Dosage : économiser en réactifs, en surveillance et en maintenance

Par , Technoscope

Pour doser des produits chimiques dans l’eau, les effluents ou les liquides industriels, les opérateurs peuvent choisir des pompes reposant sur différentes technologies. Dans le domaine de l’eau, les solutions peu coûteuses à l’achat, qui prédominent souvent lors des premières installations, cèdent progressivement la place à des systèmes plus sophistiqués mais plus économes en réactifs, en surveillance et en maintenance.

Qu’il s’agisse d’ajouter de l’eau de Javel dans de l'eau potable, du chlorure ferrique (floculant) dans un bassin de station d’épuration ou un réactif dans un liquide industriel, le principe reste le même. En fonction d'un objectif prédéterminé (taux de chlore résiduel au robinet, pH neutre dans une piscine, etc.), une pompe volumétrique, asservie, injecte en continu une quantité contrôlée de réactif dans le flux de liquide à traiter.

Mais quel type de pompe choisir dans la vaste gamme disponible ?

« La pompe parfaite n'existe pas : chaque technologie a ses domaines d'utilisation et ses limites », prévient d’emblée Paul Brossard, ingénieur commercial chez Watson Marlow, qui fabrique des pompes péristaltiques. Le choix dépendra donc du process industriel, en particulier de la pression du liquide — que la pompe doit vaincre pour injecter le réactif — et du débit attendu.

La précision requise pourra aussi influencer le type de pompe utilisé, ainsi que son système d’asservissement (voir encadré).

La domination des pompes électromagnétiques

Dans le monde de l'eau, qu'il s'agisse de potabilisation, de distribution ou d’épuration, les pressions rencontrées sont en général relativement faibles (moins de 10 bar).

Les quelques exceptions — aval des groupes de surpression pour une distribution en altitude, par exemple — supposent en général des pressions que les fabricants de pompes considèrent encore comme modérées. Dans la plupart des installations, les débits de réactif nécessaires restent également modestes. Le marché est donc logiquement dominé, tout au moins en première installation, par des pompes électromagnétiques à membrane, simples et peu coûteuses. La membrane, qui aspire et refoule alternativement le réactif dans la tête de la pompe, est entraînée par un électro-aimant.

Le débit dépend de la fréquence des impulsions et la précision de dépend principalement de la constance de la contre-pression au point d’injection, cela est valable pour tous les types de pompes doseuses. C’est le domaine de constructeurs spécialisés comme Iwaki, Grundfos, Etatron, Seko, Jesco, Verder, Becot, DKM, Emec ou Prominent qui proposent des modèles de ce...

type au sein d'une gamme élargie.

Pour le marché de l'eau, ProMinent met en avant ses pompes Gamma/X pourvues d'un contrôle fin du mouvement de la membrane et d'une électronique capable d'intégrer les paramètres de différents capteurs internes (déplacement, énergie, température...). « Cette technologie est devenue standard chez nous, souligne Claude Klein. On peut réguler le dosage si les conditions hydrauliques fluctuent au point d'injection et calculer la pression dans la ligne de dosage, sans capteur extérieur. De manière générale, on peut faire beaucoup de choses en matière de sécurité avec le seul contrôle du déplacement de la membrane. » Ainsi peut-on éviter les problèmes dus à la surpression, à la dépression, à une conduite éclatée ou à du gaz dans la tête de dosage.

Milton Roy a développé de son côté la technologie DSD®, un système robuste reposant sur une membrane rigide (Dynamic Stiffness Diaphragm). Les caractéristiques mécaniques de cette membrane lui permettent de ne pas se plaquer sur l'avant du doseur et génèrent un fort pouvoir d'aspiration, une absence de cavitation hydraulique et de risque de casse de membrane. Ce principe présente les mêmes qualités qu'un doseur à piston (tenue en pression, faibles coûts) tout en alliant l'étanchéité d'un doseur à membrane. La technologie DSD® fait l'objet d'un dépôt de deux brevets internationaux. Initialement lancée en 2012 sur les pompes de sa gamme industrielle Milroyal® D, la technologie DSD® est aujourd'hui adoptée sur les pompes électromagnétiques LMI série C.

