Abstract - ETH E

Thèse ETH No 11155
Recensement et évaluation du métabolisme
sur
la base des boues
anthropique
d'épuration
présentée à
L' ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE ZURICH
pour l'obtention du titre de
Docteur es
sciences
techniques
par
Georges Marc CHASSOT
ing agr
dipl EPF
né le 25 avril 1962
originaire d'Orsonnens
acceptée
sur
proposition
de Prof Dr P Baccini, rapporteur
de Dr H
de T
Siegnst, corapporteur
Candinas, corapporteur
Zurich 1995
123
RESUME
métaboliques
recenser et
biens
usées et traitement dans
une
de
aqueux
station
l'anthroposphère
d'épuration)
est une par¬
La gestion et l'observation du métabolisme
régionale
motive la recherche d'instruments de détection avancée des modifica¬
anthropique
tions
eaux
de l'économie
intégrante
tie
des
désapprovisionnement
des
(évacuation
a
de
système
Le
dans
système L'hypothèse selon laquelle
ce
d'évaluer le métabolisme
anthropique
il est
possible de
la base des boues
sur
d'épuration
été formulée
A l'aide de la méthode de
1991),
biens
un
modèle
source
sanales et
métabolique
eaux
claires, précipitants)
dégrillage
d'observation d'un
étude de littérature
et de
les
dessablage,
et avec une
an
(Baccini
(concentration
déversées)
eaux
option
industrielles et arti¬
eaux
du
d'épuration)
et
des réflexions
sur
d'épuration)
chimiques P, Cu,
du bassin versant et à des modifications
propriétés
indicatrices
d'épuration
d'épuration, données
dans des bassins versants
sur
la
avec
du contrôle
technologie
Les résultats établis
choisis)
s'appuie
sur
boues, l'analyse
du
réglage
ont été ensuite validées
des boues
théoriques
des modifications
a
du traitement des
exergue les variables de
théoriques
champ à disposition (analyses
de boues des stations
typologiques
et
Pb et Zn
composition des boues d'épuration à réagir
a mis en
une
base sur une
se
tenu de la variabilité inhérente aux concentrations dans les
brutes et des boues,
épu¬
système pour
II
stationnaire
eaux
et flux massique des biens source, coefficients de
indicatrices des éléments
de sensibilité de la
Brunner,
et
(boues d'épuration,
de transfert et de transformation à la station
propriétés
Compte
de ruissellement,
et les biens cible
transfert des substances à la station
(processus
des flux de substances
été élaboré, décrivant le transfert des flux entre les
a
(eaux domestiques,
eaux
rées, déchets de
période
l'analyse
eaux
usées
système Ces
les données
en
officiel, production
enquête
des stations,
permettent
la formulation
de deux thèses qui forment les principes de base de l'observation du métabolisme
anthropique
1
)
Dans
une
avec
les informations contenues dans les boues
d'épuration
optique de détection avancée, la compréhension
l'observation s'avère nécessaire pour mettre
en
évidence et
du
système
interpréter
lors de
une
modi¬
fication métabolique anthropique
La connaissance du fonctionnement de la station
d'épuration
transfert des substances dans les boues à la station
tion entre deux
observations)
sont
dans les boues sont sensibles à
ce
importants
transfert, il
plémentaire
est nécessaire d'admettre une
à celle inhérente
compréhension
de l'état du
aux
en
d'épuration (ou
particulier du
de
sa
modifica¬
Les concentrations de substances
transfert, variable selon la technologie de la
tion, dépendant de paramètres opérationnels
ce
et
ou
liés
au
variabilité,
donc une incertitude sup¬
concentrations de substances dans les boues
système
sta¬
bassin versant En ignorant
dans le bassin versant s'avère
La
indispensable
124
dans le but de
boue est
où la modification
cerner
