'observation de l'aspect (la texture) de la boue conditionnée sur la zone d'égouttage. Dans le but de contribuer à l'automatisation de cet équipement en exploitant cette information de nature visuelle, un nouveau capteur est proposé. Il est constitué d'une caméra numérique positionnée sur la zone d'égouttage du filtre à bandes et d'un logiciel qui traite les images acquises et qui calcule à partir de celles-ci un indice corrélé à la siccité de la boue déshydratée. L'indice calculé peut alimenter un système de régulation du filtre à bandes. Plusieurs campagnes d'acquisition de données ont été mises en place pour construire une base contenant des images prélevées sur la zone d'égouttage gravitaire et les valeurs associées de siccité de la boue déshydratée. En ce qui concerne l'échantillonnage de la boue pour les analyses de siccité, un protocole qui prend en compte l'hétérogénéité de la pâte a dû être mis en place pour que la siccité de l'échantillon final représente celle de la pâte.

  • Titre traduit

    Development of a software sensor to monitor and control a sludge dewatering process


  • Résumé

    According to the European Directive 91/271/EEC, all the Member States shall ensure that urban waste water entering collecting systems shah, before discharge, be subject to secondary treatment (biological removal of organic malter) or an equivalent treatment at the latest by 31 December 2005 for all discharges from agglomerations of between 2,000 and 15,000 inhabitants. As a consequence, the production rate of residual sludge from European waste water treatment plants has been increasing since 1991. In France, the residual sludge production has increased from 850,000 tons in 2000 to 1,200,000 tons in 2002 (mass of dry matter). This production is expected to increase to 1,300,000 tons by the end of 2005. Residual sludges have high water content (near 95% of total weight). In order to reduce transportation costs and further treatments costs, the residual sludge is dewatered by a chemical and mechanical process. Mechanical equipments used to dewater sludge include the recessed-plate filter press, the centrifuge decanter, and the belt filter press. The choice of the dewatering equipment depends on the desired dry malter content in the dewatered sludge, which in turn depends on the final destination of the sludge. The belt filter press has been used in Europe for about four decades. It holds the advantages of continuous operation and low energy consumption. This equipment should be assisted by a human operator that adjusts the chemical conditioner feed rate according to sludge characteristics (suspended solids concentration or sludge origin). By the observation of the conditioned sludge texture over the free drainage zone of the belt filter press, the operator can estimate the quality of the conditioning, and make final adjustments. In this work, a new sensor is proposed, as a contribution to the automation of the belt filter press which remains limited. This sensor uses the information provided by an optical device to estimate the quality of the sludge conditioning which is closely related to dry matter content of the dewatered sludge. The sensor is constituted of a digital camera and a computer program which analyses the acquired images and outputs a numeric value that indicates the quality of the sludge conditioning. This output may be used to automatically, rather than manually, control the belt filter press operation. Several experiments were carried out in order to obtain the necessary data to set up the optical sensor. This data includes images from the free drainage zone and the corresponding dry content values obtained by the analysis of dewatered sludge samples. It was necessary to develop a specific methodology to select sludge samples so that the obtained dry content value is representative of all the dewatered sludge mass produced during a small time interval. The textures were characterized by means of two frequency-domain analysis techniques (Gabor filtering and wavelet decomposition), as well as a grey-level distribution analysis technique (co-occurrence matrix computation and associated statistics). These computed attributes were used to calibrate a linear model that translated them into a numeric value that is a measure of the sludge conditioning quality and the dewatered sludge dry content.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XVI-184 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 106 réf.

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  • Bibliothèque : Université de Technologie de Compiègne. Service Commun de la Documentation.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2005 MAQ 1567
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