Simplifier la maintenance tout en gagnant en précision

Bien qu'encore minoritaires, les pompes péristaltiques gagnent des parts du marché de l'eau. Dans ces appareils, une tête rotative, munie de galets qui pressent un tube flexible contenant le réactif, fait avancer ce dernier de manière continue. Contrairement aux pompes à membrane ou à piston, elles n'ont pas de chambre et ne doivent pas évacuer un volume fixe de réactif à chaque cycle.

Utilisables dans des plages de débit allant de quelques millilitres à 1 000 litres par heure, elles sont omniprésentes au laboratoire, mais aussi dans les piscines (ajustement du pH) et apparaissent dans le traitement de l'eau. C'est le domaine de constructeurs comme le français Albin Pump ou le groupe international Watson Marlow.

« Les pompes péristaltiques apportent, de par leur simplicité de fonctionnement, d'entretien et de compatibilité avec les produits véhiculés, un large spectre d'utilisation en potabilisation ou épuration, souligne Emanuel Rolland chez Albin Pump. Avec une précision et une répétabilité quasi parfaite, les pompes péristal-»

Résoudre les problèmes liés au dégazage

Beaufort-Jasper Water & Sewer Authority (BJWSA), qui fournit l'eau potable et traite les eaux usées des comtés de Jasper et de Beaufort en Caroline du Sud (États-Unis), exploite une station d’épuration dont le débit avoisine les 190 000 litres par jour et tombe à 45 L/min la nuit.

Pour maintenir un taux de chlore résiduel dans l’effluent final de 1,5 ppm, BJWSA a installé deux pompes à membrane mécaniques motorisées ½ HP, équipées d'une sortie auto-dégazante pour doser 12,5 % d'hypochlorite de sodium. Les pompes à membrane mécaniques, équipées d'un entraînement à fréquence variable (VFD) avec réglage de la longueur de course, ont été dimensionnées pour un débit maximal de 100 L/h à 150 psi. La quantité de 12,5 % d'hypochlorite nécessaire pour traiter l’effluent allait de 10 L/h les weekends d’été et lors des épisodes pluvieux à un minimum de 0,4 L/h pendant les mois d’hiver.

Les pompes d'origine fonctionnaient de manière satisfaisante à débits élevés de produit chimique, mais créaient des incidents de dégazage à faibles débits. Pour gérer les arrêts de dosage, le personnel maintenait des taux d’injection plus élevés que nécessaire, puis évacuait manuellement les poches d'air accumulées dans la tête de pompe lors de leur inspection matinale. Le dispositif de dégazage de la pompe ne parvenait pas à éliminer l'air de la tête de pompe. Le personnel était donc contraint de réduire la concentration d’hypochlorite de sodium de 12,5 % à 6 % afin d'augmenter la fiabilité du dosage. Cette dilution manuelle devait être effectuée tous les sept jours environ, entraînant une augmentation des coûts de fonctionnement et des produits chimiques.

BJWSA connaissait déjà la pompe doseuse Grundfos DME et la technologie de dosage numérique. Souhaitant continuer à utiliser l'hypochlorite à 12,5 % et éviter de diluer le produit chimique pour l’adapter aux pompes existantes, il a été décidé de tester une pompe Grundfos SMART Digital DDA. La pompe devait suivre un signal 4-20 mA en provenance d’un débitmètre à canal ouvert installé dans la chambre de contact de chlore : occasion idéale de tester la capacité de la pompe à doser des liquides dégazants à faibles débits.

La pompe DDA a d’abord été amorcée avec 6 % d’hypochlorite diluée. Des bulles d’air sont entrées par le tuyau d'aspiration dans la tête de pompe et ressorties au refoulement, preuve que la pompe fonctionnait normalement. Les fonctions FlowControl, AutoFlowAdapt et de dégazage automatique de la DDA ont permis à la pompe de régler la vitesse pour éliminer les bulles d'air tout en respectant le point de consigne, même avec des fluctuations de pression. Les plages de l'entrée 4-20 mA ont été paramétrées et mises à l’échelle pour respecter les débits minimum et maximum désirés.