également
métabolique
apport de matières minérales par les
organiques industrielles, ajout
eaux
de matières
apport
Ca, dégradation de la matière organique Ils peu¬
de
des boues Le
composition
la production de boues
sur
de ruissellement,
vent fausser le recensement de modifications
ment sur la
lieu La composition de la
a eu
sensible à des facteurs qui agissent
métaboliques
procédé
tions dans les boues doit être dorénavant
en
basant unique¬
se
usuel d'observation des concentra¬
complète
observation concertée
avec une
de la station et du bassin versant
Par rapport à d'autres biens des
2)
aqueux, les boues
d'épuration
phénoménologique approprié
Les concentrations de
P, Zn, Cu
la variabilité liée à la
technique
systèmes
du métabolisme
eaux
et
la
a
possible
de mettre
il est
anthropique
dans les processus
industrielles, du P dans les
eaux
nations
Par
spécifiques (Zn
rapport
d'épuration,
aux eaux
dans les
(facteur
de
(Pb
épurées,
dans les boues
l'influence de contami¬
ou
les
des boues
avantages
leur effet mémoire
de calcul des flux d'éléments
suffisamment
de
élevée),
la
(dû
au
stockage
chimiques (à
possibilité
boues), permettent
dans
chimiques
des
condition
d'un contrôle
leur utilisation comme
chimique du système
pour évaluer
(par exemple
dans les processus
cible
source
par rapport
du
système,
(récepteurs aquatiques),
mentales dans le bassin versant
substances
problématiques
liorées par
un
ou
aux
pour estimer
d'épuration
incidence
sur
les proces¬
pour détecter de manière avancée de nouvelles
propriétés
Des
cible, la
sen¬
indicatrices des boues peuvent être amé¬
séries
pour enregistrer et évaluer les modifications
des flux recensés
son
être utilisées
le métabolisme
pour estimer l'efficacité de mesures environne¬
échantillonnage plus fréquent
ment de la station
conséquent
déjections humaines)
Dans le cadre d'un reseau d'observation
sibilité de la composition et les
cision
chimiques
de nombreux éléments
Les informations contenues dans les boues peuvent par
sus
de ruissellement et
à des modifications
(relative) d'échantillonnage, l'analytique
substances),
fréquence d'échantillonnage
tenu de
l'analyse,
dans les eaux de ruissellement, Cu dans
plus fiables pour
station), la fiabilité
eaux
réagir
domestiques)
aux eaux
plausibilité (la production spécifique
sonde
ainsi
et à
domestiques)
eaux
notamment leur facilite
de concentration des
boues à la
d'une
domestiques, des
eaux
usées brutes et
des domaines de mesures
indicateur
évidence des modifications du métabolisme
en
source
des déchets
un
champ, compte
fréquence d'échantillonnage
En utilisant les flux d'éléments
d'épuration,
comme
anthropique
industrielles et artisanales Elles peuvent
dans les bassins versants
les
désapprovisionnement
et Pb dans les données en
sont sensibles à la composition des eaux
des
de
peuvent être considérées
et par la connaissance du fonctionne¬
chronologiques
métaboliques
s'avèrent
nécessaires
et pour renforcer la
pré¬
125
ZUSAMMENFASSUNG
und
Erfassung
Klârschlamm
Das
Entsorgungssystem
gung und
-behandiung
Volkswirtschaft.
wechsels
von
es
der
flùssigen Gùter
in der
Klâranlage)
Steuerung
Die
die
begrùnden
Forschung
erfassen und
den
zu
nach
diesem
der
ist ein
und die
Stoffwechselânderungen in
môglich ist,
anthropogenen Stoffwechsels
des
Beurteilung
von
auf der Basis
Anthroposphâre (Abwasserentsor-
wichtiger
Bestandteil der
des
Beobachtung
regionalen
anthropogenen
Stoff¬
geeigneten Frûherkennungsinstrumenten
System.
anthropogenen Stoffwechsel
Die
Arbeitshypothese lautet,
auf der Basis
von
dass
Klârschlamm
zu
beurteilen.
