Le pompage des eaux usées et chargées pose invariablement la question du bouchage de la pompe. Une réalité vécue au quotidien par les exploitants de réseaux, de stations de relevage et les entreprises d'hydrocurage. Les constructeurs de pompes tentent de créer des hydrauliques plus adaptées à la nature actuelle des effluents. En parallèle, la consommation électrique du pompage est regardée de près. Nouveaux moteurs et vitesse variable abaissent, dans bien des cas, la consommation spécifique de pompage. Reste qu'il faut sérier et hiérarchiser les questions, voire le pompage de façon globale. La manière de pomper devra évoluer. En s'adaptant toujours aux réalités locales.
C'est un signe : le Grand Lyon vient d’éditer une notice à l’attention de ses 330 000 abonnés les invitant à faire les “bons gestes” en matière d’assainissement. Ne pas jeter tout et n’importe quoi dans les lavabos, éviers ou toilettes. Les réseaux ne sont pas des poubelles. Ils sont dédiés à l’évacuation des eaux usées, chargées des salissures et d’excréments, rien de plus !
Sur le terrain la réalité est bien différente. Plus on avance au sein des réseaux, plus le
nombre et la nature d’objets indésirables (lingettes, couches pour bébé, papiers, emballages, boîtes de boisson, etc.) augmentent.
La situation s'est aggravée ces dernières années du fait du louable souci d’économiser l'eau tant du côté des consommateurs qui font réellement attention à leurs usages (moins de robinets qui coulent, de tirages de chasse d’eau) que du côté des fournisseurs d’équipements ménagers avec, par exemple, la multiplication de programmes économiques sur les lave-linge et lave-vaisselle.
Autre tendance lourde, les réseaux séparatifs se développent. Résultat, selon Stéphane Dumonceaux de Side Industrie, « les eaux sont de plus en plus chargées. On peut estimer qu’en 15 ans la réduction de volume des eaux usées en réseau séparatif est de 20 à 25 %. La base de calcul classique de 150 l/j/habitant n’est plus réaliste, elle serait plutôt de l'ordre de 80 l/j/habitant. Faible dilution, accroissement des matières solides comme les lingettes, les systèmes classiques de pompage avec stockage transitoire en bâche ne sont plus adaptés ».
Des coûts directs et indirects en forte augmentation
Conséquence de ces conditions de fonctionnement de plus en plus difficiles des stations de relevage des eaux usées, l'augmentation des coûts directs et de maintenance par la dégradation des performances de pompage et les interventions de débouchage des pompes et de curage des postes. Une intervention coûte entre 300 et 500 €. « Or, la grande majorité des pompes dans les postes de relèvement se situe dans la fourchette comprise entre 2 et 3 kW », indique Xavier Vella, responsable produits chez Caprari France. D’autres constructeurs évoquent des puissances voisines de 5,5 kW, mais les ordres de grandeur sont là. En comptant un débouchage en moyenne par an (beaucoup plus sur certains postes) et plusieurs centaines de milliers de postes, la facture est énorme.
Les choses ne vont pas s’améliorer avec la réduction des personnels de maintenance. « Les utilisateurs nous disent que les budgets de maintenance baissent ainsi que les temps alloués au contrôle des stations de pompage et au débouchage. Les interventions sont de moins en moins tolérées », constate Jean-François Serrault de Xylem. Autre contrainte soulignée par Stéphane Quertain chez KSB : « depuis quelques années, les économies d’énergie dans le pompage des eaux usées apparaissent dans les cahiers des charges. Ceci va pousser la vitesse variable et les automatismes. Heureusement, les progrès de l’électronique, de l’informatique et des communications ont baissé les prix de ces solutions intelligentes et communicantes ».
