us´ees de Bleesbr¨uck
Sommaire
4.1 Introduction . . . 105
4.2 Description de la station . . . 106
4.2.1 Descriptif du fonctionnement . . . 106
4.2.2 Capteurs disponibles . . . 107
4.3 Phase de pr´e-traitement . . . 109
4.3.1 Etude ph´enom´enologique . . . 110
4.3.1.1 Mod´elisation ASM1 . . . 110
4.3.1.2 R´eduction du mod`ele ASM1 . . . 114
4.3.2 D´etermination des d´ecalages temporels et transformations non
lin´eaires utiles . . . 118
4.3.2.1 Description des donn´ees . . . 118
4.3.2.2 La construction des mod`eles . . . 121
4.3.2.3 Synth`ese . . . 127
4.4 Application de la m´ethode MMRPCA `a la partie hydraulique128
4.4.1 Construction de la matrice de donn´ees . . . 128
4.4.2 Construction du mod`ele . . . 129
4.4.2.1 D´etermination du nombre de composantes principales 129
4.4.2.2 Analyse des directions de reconstruction utiles dans
l’espace global . . . 130
4.4.3 D´etection et localisation de d´efauts de mesures . . . 131
4.4.3.1 D´etection des d´efauts . . . 132
4.4.3.2 Localisation des d´efauts . . . 132
4.1 Introduction
Les normes europ´eennes sur les rejets des stations de traitement des eaux us´ees deviennent
de plus en plus strictes. La maˆıtrise des impacts sur le milieu naturel et des coˆuts de
fonc-tionnement ne passe pas uniquement par une am´elioration du contrˆole de ce type
d’ins-tallation pour en optimiser le fonctionnement. En effet, pour fonctionner correctement, ce
syst`eme de contrˆole a besoin de connaˆıtre, en permanence, l’´etat du processus (syst`eme
et instrumentation associ´ee). Toute d´efaillance conduit `a la g´en´eration de commandes qui
ne correspondent pas `a l’´etat r´eel du proc´ed´e, d’o`u une diminution des performances, de
la fiabilit´e et parfois mˆeme, une mise en cause de la s´ecurit´e et de la qualit´e de
l’envi-ronnement. Le diagnostic de fonctionnement constitue donc un ´el´ement essentiel de toute
proc´edure d’automatisation d’un syst`eme.
Le but de ce travail est de valider l’ensemble des informations d´elivr´ees par les capteurs
utiles `a la commande d’une station de traitement des eaux us´ees. La station ´etudi´ee est
une station `a boues activ´ees situ´ee au Luxembourg. Cette station poss`ede aussi une partie
de retraitement des boues en exc`es issues des biologies, qui ne sera pas pr´esent´ee dans
ce travail car dans le cadre de notre ´etude, nous nous int´eressons seulement `a la partie
traitement des eaux us´ees.
Pour appliquer l’ACP pour des syst`emes dynamiques, il faut ajouter les mˆemes variables
d´ecal´ees dans le temps, dans la matrice de donn´ees. De plus, pour ´etendre cette m´ethode
`a des mod`eles non lin´eaires, il faut rajouter des variables transform´ees qui permettent
de prendre en compte les non lin´earit´es du processus. Dans le cas de syst`eme de grande
dimension, il n’est pas r´ealisable de tester l’ensemble des d´ecalages temporels ainsi que
l’ensemble des transformations non-lin´eaires `a prendre en compte pour le syst`eme. C’est
la raison pour laquelle une premi`ere ´etape de mod´elisation `a l’aide de mod`ele lin´eaire est
effectu´ee.