Anhand der Methodik der
Stoffflussanalyse (Baccini
und
Brunner, 1991) wurde ein
Stoffhaushaltsmodell erarbeitet. Das stationâre Modell beschreibt den Transfer der
Stofffluxe zwischen den
Input- (hâusliches Abwasser, Regenwasser,
und
gewerbliches Abwasser, Fremdwasser, Fâllungsmittel)
des
Systems (Klârschlamm, gereinigtes Abwasser,
lastungswasser).
Die
Beobachtungsperiode betrâgt
einer Literaturstudie
(Transfer
und
Umwandlung
schaften der Stoffe P,
Die
Cu,
Rechen- und
Klâranlage)
der Stoffe in der
Klâranlage)
Abwasserreinigungs-
wurde durch eine
wurden dann mit
miteinbezogen.
eigenen
Klâranlagentechnologie, Umfrage
Felddaten
)
in
Formulierung
anthropogene Anderungen
erfassen und beurteilen
punkt
der
Anderungen
zu
der
Inputgûter
Schlammbehandlungtypen
zu
Darin wurde auch die
Dièse theoretischen
Zeigerei-
der offiziel-
Klâranlagen, Angaben
ùber die
ausgewâhlten Einzugsgebeiten) geprùft. Die
zweier
Thesen, die das Prinzip der Beobach¬
von
Klârschlamm bilden:
des Stoffhaushaltes im Sinne der
kônnen, ist
das Verstândnis des
Frûherkennung
Systems
zum
Zeit-
Beobachtung, nôtig.
Die Kenntnis des Betriebes der
Klâranlage
ten der Stoffe in den Klârschlamm
achtungen)
Transfer-
Zeigereigen-
(Klârschlammanalysen
tung des anthropogenen Stoffwechsels auf der Basis
Um
auf
und
len Klârschlamm-Kontrolle, Produktion der einzelnen
1
Ent-
Clberlegungen
und nutzt die
Sensitivitâtsanalyse abgeklârt.
Variabilitât der Stoffkonzentrationen
Resultate erlauben die
Inputgûter,
sowie auf theoretischen
Tauglichkeit der Klârschiammzusammensetzung,
genschaften
Outputgùtem
Sandfanggut,
Pb und Zn.
und auf Modifikationen der
reagieren,
industrielles
ein Jahr. Das Modell basiert auf
und Massenfluxe der
(Konzentrationen
koeffizienten der Stoffe in der
und den
sind
wichtig.
Anderungen
zwischen zwei Beob-
Die Konzentrationen im Klârschlamm
auf diesen Transfer. Dieser ist
Betriebsparametern
(oder
und insbesondere der Transferkoeffizien-
seiner
und von
von
der
Technologie
Einflussfaktoren des
der
reagieren
sensibel
Klâranlage abhângig,
Einzugsgebietes.
Wùrde
von
man
126
diese Transferkoeffizienten
Konzentrationen ohnehin schon beinhalten
gebiet
unerlasslich,
ist
tion einwirken
Diese Faktoren sind
Regenwasser,
sowie von
gabe
Ca,
Beobachtung
mineralischer Substanz mit
Abwasser, die Zu-
Sie konnen die
Interprétation
auf die Stoffkonzentration ab-
nur
der Klarschlammkonzentrationen
Beobachtung
Klaranlage und
der
des
muss
Emzugsgebie-
vervollstandigt werden
tes
2)
sich
wenn man
mit der koordinierten
deswegen
von
mit industnellem
Substanz
organischen
Die bis heute ubliche
stutzt
Emzugs-
im
erkennen will Die
Veranderungen
Einbringen
das
organischer Substanz
des Stoffwechsels verfalschen,
Systems
Faktoren beemflusst, die auf die Schlammproduk-
von
der Abbau der
welche die
derjenigen,
Die Kenntnis des
die Ursache der
wenn man
Stoffkonzentration wird auch
von
musste mit einer grosseren Vanabilitat
vernachlassigen,
mit einer hoheren Unsicherheit als
d h
gerechnet werden,
Im
Vergleich
Systems „Abwasserentsorgung
mit anderen Gutern des
kann Klarschlamm als geeigneter
handlung"
anthropogenen Stoffwechsels
phanomanologischer
und -be-
Indikator des
betrachet werden
Die P, Zn, Cu und Pb-Konzentrationen
unterschiedhchem Grad und je nach
Klarschlamm,
im
-frequenz
Vanabilitat der Probenahmetechnik, bzw
Eigenschaften
Berucksichtigung
der
Analytik, reagieren
mit
unter
und der
der Stoffe sensitiv auf Anderun-
gen des hauslichen Abwassers, des Regenwassers und des industnellen Abwas-
Sie konnen
