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Aérateurs de surface : des solutions pour une grande diversité d’applications
Jacques-Olivier BARUCH de GROUPE ROUGE VIF 30 janvier 2019 Paru dans N°418 - à la page 63

Le traitement biologique des eaux usées nécessite une aération efficace pour favoriser l’élimination de l’azote et du carbone. Simples et éprouvés, faciles à maintenir, les aérateurs de surface, dont la durée de vie excède souvent 25 ans, peuvent s’avérer une solution intéressante. Jadis cantonnés aux petites ou moyennes stations d’épuration, ils ont su conquérir les ouvrages les plus importants. Sur le marché, il existe de nombreux aérateurs de surface mais pour des applications parfois très différentes.

De l’air, de l’air, demandent les microorganismes aérobies des bassins d’épuration, des bassins tampons ou de lagunage. Pour transformer la matière organique des boues activées ou simplement des eaux usées, l’oxygène est un point clé. En plus de permettre la survie des microorganismes, elle leur assure la nourriture par les réactions de nitrification et de dénitrification. Pour les lagunes aérées, cette aération artificielle permet de ramener la surface au sol de 2 à 3 m²/EH, c’est à dire entre 5 et 10 fois moins que le lagunage naturel. Le coût du génie civil est relativement faible et l’implantation de lagunes aérées, solution trop souvent négligée, peut s’intégrer facilement dans le milieu naturel.
Les aérateurs par brassage lent Sungo d’Aquago mettent en mouvement la masse d’eau afin d’éliminer les zones mortes, augmenter les taux d’oxygène dissous, contrôler les odeurs liées à l’anoxie, ce qui leur permet d’augmenter les capacités de traitement des lagunages et de lutter contre l’eutrophisation des plans d’eau.

Mais l’introduction d’oxygène dans l’eau ne suffit pas. Il faut, de plus, la brasser afin de répartir l’apport d’oxygène à tout le bassin ou toute la lagune en évitant les dépôts en fond de bassin qui provoqueraient l’asphyxie des microorganismes.

Les aérateurs de surface, installés sur pont, sur passerelle ou sur flotteurs, réalisent ces deux opérations indispensables qui représentent, à elles seules, près de 70 % de la consommation en énergie d’une station d’épuration. Il existe sur le marché une grande diversité d’équipements différenciés par leur puissance, qui s’exprime en kilowatts, et oscille entre 1 et 165 kW. Les fabricants tels que Europelec, KAMPS, Aquaméo, Aquasystems, Isma-Fuchs, TMI, SCM Tecnologie, Biotrade, Xylem ou Oxydro ont développé une grande diversité d’équipements adaptés à différentes applications. L’eau est mise en mouvement par des turbines équipées d’un rotor dont la vitesse de rotation donne, soit directement la vitesse de rotation de la vis, on parle alors de turbine rapide, soit la turbine est équipée d’un motoréducteur, on parle alors de turbine lente. Le rotor crée des gerbes en dehors du plan d’eau, gerbes qui retombent chargées en oxygène de l’air occasionnant des remous et donc un brassage des eaux usées. Le choix entre ces deux grandes familles d’aérateurs dépend de nombreux facteurs, mais aussi du montant de l’investissement initial accordé par la collectivité ou l’opérateur.

Outre son rôle épurateur, L'Hydropulse évite l'apparition des mauvaises odeurs et assure le bon déroulement de la nitrification par restauration de processus aérobies.

« La physique montre simplement que plus le diamètre est important, plus on peut atteindre des hauts rendements, explique Alain Mineur, Manager chez KAMPS. C’est prouvé depuis plus de 40 ans. Bien entendu, quand le diamètre grandit, c’est la vitesse de rotation qui diminue, et pour cela il faut un réducteur. Donc le choix entre les turbines rapides, moyennes vitesses, lentes ou ultra lentes, est un compromis entre les aspects économiques et les aspects de rendement. Actuellement, l’intérêt des grandes turbines revient car le client donne plus d’importance au rendement énergétique. C’est la position de KAMPS qui ne fait que des très grands diamètres pour une capacité d’oxygénation donnée ».

Les hydroéjecteurs Oxypr’Eau de Eaupro créent un fort courant dans les bassins ainsi qu’un fin micro-bullage qui permet un traitement homogène de la totalité du volume d’eau à traiter.

Vitesse lente ou rapide ?

Car les aérateurs de surface à vitesse lente comme les modèles LTF d’Europelec, AER-GD d’Aquasystems, LFL d’Aquaméo, AIRMAX de KAMPS, ASP-G de SCM Tecnologie ou TL de Biotrade nécessitent un investissement un peu plus important que leurs homologues à vitesse rapide.

Ils reposent en effet sur une technologie plus complexe, du fait qu’ils intègrent un motoréducteur qui permet de passer d’environ 1.000 à 1.500 tours/minute à moins de 100 tours/minute.