Dans une premi`ere partie, la station d’´epuration est d´ecrite ainsi que l’ensemble des
me-sures disponibles. La seconde partie est consacr´ee `a une phase de pr´e-traitement des
donn´ees n´ecessaire pour ensuite appliquer l’ACP. Cette phase de pr´e-traitement permet
la d´etermination des diff´erents d´ecalages temporels et des transformations non-lin´eaires
utiles pour la construction ult´erieure de la matrice de donn´ees. Afin de r´eduire la taille
de la matrice de donn´ees `a consid´erer, les donn´ees de la station sont partag´ees en deux
parties, celle correspondant `a la partie hydraulique qui prend en compte les diff´erentes
me-sures de d´ebit et de hauteur et celle relative `a la partie biologique qui contient l’ensemble
des mesures relatives aux biologies. Dans une troisi`eme partie la m´ethode MMRPCA est
appliqu´ee, afin de construire un mod`ele robuste aux valeurs aberrantes, sur les donn´ees
issues de la partie hydraulique. Puis l’approche de localisation de d´efauts bas´ee sur le
principe de reconstruction avec la distance de Mahalanobis, est utilis´ee avec succ`es pour
d´eterminer les variables en d´efauts.
4.2 Description de la station
Le lexique associ´e aux traitements des eaux us´ees est explicit´e dans l’annexe B. Apr`es
avoir d´ecrit le fonctionnement de la station d’´epuration de Bleesbr¨uck, la position des
diff´erents capteurs `a valider est alors explicit´ee.
4.2.1 Descriptif du fonctionnement
Construite au d´ebut des ann´ees 1960, la station d’´epuration de Bleesbr¨uck traite les eaux
us´ees, par le proc´ed´e des boues activ´ees. Elle a ´et´e agrandie et adapt´ee plusieurs fois pour
satisfaire `a un nombre croissant de communes connect´ees. Aujourd’hui, la station a une
capacit´e maximale de traitement de 100 000 ´Equivalent Habitants et elle traite des eaux
us´ees d’origines urbaines et industrielles. Elle est situ´ee `a proximit´e de la Sˆure, rivi`ere qui
recueille les eaux ´epur´ees. La station est g´er´ee par le S.I.D.E.N. (Syndicat Intercommunal
de D´epollution des Eaux r´esiduaires du Nord). Cet organisme de traitement des eaux
us´ees regroupe 30 municipalit´es, ce qui repr´esente environ 13% des effluents d’eaux us´ees
du Luxembourg.
La figure 4.1 d´ecrit la station d’´epuration. Son fonctionnement peut-ˆetre d´ecompos´e en
trois phases :
Le pr´etraitement. Il comprend les stades de d´egrillage, de dessablage et de d´egraissage.
Entre le d´egrillage et le dessablage, les eaux us´ees sont relev´ees de 12 m`etres afin qu’elles
s’´ecoulent de mani`ere gravitaire dans le reste de la station. Le d´egrillage sert `a ´eliminer les
mati`eres volumineuses en suspension dans l’eau de plus de 15mm, qui pourraient nuire aux
traitements en aval. Le dessablage a pour objectif d’´eliminer les sables, cailloux et autres
´el´ements lourds et non organiques, qui pourraient obstruer ou provoquer une abrasion des
conduites et des pompes. Le d´egraissage-d´eshuilage sert `a d´ebarrasser l’eau des graisses
et huiles, qui peuvent nuire aux traitements de d´epollution. Moins denses que l’eau, ils
s’accumulent `a la surface des bassins et sont ensuite racl´es et ´evacu´es. L’op´eration de
dessablage/d´egraissage dure environ 15 minutes.
