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Mesure optique de la concentration d’oxygène dans l’eau L’optimisation du trans

Mesure optique de la concentration d’oxygène dans l’eau L’optimisation du transfert d’oxygène est un élément essentiel des stratégies de contrôle et de régulation dans les installations de traitement des eaux usées municipales et industrielles. En 2003, HACH LANGE est le premier fabricant d’instruments à lancer la méthode de mesure LDO (Luminescent Dissolved Oxygen) permettant de déterminer l’oxygène dissous dans l’eau. La technologie LDO se base sur l'utilisation d'une lumière bleue qui offre de nombreux avantages, tels qu’une haute précision, une longue durée de vie et des frais d’entretien réduits au minimum. Depuis son introduction, les avantages de cette méthode lui ont permis de prendre le pas sur les méthodes électrochimiques conventionnelles. Ce rapport décrit les connaissances techniques et l’expérience pratique de milliers d’utilisateurs dans le monde. Auteur : Dr. Michael Häck Spécialiste des applications en eaux usées, mesures en continu HACH LANGE, Düsseldorf RAPPORT D'APPLICATION MESURE EN CONTINU LDO Principe de fonctionnement du capteur LDO nophore et mesure la concentration en oxygène en réalisant une mesure du temps purement physique. Comme cet- te mesure du temps est exempte de dérive, l’utilisateur ne doit pas étalonner le capteur. Cela permet donc de remé- dier aux principaux inconvénients des cellules de mesure électrochimiques. La plus importante caractéristique de la méthode de mesure optique est l’obten- tion de valeurs de mesure stables et précises sur une très longue durée. Par ailleurs, l’entretien nécessaire est, lui aussi, considérablement réduit. Méthode de mesure optique La méthode optique de mesure de l’oxy- gène dissous élimine les inconvénients liés aux méthodes de mesure électrochi- miques traditionnelles. Le principe LDO repose sur le phénomène physique de luminescence. Il s’agit de la propriété qu’ont certains matériaux à émettre de la lumière lorsqu’ils sont excités par un stimulus autre que la chaleur. Dans le cas du principe LDO, la lumière joue le rôle de stimulus. En associant un lumi- nophore approprié à une longueur d’on- de adéquate de lumière d’excitation, l’intensité de la luminescence et le LDO_TECHNOLOGIE Analyse de l’oxygène dans les installations de traitement des eaux usées Le contrôle et la régulation de la dégra- dation carbonique, de la nitrification et de la dénitrification dépendent essentiel- lement de la détermination de la concentration en oxygène dans le bas- sin d’aération. Pour les opérateurs d’ins- tallations de traitement des eaux usées, la question n’est donc pas de savoir si la concentration en oxygène dans les boues actives doit être mesurée en continu, mais simplement quelle est la meilleure méthode. Les méthodes électrochimiques de mesure de l’oxygène ont pour caracté- ristiques une passivation de l’anode et une consommation d’électrolyte conti- nues. Ces deux phénomènes entraînent inévitablement une dérive des valeurs de mesure, produisant ainsi des erreurs de mesure négatives systématiques. Ces effets ne peuvent être que limités par des étalonnages et des remplacements d’électrolyte réguliers. Un tout nouveau type de capteur d’oxygène a été développé et lancé en 2003 : le capteur LDO HACH LANGE. Il se base sur la luminescence d’un lumi- 2 Fig. 1 : Capteur LDO avec bouchon de capteur Luminophore Capsule de capteur Corps du capteur L’oxygène est un paramètre de contrôle important pour les installa- tions de traitement des eaux usées. Les capteurs électrochimiques doi- vent être régulièrement étalonnés, entretenus et nettoyés pour éviter tout risque de dérive. La méthode de mesure optique LDO supprime les inconvénients des cap- teurs électrochimiques. Le capteur LDO robuste exige peu d’entretien et fiable. www.hach-lange.com temps qu’elle met à s’estomper dépen- dent de la concentration en oxygène autour du matériau. Le capteur LDO HACH LANGE est constitué de deux composants (Fig. 1) : la capsule du capteur avec le revête- ment du luminophore sur un matériau conducteur transparent et le corps de la sonde équipé d’une DEL bleue qui émet la lumière déclenchant la luminescence, d’une DEL rouge jouant le rôle d’élé- ment de référence, d’une photodiode et d’une unité électronique. La capsule du capteur est vissée sur le corps de la sonde et immergée dans l’eau. Les molécules d’oxygène de l’échantillon sont donc en contact direct avec le luminophore. Pour réaliser une mesure, la DEL d’excitation transmet une impulsion de lumière bleue. La lumière bleue riche en énergie permet de réaliser des mesures de haute précision. L’impulsion de lumière (50 ms) traverse le matériau transparent situé sur le luminophore, auquel il transfère une partie de son énergie. Certains électrons situés dans le