Les aérateurs WBL, commercialisés par Isma, sont composés d'un moteur triphasé, refroidi par air, relié à un tube en inox, à l'extrémité duquel est soudée une vis à pas hélicoïdal. L'hélice hélicoïdale en rotation génère un phénomène Vortex, d'une dépression dans le tube et une aspiration d'air de l'extérieur. L'air est brassé et transformé en fines bulles projetées vers le fond du bassin. Il n'y a pas de réducteur, 
le tube tourne en prise directe à 1.500 min-1.

Certains équipements tels que l’Oloïde de Inversions Technik commercialisé en France par Ozeau, bien que tournant à seulement 40 ou 80 tours/min, ne comporte pas ce type de réducteur. Ils ne permettent qu’une oxygénation modeste (0,25 kgO2/h pour l’Oloïde 400 avec une puissance de seulement 250 W), mais néanmoins suffisante pour certaines applications telles que l’aquaculture. Pour les bassins des stations d’épuration ou les lagunes, l’Oloïde est néanmoins préconisé par Inversions Tecnik en complément d’autres équipements immergés. « La vocation première de l’Oloïde est de brasser et d’homogénéiser un milieu liquide, explique Jean Grunenberger chez Ozeau. C’est-à-dire favoriser le contact entre des composés de densités différentes (boues, air, pollutions) grâce à un mouvement tri-dimensionnel et pulsatoire qui favorise la mise en suspension de manière générale. L’action de l’Oloïde consiste également à augmenter le temps de séjour de la bulle dans l’eau, avec l’impulsion d’une vitesse horizontale et d’un mouvement rotatif de la bulle. Cela permet d’optimiser l’oxygène apporté par un appareil complémentaire ».

L’EC Eau Turbine, commercialisée par Atlantique Industrie, est équipée de moteurs à haut rendement (IE3 ou IE4) et est disponible dans des diamètres de 900 à 3.000 mm dans une gamme de puissance de 9 à 130 kW. Installée sur ponts fixes ou sur systèmes flottants, il est possible avec une seule turbine, d’obtenir un apport d‘oxygène jusqu‘à 270 kgO2/h.

La station d’épuration de Mexico est ainsi équipée de 12 Oloïdes fonctionnant en complément d’aérateurs à turbine. En lagunage, l’utilisation de l’Oloïde améliore le brassage de l’ensemble du bassin. La masse d’eau est intégralement brassée jusque dans les moindres recoins, il ne reste aucune zone stagnante.

Spécialement conçu pour le traitement des eaux usées, la forme hydrodynamique du rotor en polyester de l'aérateur/turbine de surface Europelec favorise 
un brassage et une oxygénation  des eaux optimale.

Tout est fonction des besoins.

Aquago développe par exemple des brasseurs et aérateurs autonomes en énergie (Sungo) pour les plans d’eau, lagunages naturels ou industriels, réservoirs d’eau potable et réserves de production de neige de culture. Ces aérateurs par brassage lent mettent en mouvement la masse d’eau afin d’éliminer les zones mortes, augmenter les taux d’oxygène dissous, contrôler les odeurs liées à l’anoxie, ce qui leur permet d’augmenter les capacités de traitement des lagunages et de lutter contre l’eutrophisation des plans d’eau. Ces brasseurs autonomes solaires permettent d’éviter les travaux de raccordement au réseau électrique en économisant sur la consommation électrique annuelle qui, pour les aérateurs conventionnels, peut excéder les coûts d’achat du matériel. Sur certaines application, ou en complément des aérateurs conventionnels, ils permettent une meilleure répartition de l’oxygène dissous.

Les ponts brosses d’Aqseptence Group sont préconisés pour des bassins dont la profondeur n’excède pas 3,5 m.

Mais comme toujours, le coût à l’achat n’est pas forcément déterminant. « Les aérateurs à vitesse lente sont plus chers à l’achat mais ils sont plus efficaces en terme d’oxygénation », assure Vincent Midy, directeur général adjoint d’Europelec. En effet, l’efficacité d’oxygénation, calculée en kgO2/kW absorbé, est d’environ 2 pour les aérateurs à vitesse lente (2,5 pour les turbines BSK de Biogest international commercialisées par Atlantique Industrie) contre environ 1 pour ceux à vitesse rapide comme l’Aquafen d’Europélec formé d’une tuyère équipée d’un système anti-vortex et une hélice ou d’une vrille selon les caractéristiques recherchées. Le vortex serait-il l’ennemi de l’efficacité d’aération ? Tout dépend où il apparait. S’il risque de survenir dans l’eau, il faut le contrecarrer. Mais s’il se crée dans l’air, c’est un plus. L'arbre de l’aérateur WBL d’Isma-Fuchs étant en partie immergé, l'hélice à pas hélicoïdale génère ainsi un phénomène de vortex, qui occasionne une dépression dans le tube et une aspiration d'air de l'extérieur. L'air est brassé vigoureusement et transformé en fines bulles projetées vers le fond de la lagune. C’est aussi le mode de fonctionnement de l’Hydropulse de Faivre, un hydro-éjecteur à turbine déprimogène tournant à 3.000 tours/minute dans lequel l’air qui arrive par le tube de guidage est aspiré au centre de l’hélice par un effet Venturi. « L'Hydropulse est adapté aux bassins d'épuration de grandes dimensions, souligne Louis-Fabien Lucas, Ingénieur traitement des eaux chez Faivre. Très performant, il assure à la fois l'oxygénation de l'eau et son brassage. Dans le cas de DBO et DCO à traiter très importantes, l'hydro-éjection pourra être couplée avec le système de surface Flopulse pour renforcer la quantité d'oxygène injectée. Outre son rôle épurateur, l'Hydropulse évitera l'apparition des mauvaises odeurs et assurera le bon déroulement de la nitrification par restauration de processus aérobies ».