sers
frachten
zessen
Abwasser)
chen
Im
es
oder die Abwesenheit
Abwasser)
zu
von
Anhand der Stoff-
Einzugsgebiet aufzeigen
im
industnellen
Herkunftspro-
den
in
Abwasser, P
im
B
spezifischen Belastungen (z
hauslichen
Zn
im
hausli¬
erkennen
mit Rohabwasser und
Vergleich
im
moglich, Stofffluxanderungen
Regenwasser, Cu
Pb im
B
(z
Veranderungen
so
Klarschlamm ist
im
geremigtem Abwasser bemhaltet Klarschlamm
als chemischer Indikator folgende Vorteile relativ emfache und sichere Probenahme
moglich,
Effekt
der
die
Analytik
(wegen
der
arbeitet
Lagerung
verlasslichen Bereich fur viele Stoffe, der Memorym
der
Klaranlage),
die
Zuverlassigkeit
Stofffrachtenberechnungen (bei genugend hoher Probenahmefrequenz),
Moglichkeit
der Plausibilitatskontrolle
Die Informationen, die
im
gen),
ihren Einfluss auf die
Umweltmassnahmen
fruhzeitig
zu
zu
beurteilen
im
Einzugsgebiet
eines
Zeigereigenschaften
Probenahmefrequenz
(Vergleich
gebraucht
mit den menschhchen
wer¬
Abgan-
Zielprozesse (Vorfluter) abzuschatzen, die Auswirkung
erkennen Im Rahmen
Sensitivitat und die
die
(spezifische Klarschlammproduktion)
Klarschlamm enthalten sind, konnen dazu
den, die Herkunftsprozesse
von
im
des Schlammes
abzuschatzen
des Klarschlammes und mit
und mit der Kenntnis des Betnebes der
werden Zeitreihen sind notig
um
Treffsicherheit der erfassten Fluxe
die
zu
neue
Problemstoffen
gezielten Beobachtungsnetzes
Stoffwechselanderungen
verbessern
Klaranlage
zu
konnen die
einer
erhohten
verbessert
erkennen und die
127
ABSTRACT
Assessment of the
anthropogenic metabolism based
Urban sewage transportation and treatment
Systems
on
sludge
sewage
are an
intégral part
of the
gional economy The management and the observation of the anthropogenic
tabolism call for research of
lism As
hypothesis,
a
metabolism with the
Based
model
a
the
on
educts
help
of sewage
It
was
early détection
and
overflow)
of the
based on
a
System for
literature
dunng
a
the sewage
penod
and transformation of substances
into account the
nage basin,
were
changes
sludge,
treatment
key
factors
plant,
own
For
an
early détection
for their
m
the metabo¬
anthropogenic
Brunner, 1991),
interprétation
infiltration water and
effluent, gnt and screenings,
one
year under stationary condi¬
flux of the
mass
system
educts,
and theoretical considérations
plant) The
phosphorus, copper,
of the élément concentrations
the
technology
investigations
following
of the observation of the
)
m
as a
in
lead and
sewage
mo¬
zinc
sludge
function of educts of the drai¬
sludge
treatment ope-
Thèse theoretical mdicator properties
existing field data (analysis of the officiai Swiss control
data on the
lead to the
study
sewer
of the sewage treatment scheme and the
then validated with
sewage
and
the sewage treatment
sensitivity analysis of the sludge composition
ration showed the
1
in
of the éléments
vanability
of
treatment)
the mdicator
properties
treated
(concentration and
review
del
Taking
changes
analysis (Baccini
mdustnal waste water,
(transfer
the
of
to assess the
sludge
products (sewage sludge,
transfer coefficients
uses
possible
is
worked out that descnbes the transfer of élément fluxes between
(domestic sewage, run-off,
précipitants)
for
of the matenal flux
methodology
was
storm-water
tions
stategies
it was assumed that it
ré¬
me¬
in
and the
selected
sludge production
drainage basins)
The results of this
two conclusions which can be laid down as the
anthropogenic
metabolism with the
changes occurring
of
the
understanding
in
the
help
of
of each sewage