luminophore passent alors de leur niveau d’énergie de base à un niveau supérieur. En quelques microsecondes, 3 Fig. 3 : DEL bleue et rouge dans le capteur Fig. 2 : Principe de fonctionnement du capteur LDO HACH LANGE ils reviennent ensuite à leur niveau d’ori- gine en passant par une série de niveaux intermédiaires, émettant ainsi l’énergie perdue sous la forme de lumiè- re rouge (Fig. 2). Lorsque les molécules d’oxygène sont en contact avec le luminophore, deux effets se produisent : Premièrement, les molécules d’oxy- gène peuvent absorber l’énergie des électrons de niveau supérieur et leur permettre de revenir à leur niveau d’énergie de base sans émettre de lumière. Plus la concentration en oxygè- ne est élevée, plus la réduction de l’in- tensité de la lumière rouge émise est importante. Les molécules d’oxygène provo- quent aussi des « chocs » dans le lumi- nophore, de sorte que les électrons retombent plus rapidement du niveau d’énergie supérieur. La durée de vie de la lumière rouge émise est donc rac- courcie. Ces deux phénomènes portent le nom d’extinction. La Figure 4 représente leurs effets : l’impulsion de lumière transmise par la DEL bleue au moment t=0 frappe le luminophore, qui réagit immédiatement en émettant de la lumiè- DEL de référence DEL de mesure Photodiode La lumière bleue à forte énergie produit des signaux de mesure haute résolution. La lumière bleue offre donc une précision élevée qui ne peut pas être obtenue avec une lumière à faible éner- gie (par exemple, de la lumière verte). Fig. 4 : Intensité de la lumière d’excitation bleue et de la lumière rouge émise dans le temps Impulsion de lumière incidente Lumière émise Sans O2 Avec O2 Intensité t1 t2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Temps Fig. 6 : La surface de la sonde est facile à net- toyer. LDO_AVANTAGES Avantages du capteur LDO re rouge. L’intensité maximale (Imax) et la durée d’émisson de la lumière rouge dépendent de la concentration en oxy- gène aux alentours (la durée d’émisson t désigne ici le temps qui s’écoule après l’excitation avant que l’intensité de la lumière rouge revienne à moins de 2/5ème de l’intensité maximale). Pour déterminer la concentration en oxygène, la durée de vie t de la lumière rouge est mesurée. La mesure de l’oxy- gène se base donc sur une mesure purement physique du temps. Le choix d’une impulsion de lumière d’excitation bleue entraîne l’émission d’une luminescence rouge intensive facile à mesurer, garantissant ainsi une plage de mesure étendue et une limite de détection basse. Le capteur est auto-contrôlé en per- manence à l’aide de la DEL de référence rouge située dans la sonde. Avant cha- que mesure, elle transmet un faisceau de lumière dont les caractéristiques de rayonnement sont connues, qui se reflè- te au niveau du luminophore et traverse l’intégralité du système optique de la même manière que la lumière de lumi- nescence. Avantages de la technologie LDO Les méthodes électrochimiques existan- tes de mesure de l’oxygène dissous exi- gent un entretien régulier de la part de l’utilisateur. Le nettoyage, l’étalonnage, le remplacement de la membrane et de l’électrolyte, le polissage de l’anode et le suivi de ces activités sont considérés comme des tâches nécessaires et inévi- tables, car c’est le seul moyen de se maintenir dans les limites malgré la ten- dance des capteurs à fournir des déri- ves négatives. Etant donné l’absence de toute méthode alternative et l’importan- ce du paramètre de l’oxygène dans les installations de traitement des eaux usées biologiques, les utilisateurs se sont largement résignés à accepter ce travail supplémentaire. La nouvelle méthode de mesure optique constitue une alternative. En comparaison avec les méthodes électro- chimiques, les méthodes optiques offrent aux utilisateurs des avantages considérables en termes de qualité des valeurs de mesure et de quantité d’en- tretien nécessaire (Fig. 5). Aucun étalonnage La méthode LDO optique mesure la concentration en oxygène sur la base d’une mesure du temps exempte de dérive. Toute usure ou blanchissement par la lumière du luminophore situé sur la capsule du capteur influence l’intensi- té, et non la durée de la lumière rouge émise, qui dépend uniquement de la concentration en oxygène de l’échan- tillon. Tous les composants optiques sont réglés avant chaque mesure en référence à une impulsion de lumière provenant de la DEL rouge, qui emprun- te exactement la même trajectoire que la luminescence émise. Tout risque d’éta- lonnage incorrect par l’utilisateur est ain- si écarté. Aucun remplacement de mem- brane ou d’électrolyte Avec la méthode LDO, l’électrolyte, les électrodes et la membrane sont rempla- cés par un revêtement sensible à l’oxy- gène sur la capsule du capteur. Il suffit à l’utilisateur de remplacer la capsule tous les deux uploads/Sante/ doc043-77-00485-dec06-web 1 .pdf