Un autre avantage des turbines lentes est l’absence de cisaillement des flocs, ce qui est préférable quand il faudra passer à la phase de décantation des boues.

Privilégier l’étude de terrain

Mais comment choisir entre efficacité, consommation et investissement disponible ? Seules les analyses de situation réalisées par les fabricants eux-mêmes ou les bureaux d’études peuvent déterminer l’outil ou l’ensemble d’outils le plus adapté à la problématique étudiée sur le terrain. « C’est la base, explique Christophe Lichtle, gérant d’Isma. La capacité d’oxygénation théorique n’est qu’une valeur donnée par les fabricants et réalisée en eau claire en conditions contrôlées (selon la norme NF EN 12255-15, ndlr), comme les constructeurs d’automobiles donnent des consommations d’essence en conditions irréelles sur la route. Ce ne sont jamais les valeurs relevées par les exploitants. Ce sont les études qui fourniront le bon diagnostic et les préconisations d’équipements en fonction du type d’effluent (industriels, domestiques…), en fonction de l’emplacement géographique (altimétrie, nord, sud…), en fonction de la taille mais surtout de la forme des bassins…. plusieurs paramètres donc à prendre en compte. Il est trop souvent fait état d’apport d’O2 sans tenir compte du brassage et de l’homogénéisation. Nous parlons d’efficacité dans un bassin complet (en tenant compte des précédents éléments) et non d’un seuil d’O2 à un instant T sur une petite partie d’un bassin ». La réalisation d’une étude globale reposant sur l’ensemble des équipements de la station et pas seulement des aérateurs est indispensable.
Aérateur de surface type ASP de SCM Tecnologie

L’axe de rotation des aérateurs de surface est le plus souvent vertical, mais il peut être aussi horizontal, par exemple dans le cas des ponts-brosses qui balaient l’eau en la projetant en aval avec la fraction immergée de leurs pales. Ceux fabriqués par KAMPS sont constitués d’un axe horizontal en acier ultra-résistant sur lequel est fixée une série de disques faits d’étriers boulonnés ensemble. Mais comme les ponts brosses Passavant d’Aqseptence ou les Landy de Landustrie, ils ne sont préconisés que pour des bassins de faibles profondeurs (3,5 m pour le Landy 700).

« Dans les bassins plus profonds, jusqu’à 8 m, l’opération de mélange est renforcée par des hélices immergées qui autorisent en outre une alternance entre les périodes d’aération et les périodes de brassage strict, explique-t-on chez Aqseptence. La mise en œuvre de déflecteurs immergés judicieusement disposés à l’aval des rotors permettra d’élever sensiblement l’apport d’oxygène et le rendement énergétique global du dispositif ».

  • Halia Mixer Aeration System d'Air Products assure l’aération et le brassage nécessaires aux bassins de boues activées. Aération et brassage sont dissociés,le brassage étant assuré même lorsque l’injection d’oxygène n’est pas nécessaire. 

« De plus, il existe des contraintes d’espace imposées par leur mode de fonctionnement qui nécessite la construction de réservoirs de forme particulière ayant une surface spécifique très importante, explique Claudio Sereni, Gérant de SCM Tecnologie. Ces raisons rendent cette technologie, bien que très performante, peu attrayante pour les nouvelles installations et incitent les exploitants à remplacer les aérateurs brosses existants par des technologies plus récentes lorsqu'ils agrandissent ou restructurent leurs stations d’épuration ». Un exemple a été donné dans le numéro 400 de votre revue avec le remplacement des ponts-brosses par un système à vis hélicoïdal Isma-Fuchs à la station d’épuration de Corbie, gérée par la Communauté de communes du Val de Somme, une station de type boues activées d’une capacité de 15.000 EH.

Certains fabricants ont opté ni pour l’axe vertical, ni pour l’axe horizontal, mais oblique comme l’aérateur à vis hélicoïdale WBL de Isma-Fuchs, le nouveau Hydropulse de Faivre ou l’Oloïde d’Ozeau (Inversions Tecnik). En atteignant l’hélice, l’air est transformé en fines bulles dirigées vers le fond du bassin en évitant la création de gerbes d’eau, et donc la production d’aérosols et de bruit, les deux étant liés. Car le bruit et la projection d’aérosols sont des nuisances qu’il faut s’attacher à éviter. Tant que la station d’épuration est située loin des zones habitées ou industrielles, les exploitants s’en soucient peu, hormis pour la protection de leurs employés. Mais les phénomènes de pressions urbaines s’accentuant, les fabricants ont mis sur le marché des systèmes de capotage d’insonorisation qu’ils proposent bien souvent en option.

Et la maintenance ?