BJWSA a constaté que la pompe fonctionnait bien, sans incident de dégazage. Il a alors été décidé d’essayer la DDA avec la solution concentrée à 12,5 %. Après le changement de concentration, la pompe a continué à fonctionner sans problème. Au-delà de l’augmentation de la fiabilité et de la capacité à doser l’hypochlorite de sodium, BJWSA a noté deux avantages supplémentaires grâce au matériel Grundfos : l'utilisation de produits chimiques a chuté d’environ 44 litres/jour avec la concentration de 6 % et jusqu’à 8 litres/jour avec la concentration de 12,5 %, et la consommation d’énergie électrique a diminué, réduisant ainsi l’empreinte écologique de l’installation.

Les pompes péristaltiques apportent une solution à de nombreux problèmes de dosage. Ces pompes sont auto-amorçantes, fonctionnent dans les deux sens de rotation et permettent une marche à sec. Le tuyau est la seule pièce d’usure (pas d'étanchéité ni de garnitures mécaniques) et la seule pièce en contact avec de nombreux produits tels que la Javel, le chlore, le chlorure ferrique, le polymère, la soude, le lait de chaux, etc.

Leur précision est un de leurs atouts, comme le précise Paul Brossard chez Watson-Marlow : « Notre gamme Qdos a créé un électrochoc dans le domaine du dosage lors de son apparition il y a cinq ans ». Extrêmement précises jusqu’à 7 bar, ces pompes peuvent injecter, si besoin, un dixième de millilitre au moment voulu, de manière répétable. Les pompes Qdos se distinguent par une maintenance simplifiée puisque leur tête est constituée d’une cartouche amovible qui se remplace sans outils, aussi rapidement et simplement qu’une cartouche d’encre sur une imprimante de bureau. La sécurité y gagne aussi puisque le circuit de réactif n'est jamais ouvert. De plus, comme toutes les pompes péristaltiques, elles ne sont pas sujettes au désamorçage : les éventuelles bulles, fréquentes avec le chlore, passent tout simplement et n’ont besoin d’aucun accessoire (crépine ou autre) au démarrage. Elles n'ont de plus pas besoin de clapet, source de pannes dans les autres types de pompes. « Les grands du marché de l'eau, Veolia, Suez et Saur, installent des pompes à membrane en première intention, mais au bout de deux ou trois ans, ils changent pour des péristaltiques », constate ainsi Paul Brossard. C’est ainsi que toutes les pompes de chloration de la station d'eau potable de Rennes, jusqu’alors à membrane, sont progressivement remplacées par des Qdos de Watson-Marlow.

Fortes charges : le moteur s’impose

Pour les fortes pressions et/ou les hauts débits, les pompes électromagnétiques à membrane ou péristaltiques atteignent leurs limites. Il faut alors passer aux pompes à moteur électrique, qu’elles soient à membrane ou à piston. « Même dans le domaine de l'eau, de grosses stations d'épuration comme Achères traitent des milliers de m³/h, donc il faut injecter plusieurs milliers de litres de réactif par heure », explique Spyridon Kranias, chef de marché Water Utility chez Grundfos. Ce fabricant propose les classiques pompes à moteur asynchrone DMX et DMH (pour des débits allant jusqu’à 4 000 L/h) pour des procédés n’exigeant pas une précision extrême. Le cheval de bataille de Grundfos pour le dosage est cependant la gamme de pompes Smart Digital (DDA, DDE et DDC) à moteur pas-à-pas. Cette technologie permet le contrôle continu du fonctionnement du moteur.

donc du mouvement de la membrane. La même pompe peut injecter de 2,5 ml/h à 7,5 l/h, avec une précision hors de portée des pompes électromagnétiques. Or, la précision est mère d’économies de réactif. Bardées de capteurs internes et pourvues d'une électronique intégrée, les pompes Smart Digital ajustent leur débit à la pression constatée. Elles peuvent détecter les éventuelles bulles via le capteur de pression, et augmenter leur cadence pour les chasser, ce qui évite les désamorçages – de plus, la membrane se met à vibrer pour mieux « décrocher » les bulles. « Les pompes à électroaimants sont imbattables en termes de coût, et remportent souvent les appels d’offres initiaux. Puis les utilisateurs découvrent les pompes Smart Digital, les testent et les adoptent : le retour sur investissement est rapide quand on prend en compte le problème des désamorçages ou de la consommation de réactif », analyse Spyridon Kranias.

Au-delà de la pompe : vers des systèmes intégrés ?