Des économies grâce à la vitesse variable
Le progrès des moteurs électriques (développement des moteurs aimants permanents) proposés par ABB, Leroy Somer ou Weg, des variateurs de vitesse plus conviviaux et dont les prix baissent proposés par Danfoss, Vacon ou Schneider Electric amènent à reconsidérer les installations de pompage dans un souci de moindre consommation d’énergie. Leroy Somer met l'accent sur ses moteurs synchrones Dyneo à haute efficacité énergétique, notamment le LSRPM pour des applications sur des pompes centrifuges. Le constructeur indique un rendement supérieur à celui d'une solution asynchrone IE2 à puissance équivalente. Pas seulement au point nominal de vitesse (1500 ou 3000 t/min) où l’écart est de 2 à 4 points en moyenne mais surtout quand la vitesse change : à mi-vitesse l’écart de rendement peut atteindre 12 à 15 points. Ce rendement plus élevé se traduit, à puissance égale, par une réduction d'encombrement du moteur, des économies sur l’accouplement (simple bride), des économies de masse totale substantielles.
Privilégier l’hydraulique de la roue
La situation tend à s’améliorer grâce aux avancées proposées par les constructeurs sur l’hydraulique des pompes et leur rendement, sur la motorisation (moteurs optimisés) sur les postes eux-mêmes en termes de fonctionnement (séquençage du fonctionnement, choix des débits nominaux des pompes, variation de vitesse). Mais la doctrine même du poste de relevage avec pompage séquentiel est remise en cause avec le pompage en ligne qui fait son chemin lentement et modifie petit à petit les mentalités.
Ce qui facilite l’installation. Dans cette gamme, les puissances disponibles vont de 0,75 à 400 kW, les couples de 1 à 1400 N.m et les vitesses de rotation de 1 à 1500 min-1.
Un cas d’application récent de ces possibilités est la rénovation de la station d’épuration et de traitement des eaux de Horsens Vand au Danemark. Trois groupes motopompes ont été remplacés : les pompes Hidrostal de Weir, choisies pour leur capacité à recevoir des liquides chargés sans s'engorger, sont maintenant mues par des moteurs synchrones Dyneo de 75 kW (750 t/min) commandés par des variateurs de vitesse Powerdrive. Les calculs préalables tablaient sur une augmentation de rendement de 85,8 % (ancien moteur 8 pôles) à 93,6 % avec un potentiel d’économie de 34 MWh par an et par moteur. En fonctionnement réel l'exploitant constate une économie moyenne de 20,5 % en kWh consommés par tranche de 1 000 m³, nettement plus qu’escompté au début. Des économies qui devraient encore s’accroître avec l’expérience.
Mais comme toujours, il faut éviter d’être dogmatique ! Chaque solution technique a son domaine de fonctionnement et son économie propre, à évaluer bien sûr dans sa totalité : coût d’achat et d’usage.
Bouchage, blocage, on pense immédiatement à un objet ou des filasses de la taille de la section de passage. D'où l’éternel débat entre roue à canal et roue vortex. « Le diamètre de passage n’est pas un critère en soi. Certains pensent que plus le diamètre est important, plus le risque de bouchage est faible. Ça n’est pas aussi simple et ça se vérifie avec le problème des filasses. En fait, l’important est de faire en sorte que celles-ci ne restent pas accrochées sur la roue » explique Philippe Loison, Responsable technique de Xylem. Cette société, leader sur le pompage de relevage d’eaux usées, met en avant sa gamme Flygt Experior™, une technologie qui marie l'hydraulique à haut rendement des roues N et N.
Adaptative, l'unité de contrôle SmartRun pour le pilotage du moteur et des pompes, et le moteur Premium de classe IE3 (en option). Tous les constructeurs de pompes pointent la relativité de ce dernier point sur des moteurs de faible puissance. Passer en IE3 fait gagner quelques points sur le rendement électrique du moteur, mais c'est une petite partie du problème du pompage : le rendement de l'hydraulique de la roue est beaucoup plus décisif, tout comme le fait d'être au bon point de fonctionnement de la pompe. Il y a beaucoup de communication sur l'IE3 mais le paramètre pertinent est la consommation spécifique en kWh/m³ pompé remarquent de façon unanime les techniciens du domaine.
Hydraulique : des solutions optimisées
Xylem a poussé au maximum ses produits pour apporter une solution la plus cohérente possible en matière de capacité de pompage, de rendement global du système et de réactivité.