Le traitement primaire. Apr`es le pr´etraitement, l’eau arrive dans un bassin d’a´eration
rectangulaire d’une capacit´e d’environ 1100m
3, appel´e premi`ere biologie. Le but de cette
biologie est d’´eliminer principalement les pollutions organiques et le phosphate. Dans ce
bassin a lieu l’´epuration biologique, technique qui maˆıtrise et acc´el`ere les processus de
pu-rification naturelle par la formation de boues activ´ees constitu´ees de bact´eries aliment´ees
en oxyg`ene et nourries de la pollution contenue dans l’eau. Le phosphore est ´elimin´e de
mani`ere chimique par l’adjonction de floculant/coagulant par des pompes doseuses. L’eau
trait´ee issue de la premi`ere biologie est s´epar´ee en deux et alimente par leur centre deux
clarificateurs peu profonds, o`u elle est s´epar´ee des boues par d´ecantation. Ces derni`eres,
plus lourdes que l’eau, s’y d´ecantent et sont racl´ees au fond du bassin dans un silo, o`u
elles peuvent ˆetre recircul´ees soit en tˆete de station pour y ´epurer de nouvelles eaux us´ees,
soit pour ˆetre ´elimin´ees. L’eau ´epur´ee, d´ebarrass´ee des boues, se d´everse en p´eriph´erie des
Surv
erse
Rejet eaux en exc`es
Second traitement Premier traitement Pr´etraitement Biologie 2 E a u us ´ee L a S ˆure Traitement des boues en exc`es Boues en exc`es
Recirculation des boues D´ecanteur 2
Bio2.2 Bio2.1
D´ecanteur 1
Recirculation des boues Biologie 1 Dessablage D´egraissage Degri ll age P omp e de rel ev age
Fig. 4.1 – Structure de la station d’´epuration
bassins par d´ebordement. Le temps de traitement des eaux dans la premi`ere biologie est
d’environ 2,5 heures et dans les d´ecanteurs d’environ 1,5 heures.
Le traitement secondaire. La seconde biologie est constitu´ee de deux bassins (Bio 2.1
et Bio 2.2) d’une capacit´e d’environ 560m
3chacun. C’est ici que se produit la deuxi`eme
´etape d’affinage du traitement biologique de l’eau en ´eliminant l’azote ammoniacal par
nitrification. Cette op´eration dure environ 1,5 heures. Une surverse, situ´ee juste avant ces
bassins, limite le d´ebit d’entr´ee de la seconde biologie `a environ 8000 m3/jour. Le
sur-plus est directement d´evers´e dans la Sˆure. Les effluents de la seconde biologie alimentent
deux d´ecanteurs secondaires coniques d’une profondeur maximale de 10,5 m. Les eaux y
s´ejournent pour d´ecantation pendant 1,5 heures, pour ˆetre finalement d´evers´ees dans la
Sˆure.
4.2.2 Capteurs disponibles
La figure 4.2 d´ecrit la station de Bleesbr¨uck et pr´ecise la position des diff´erents capteurs
et actionneurs disponibles. Les grandeurs affect´ees d’un num´ero gris´e repr´esentent les
diff´erentes commandes de la station avec la localisation des actionneurs, les autres num´eros
repr´esentent la position des capteurs `a valider.
Les eaux us´ees brutes passent dans un premier puisard (Puisard1) poss´edant une vanne
(V2) pour adapter le d´ebit d’entr´ee `a la capacit´e hydraulique de la station. Les eaux en
exc`es sont d´evers´ees directement dans la Sˆure. Les eaux us´ees passent ensuite `a travers
un d´egrilleur pour supprimer les grosses particules pr´esentes dans le liquide. On mesure la
hauteur d’eau avant et apr`es le d´egrilleur (H3 etH5), et on connaˆıt en plus la commande
des rˆateaux (C4) permettant de nettoyer les grilles. L’eau arrive ensuite dans un puisard
(Puisard2) qui permet de stocker l’eau, on mesure la hauteur de l’eau dans ce puisard
(H6). Puis une station de relevage rel`eve les eaux us´ees pour permettre un ´ecoulement
gravitaire dans le reste de la station. Les commandes des diff´erentes pompes de la station
de relevage sont connues (C7
1`a C7
6). A la sortie de la station de relevage, il y a une
mesure du d´ebit (Q8) ainsi que des mesures de conductivit´e (σ8), d’absorption UV (A8),
ap
itre
4.
Ap
p
lication
`a
la
station
d
’´ep
u
ration
d
es
eau
x
u
s´ees
d
e
Bleesb
r¨u
ck
21
21
15
16
20
18
17
14
15
13
12
11
10
8
2
1
8
6
4
5
3
1
2
7
6
5
3
4
9
9
16
19
19
20
18
17
16
12
11
13
10
9
7
P P
Dans le document
Diagnostic de fonctionnement par analyse en composantes principales : application à une station de traitement des eaux usées
(Page 123-128)