Si les fabricants se concentrent sur les pompes, et éventuellement les capteurs, c’est aux distributeurs comme Aquacontrol, Air & Eau Systèmes, Techniques des Fluides ou Fluidcontrol, ou aux installateurs comme TMR ou Exeau, qu’il revient de concevoir des solutions complètes – pompe, compteurs, capteurs et système de contrôle/commande, réservoir de réactifs, tubes, etc. – répondant aux besoins du client.

client. « On nous demande classiquement des pompes doseuses mais on devrait parler de systèmes ou de régulation des fluides », souligne ainsi Joël Guilleray, d’Aquacontrol, qui distribue les pompes Injecta (électromagnétiques) et Doseuro (électromécaniques).

Selon Claude Klein, de Prominent, « les acteurs de la potabilisation achètent en général les éléments séparément. En épuration, la demande est plus poussée et ils préfèrent des systèmes complets - débitmètres, capteurs, raccordements, pompes, y compris une pompe de secours - que nous fournissons quasiment sur mesure ».

Spyridon Kranias, chez Grundfos, confirme cette différence entre potabilisation et épuration et précise : « nous pouvons proposer des armoires “standard” qui conviennent en général pour l’épuration. Nous avons aussi une équipe interne qui peut faire du “sur-mesure”, en général pour l’industrie. Grundfos veut fournir des pompes mais aussi des capteurs et de l’intelligence embarquée ».

Les industriels sont quant à eux de plus en plus demandeurs de “skids”, des ensembles complets - réservoir de réactif, pompes, capteurs, contrôle/commande et raccordements - et prêts à fonctionner que l’on peut brancher sur la ligne de production de son choix. C’est là qu’interviennent des spécialistes du “sur-mesure et clés en mains” comme TMR, Prominent, PCM ou Axflow.

Les systèmes PCM Chemskid sont des ensembles de réactifs chimiques conçus pour doser les fluides agressifs (chlorure ferrique, soude, acide chlorhydrique, acide sulfurique) dans les process industriels tels que traitement des eaux, chimie, papeteries, fonderies, etc. En fonction de la configuration demandée par le client, PCM intègre ses ensembles standards ou fournit des skids « sur mesure ». PCM réalise alors la conception, l’étude fonctionnelle, les plans 3D des projets et propose des ensembles complets.

En fonction des débits requis ou des points d’injection, ces ensembles sont montés en armoire, équipés de pompes à membrane simplex (une ou plusieurs) duplex ou triplex à moteur électrique et d’un coffret de commande. Ils intègrent également des accessoires de mesure (débitmètres) et de sécurité (pressostat, manomètre, soupape de décharge, détecteur de fuite, etc.). Parce que ces skids intègrent tous...

proportionnel non électrique : la répétabilité garantit la constance et la fiabilité

Le proportionnel sans électricité est en plein développement. « Ce marché a enregistré une croissance à deux chiffres en 2015 chez Bécot, souligne Franck Girault, directeur commercial. Nous sommes flattés par le succès de ces doseurs et nous augmentons nos stocks d’année en année ». Les doseurs Hydro Systems ont une qualité de mélange très appréciée par les industriels car ils assurent en aval un très linéaire dans la veine liquide. « De plus, nos doseurs sont, dans leur version standard, en polypropylène, ce qui leur confère une bonne tenue aux fluides corrosifs, contrairement aux constructions en polyacétal traditionnelles », souligne Franck Girault. Le doseur peut être associé à une grande variété de joints tels que EPDM, VITON, AFLAS, KALREZ...

L’autre atout est la facilité de maintenance, qui se fait sans outil en premier niveau, ce qui rend le produit particulièrement intéressant. « Tous nos doseurs sont livrés avec un kit complet de montage », indique Franck Girault. Les applications sont nombreuses dans le traitement de l’eau, la désinfection... etc., d’autant que cette technologie permet le pompage de produits liquides ou visqueux.

L’unité compacte favorise la rapidité d’intégration, la simplicité de fonctionnement et supprime les complications dues à des fournisseurs multiples.

Enfin, un appareil nouveau fait son apparition dans le domaine du : le Smartphone ! Si les pompes sont traditionnellement moins communicantes que les analyseurs, par exemple, c’est en train de changer. Des constructeurs comme Grundfos et Prominent proposeront prochainement des pompes paramétrables à distance par Bluetooth, et qui peuvent communiquer via les réseaux classiques.