Face aux aléas de fonctionnement, comme l'indique Jean-François Serrault : « L'analyse du fonctionnement de la pompe avec le système SmartRun permet de suivre la consommation d'énergie et de l'optimiser grâce à la variation de fréquence. Le régime de pompage et la consommation sont analysés et optimisés à chaque cycle. Cela permet de réaliser des opérations de décolmatage par inversion du sens de rotation de la pompe. Tous les postes de pompage sont exposés à des encrassements à cause des flottants qui peuvent s'accumuler, de graisses etc. : une séquence spécifique est déclenchée tous les 12 cycles de marnage pour réaliser un nettoyage de bâche. L'élimination des sédiments et des flottants réduit les problèmes d'odeur et cela permet de réduire la fréquence des hydrocurages de station. Globalement le système économise jusqu'à 50 % en moyenne de l'énergie et allège la maintenance. » Le SmartRun et le moteur IE3 sont chacun éligibles aux certificats d'économie d'énergie.
Les autres constructeurs ne sont pas en reste dans la course à l'optimisation des hydrauliques. Grundfos a ainsi développé la roue S-tube « qui dispose d'une section de passage plus importante et d'un angle optimisé de la roue qui facilite le passage des matières et supprime ainsi les angles vifs pouvant retenir des fibres » comme l'explique Damien Jacquier. Cette roue, dont l'équilibrage a été réalisé en fonctionnement et lancée lors du dernier salon Pollutec, équipe les pompes SE et SL pour des puissances de 1 à 30 kW, un diamètre de passage jusqu'à 160 mm et des débits jusqu'à 1000 m³/h et 70 mCE. Le moteur est de classe IE3. Ces roues bénéficient d'un rattrapage du jeu hydraulique pour conserver le rendement et ce malgré l'usure. Le rendement hydraulique annoncé atteint 84 %. Quatre interstices sécateurs sur la roue, ainsi qu'une interstice située à l'intérieur de la volute sectionnent les fibres qui peuvent s'intercaler entre roue et volute.
Caprari adopte des solutions éprouvées.
« Vu les puissances concernées de quelques kilowatts et les faibles hauteurs de refoulement (HMT) rencontrées la plupart du temps, il n'y a finalement pas de grosses différences entre une roue vortex et une roue monocanal. Autant retenir la roue vortex qui ne se bouche pas », explique Xavier Vella. Mais la société a apporté des améliorations bien utiles pour éviter les problèmes : un système antifilasse grâce à de petites encoches dans la roue qui coupe les fibres et évite leur remontée vers les garnitures mécaniques ; un système de chicane sur la roue qui perturbe le flux et chasse les boues décantées toujours pour protéger les garnitures ; un système identique sur les bagues d’usure. Tout ceci fait que le bloc hydraulique est autonettoyant et anticolmatage. Autre astuce, un arbre court qui limite les vibrations, donc les sollicitations des roulements. Caprari met aussi en avant le fait que la plupart des pièces sont standards, ce qui facilite les entretiens.
Sulzer a développé la roue Contrablock Plus pour ses pompes XFP couvrant une gamme de 1,3 à 400 kW. Ce sont des roues semi-ouvertes disposant d'une plaque de fond, réglable de l’extérieur sans démontage de l'hydraulique, pour maintenir le rendement sur la durée de vie de la pompe. Par conception, le bord d’attaque de l’aube est autonettoyant et 80 % des filasses passent dans la roue, le reste par la plaque de fond rainurée. Le rendement hydraulique sur une pompe multicanal Contrablock Plus est de 86 % et les moteurs intègrent le rendement Premium IE3. Les hydrauliques Contrablock Plus sont le résultat d’analyses CFD et de plus de 5 000 heures de tests sur banc d’essais.
Un système de dégrillage original
Située en Franche-Comté, la Communauté de communes du Mont d'Or et des Deux Lacs souhaitait renouveler son parc de pompes de relevage vieillissant situé le long du lac de Saint-Point, en partie classé en zone de réserve naturelle. Troisième plus grand lac naturel de France par sa superficie, le lac de Saint-Point permet d'alimenter en eaux les 10 communes avoisinantes.