pnnciples
of sewage
sludge
anthropogenic metabolism and
of the system at the time of the observa¬
tion is necessary
It
is
important
to know how the sewage treatment
the transfer coefficients of the différent éléments
observations)
Elément concentrations
They
according
can
vary
the drainage basin
vanability
to the treatment
Ignoring
and thus add to the
of sewage
are
thèse
plant opérâtes
are
especially how
two
sensitive to thèse transfer coefficients
technology,
transfer
to
operational parameters
coefficients would
uncertainty already inhérent
sludge Knowledge
and
(or their change between
of the state of the system
mean
or
to
additional
of élément concentrations
in
the
drainage
area is
of
128
order to
identify
changes Elément composition
the ongm of
great importance
m
sewage sludge
also sensitive to factors which lead to
is
and therefore influence the concentration
the sewage sludge treatment
on
Thèse factors
rial, digestion) They
dépend
drainage
the
on
can
(addition
the
falsify
of calcium,
hydrolysation
of organic mate-
interprétation of the metabohsm if
it is
only based
élément concentrations The usual survey methods of élément concentrations
on
sludge
sewage
treatment
must therefore
and the
plant
2) Compared
indicator of the
goods
sludge
into account the
age
sludge
changes
it is
Pb
possible
(e g
asses
the effects of
m
tages which make
for
a
the
the
are
due to
samphng technique and frequency and
of the
concentrations of the
drainage
to assess metabolic
spécifie
changes
occurnng
industnal wastewater, P
in
contaminations
(e
g Zn
in
in
memory-effect (due
concentration then
to its
number must be
or
to
sewage)
Some of thèse advan-
the reliable chemical
m raw
sewage and treated
stocking), the reliabihty of
high enough)
sewage)
effluent, sewage sludge has many advan-
it suitable as an environmental indicator
(higher
are
in sew¬
the processes of
m
domestic
domestic
run-
sludge
élément fiuxes
Using
area
the
sludge (field
concentrations m the
relatively simply samphng procédures,
lot of éléments
(sample
appropriate phenomenological
metabohsm
with wastewater and treated
Compared
as an
Therefore, élément
type
run-off, Cu
ongin
tages
the
in
in
detailed survey of the sewage
System of urban sewage transportation and
Zn, Cu and Pb
P
a
différent extent to the composition of domestic sewage,
a
off and industnal wastewater
sensitive to
the
be considered
vanability
analysis,
sensitive to
are
with
basin
m
can
anthropogenic
uncertainties of the
data)
complemented
drainage
to other
treatment sewage
Takmg
in
higher sludge production
of minerais with run-off, import of industnal organic substance) and/or
(import
area
a
and the
analysis
effluent),
élément fiuxes calculations
possibihty
of
a
control of the
plausi-
bihty (spécifie sludge production)
Therefore,
m
the information
the processes of ongm
mate its influence on
impact
of
of
new
the
can
légal
be
asses
(compared
can
be used to assess the metabohsm
to human excréta référence
the processes of destination
pollutants
in
regulate
the
aquatic Systems
with
an
mereased
of the sewage treatment
If used
to detect
m an
séries
and
to
to esti-
predict the
early the entry
observation network,
properties
samphng frequency
plant Time
values),
(receiving waters),
pollutants,
of élément concentrations and indicator
improved
functionmg
sludge
sewage
directives and acts to
hazardous
sensitivity
in
of sewage
knowledge
analysis
metabolic changes and to improve the accuracy of the fiuxes
are
sludge
about the
necessary to