Dans les années 80, la communauté s'était dotée d'un système de pompage en fosse sèche comprenant 8 postes de refoulement. Mais cette solution de pompage présentait des problèmes de maintenance et de gestion importants, liés notamment au débit réduit des pompes installées et à la présence d'un panier dégrilleur nécessitant un nettoyage hebdomadaire.
Afin de réduire tout risque de débordement des effluents dans ce lieu sensible, la communauté de communes a opté, à l'issue d'un appel d'offres lancé en 2012, pour les stations Emuport de la gamme Wilo-Emu Technology pour assurer le transfert des eaux usées des 7000 habitants des 10 communes ; au total, 8 stations de relevage Emuport seront installées d'ici 2015.
Préalablement installées sur la commune de Labergement-Sainte-Marie, ces stations avaient fait leurs preuves et le retour d'expérience positif de cette commune n'a pas été pour rien dans le choix de la Communauté de Communes du Mont d'Or et des Deux Lacs.
« Nous ne souhaitions prendre aucun risque de débordement des effluents dans le lac. Nous avons donc choisi un système de pompage, qui entre autres avantages, offre des débits plus importants. Par ailleurs, cette solution est moins énergivore et nous permettra, à terme, de réduire nos coûts d'exploitation », explique Jean-Marie Tissot, vice-président de la Communauté de Communes du Mont d'Or et des Deux Lacs.
Les stations de relevage Emuport sont dotées d'un système de dégrillage original qui sépare les matières solides capturées dans un réservoir de rétention grâce aux clapets dégrilleurs intégrés et évite ainsi le risque d'encombrement des pompes. La restitution des matières solides au réseau aval permet alors de s'affranchir des contraintes d'exploitation liées à la vidange périodique du dégrilleur, générant ainsi des économies de main-d'œuvre et de coût.
Ces nouvelles stations généreront un débit plus important, passant de 120 m³/heure à 200 m³/heure. Les effluents circulant plus rapidement, les risques de débordement en milieux naturels seront réduits.
Les coûts d'exploitation baisseront également en comparaison de l'ancienne installation, l'entretien étant minimisé. La première station a été installée en mars 2013 et trois autres suivront d'ici la fin de l'année. L'ensemble de l'installation sera achevée d'ici 2015.
Réexaminer le fonctionnement des postes de pompage
Concernant les objets d'une certaine taille risquant de passer dans la pompe, KSB a imaginé une solution élégante : retenir ces objets en amont de la pompe et pomper derrière un liquide très peu chargé, ce qui peut se faire avec une pompe bicanal de très bon rendement et en profiter pour chasser les objets retenus au refoulement y compris sur des hauteurs importantes. C'est la station de relevage AmaDS3, toujours en pompage séquentiel mais sur des eaux dégrillées. L'installation se fait en fosse sèche ce qui facilite l'entretien.
Plusieurs constructeurs sont aussi concepteurs et fabricants de postes de pompage prêts à la pose. Stéphane Quertain de KSB défend ce concept qui apporte des avantages certains comme une installation rapide avec un minimum de dérangement. La société vient d’ailleurs de livrer cinq postes sur les bords de Seine. L'avantage de ces postes préfabriqués est l'exécution et le réglage en atelier et l'insensibilité à la corrosion (utilisation de polyéthylène ou de polyester armé de fibre de verre). Une solution pour des zones sensibles ou très isolées. Wilo, en plus de sa gamme de stations conventionnelles Drainlift WS, propose depuis plus de 10 ans des stations novatrices éprouvées EMUPort (Drainlift FTS). Elles permettent, grâce à leur système de dégrillage intégré, de s'affranchir du bou-
Fiabiliser le fonctionnement d’un poste de relevage d’eaux usées
Le poste de relevage est un point essentiel dans l'acheminement des eaux usées vers la station de traitement, lorsque l'écoulement ne peut se faire gravitairement du fait de la configuration géographique. C'est le cas de l'agglomération de Poitiers qui dispose de 120 postes de relevage qui permettent de relever les eaux usées pour être traitées à la station d'épuration de La Folie.
Une défaillance provoquerait au mieux des désagréments, au pire une pollution. Il est donc indispensable de maintenir en état et si possible d'améliorer la fiabilité et la performance des postes existants.
Dans ce contexte, le poste de relevage des eaux usées de St Eloi de la communauté de communes du Grand Poitiers a été rénové il y a quelques années. Des modifications au niveau de l'automatisme ont été entreprises. Les technologies actuelles offrent des solutions plus fiables et permettent aussi de réduire les dépenses énergétiques et de maintenance.
Mesure de niveau dans la bâche
Les conditions ambiantes et les obstacles présents dans le poste impliquaient l'utilisation d'un capteur hydrostatique jusqu'il y a trois ans. Cependant, le fait d’être en contact avec l'effluent engendrait des opérations de nettoyage régulières du capteur et des risques de détérioration lors du nettoyage du poste au jet haute pression.
La recherche d'une solution « sans entretien » a conduit le Grand Poitiers à tester un VEGAPULS WL 61, une mesure sans contact de type radar à impulsions. En effet, comparé à l'ultrason, qui est influencé par les conditions ambiantes et sensible à la condensation, la mesure de niveau par radar s'affranchit des modifications structurelles du gaz porteur et permet une mesure efficace en toutes conditions.
Le VEGAPULS WL 61 est parfaitement étanche en version IP68, ce qui contribue à la fiabilité de la mesure malgré la forte condensation présente dans le poste. D'autre part, le traitement de signal de l'appareil permet aussi de s’affranchir de l'influence des obstacles mécaniques présents dans le champ de mesure de la sonde. La solution est en service depuis trois ans ; aucune opération d'entretien ou de maintenance n'a été réalisée. Le poste de relevage est parfaitement sécurisé en toute autonomie.
Automate de télégestion
Variation de vitesse pour la commande des pompes : synonyme d’économie d’énergie et d’allongement de la durée de vie des pompes
Compte tenu du volume journalier pompé dans le poste St Eloi (> 100 m³), il devenait intéressant d'optimiser la dépense énergétique. Ainsi, après analyse, le Grand Poitiers a décidé d'asservir le débit des pompes par variation de vitesse. Les variateurs associés aux pompes régulent le débit de sortie des effluents et maintiennent ainsi un niveau constant dans le poste de relevage.
La contrainte majeure réside dans le fait qu’un niveau fixe dans le poste peut créer un phénomène de dépôt à cet endroit. Aussi, pour pallier le phénomène « anneau de graisse », le point de consigne de régulation varie en fonction des jours de la semaine.
Au final, la mise en place d'une variation de vitesse pour la commande des pompes a permis de réduire significativement le nombre de démarrages des pompes et ainsi de préserver le matériel.
D'autre part, les économies d’énergie réalisées ont aussi permis le reversement de la prime CUMAC par EDF.
Variation de vitesse : les fonctionnalités s’élargissent
La vitesse variable innove pour coller au plus près de la réalité rencontrée par les exploitants.
Vacon vient ainsi de lancer le convertisseur de fréquence Vacon® 100 Flow, dédié aux applications de ventilateurs et de pompes. Le Vacon 100 Flow reprend la conception de base du Vacon 100 avec des fonctions innovantes de contrôle de débit. Il est également équipé d’une fonction dite de nettoyage automatique pour prévenir un éventuel « bouchage ». Cette fonction de nettoyage automatique peut être déclenchée de trois manières différentes :
- - par une entrée logique externe, ou bien lors du passage en mode veille ;
- - lorsque le courant moteur dépasse un seuil de courant moteur sur une durée à définir ;
- - selon programmation d’une horloge temps réel interne au convertisseur.
Ce nouveau variateur améliore également le rendement et simplifie la gestion de la redondance des systèmes de commande de pompes en cascade, offrant des fonctions avancées, comme le Multimaster et le Multifollower. Le Vacon 100 Flow possède de nombreuses fonctions conviviales, par exemple un affichage graphique multilingue, des assistants de la mise en service qui facilitent le paramétrage du variateur et des fonctions de programmation intuitives intégrées. L’intégration dans un système est facilitée grâce à des protocoles de communication Ethernet embarqués, tels que EtherNet/IP, E/S Profinet et Modbus TCP, ainsi qu’une fonction suppression sécurisée de couple (STO) et une protection certifiée ATEX contre la température excessive du moteur.
Chez Danfoss, le variateur VLT® Aqua Drive FC 202 dispose d’une fonction de décolmatage automatique qui permet de garder propres les pompes d’eaux usées. Il est ainsi capable de gérer automatiquement le décolmatage de la pompe en réalisant de courts cycles de rotation dans les deux sens de rotation à vitesse élevée pour prévenir tout bouchon au niveau de la pompe. Deux modes sont disponibles :
- - un traitement préventif effectué systématiquement selon la configuration : durant la phase de démarrage, d’arrêt, via une entrée digitale, par le bus série, etc. ;
- - un traitement curatif basé sur une surveillance permanente de la puissance absorbée et de la vitesse.
Le décolmatage préventif et curatif peuvent être combinés et être exécutés automatiquement entre les cycles de décolmatage préventif.
Économies d’énergie. La société revendique un millier d’installations.
Si bien qu’aujourd’hui, l’ensemble Dip Système® sans bâche de rétention avec le nouvel impulseur DipCut® et l’OmniDIP® constitue une réponse plébiscitée contre ce fléau d’incivisme qui se traduit par une multiplication de détritus en tout genre, véhiculés par des débits d’eau en nette diminution dans des réseaux de plus en plus souvent séparatifs.
Pour Stéphane Dumonceau, chez Side Industrie, il faut se rendre à l’évidence : « ces évolutions combinées sont irréversibles, et le “tout-à-l’égout” restera la facilité de l’homme moderne tout à la fois exigeant et indiscipliné. Avec 25 % d’eau en moins et des longueurs de refoulement de plus en plus longues pour aller chercher les villages lointains, sans parler d’H₂S, la course au rendement est paradoxalement un allié des bouchages. Or, il n’y a pas de personnel disponible pour régler une plaque de fond de volute, ou contrôler le jeu hydraulique de l’impulseur si profilé soit-il, comme il n’y en a plus depuis 20 ans pour vider un panier de dégrillage, ou entretenir un dégrilleur automatique. C’est la réalité du terrain. Dans des pays où l’on retrouve des têtes de balai espagnol entières, des soutien-gorges matelassés complets, des chaussures, et des pierres grosses comme le poing dans un réseau à peine Ø 200 mm, et le tout ensemble, sans pouvoir assigner quiconque à un ».
dégrillage régulier… il n’y a évidemment pas de solutions miracle, et nous avons dépassé le stade des lingettes de nettoyage, mais toute solution qui nécessite un volume de marnage si petit soit-il, avec moteur synchrone ou pas, posera un problème d’accumulation et donc de bouchage si le débit d’eau n’est pas au rendez-vous. Nous ne détenons pas la panacée non plus, mais ce stade de constats, ce que nous devons proposer en tant que constructeurs, d’après nos recherches et nos retours d’expériences, est la combinaison équilibrée entre :
- - La suppression des rétentions sous fil d’eau,
- - Le pompage au meilleur rendement possible quand l’effluent est “normal”,
- - La capacité de couper/déchiqueter/réduire quand il est “anormalement” chargé,
- - La capacité de retenir les éléments trop gros ou trop lourds sans arrêter les autres,
- - Et proposer un design le plus simple, pratique et propre d’accès quand tout a été tenté et qu’il faut intervenir ».
KSB regarde le pompage en ligne de manière plus attentive depuis quelques années, comme solution complémentaire pour résoudre des cas particuliers. Avec toujours comme mot d’ordre qu’il n’existe pas de roue universelle ni de solution unique. Chaque situation comporte ses propres particularités et contraintes qui doivent être analysées avant d’envisager le choix d'une solution.
