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Broyeurs et dilacérateurs : des équipements qui deviennent indispensables
Christophe Bouchet de EDITIONS JOHANET 31 decembre 2019 Paru dans N°427 - à la page 97

Poussés par la prolifération des lingettes dont l’usage ne faiblit pas, les broyeurs et dilacérateurs permettent de faire face à l'augmentation des matières solides indésirables dans les eaux usées qui soumettent certains équipements à rude épreuve. Judicieusement choisis, bien dimensionnés et correctement installés, ils sont capables de délivrer les exploitants d’un réel fardeau. Le développement de certaines applications et l’allégement de la maintenance concourent également à leur développement.

Les broyeurs et dilacérateurs sont de plus en plus présents en entrée de stations d’épuration, comme en stations de relevage, ou en amont d’une pompe, d’une centrifugeuse, d’un digesteur ou d’un process particulier. Jadis cantonnés à quelques applications spéciales il y a quelques décennies à peine, ils investissement aujourd’hui les infrastructures de traitement d’eaux usées à une vitesse rapide. « En France comme en Europe, la demande en broyeurs augmente sans cesse », confirme Pascal Perache, Directeur Général chez Börger France, filiale du fabricant germanique de pompes et, depuis une vingtaine d’années de broyeurs, lesquels assurent aujourd’hui une bonne moitié du chiffre d’affaires de cette entreprise familiale.
Les pompes Landia sont équipées d’un système de couteaux à l’admission de la pompe, ce qui évite tout problème d’obstruction. La conception très ouverte de la roue permet de pomper des liquides à viscosité élevée.

En cause, la modification, ces deux dernières décennies, de la composition des eaux usées qui se sont chargées en débris divers tels que les lingettes, filasses, canettes, morceaux de plastique, voire de bois…. Autant d’éléments qui viennent perturber le bon fonctionnement, voire détériorer des équipements tels que les pompes, centrifugeuses ou encore vis de convoyage.

Parmi les objets désormais très divers charriés par les eaux usées, les lingettes occupent une place à part. De par leur volume tout d’abord. Si l’on en croit le Forum d’échanges techniques Fluksaqua, nous en utilisons, en France, 233 par seconde, soit 7,3 milliards par an, pour les tâches ménagères, le maquillage ou encore l’hygiène corporelle ! L’agglomération d’Orléans indique que 22 tonnes de lingettes sont retirées chaque année de son réseau d’assainissement, induisant un surcoût d’exploitation annuel évalué à 100.000 €, bien évidemment répercuté à l’ensemble des usagers. Le phénomène est mondial. La ville de New York a dépensé quant à elle près de 18 millions de dollars en réparations d’équipements liées principalement aux dégâts causés par les lingettes durant les cinq dernières années…
Au-delà du volume auquel il faut faire face, c’est leur nature et leur composition qui pose problème. « Malgré les recommandations, le phénomène s’amplifie et concerne même les lingettes dites biodégradables, qui ne le sont pas vraiment, ou pas suffisamment pour être dégradées avant d’arriver au poste de pompage » indique Karine Bannier, responsable Ingénierie grands comptes chez Sulzer Pompes. « Ces lingettes usagées s’agglomèrent pour former des étoupes qui vont jusqu’à prendre l’aspect d’une serpillère dont les dimensions peuvent atteindre plusieurs mètres » précise Pascal Perache chez Börger. En parcourant le réseau, elles ramassent et agglomèrent d’autres matières, notamment des graisses qui se combinent et se figent, formant des bouchons susceptibles de paralyser totalement le réseau. « En 2013, un amas de graisses de la taille d’un autobus a été trouvé dans les égouts de Londres, explique-t-on sur le forum d’échanges Fluksaqua. Ce gigantesque amas de graisse figée obstruait à 95 % le tuyau d’évacuation de 2,4 mètres de diamètre et pesait près de 15 tonnes ! ».
Pour faire face à ce problème, différentes solutions ont été développées.
Parmi les objets désormais très divers charriés par les eaux usées, les lingettes occupent, de par leur volume et leur nature, une place à part.

Certains exploitants ont opté pour des paniers dégrilleurs ou des grilles capables d’arrêter les lingettes et autres solides indésirables avant leur arrivée dans le groupe de pompage. Une solution, qui suppose, pour être efficace, une augmentation importante des astreintes liées aux interventions pour nettoyer ces grilles alors même que le personnel exploitant, sur le terrain, tend à diminuer.

Pour remédier aux phénomènes de bouchage, certains fabricants de pompes ont développé des solutions, à l’image d’Hidrostal dont la roue à vis centrifuge qui équipe l’ensemble de la gamme assure un pompage efficace des eaux non dégrillées, sans créer de bouchage, même en cas de présence de lingettes. Inventée il y a une soixantaine d’années en Amérique du sud pour pomper des poissons vivants, la technologie de la roue à vis centrifuge n’a cessé de se développer depuis. Cette roue est constituée d’une première partie, la vis, dont la fonction de gavage assure des NPSH très bas et une bonne prise en charge des particules du liquide pompé. La deuxième partie génère la pression et le débit. Cette construction originale présente plusieurs avantages dont celui de pomper sans abîmer le produit. La roue offre également un grand passage libre, même sur des petites tailles ce qui réduit les risques de blocage, sans altérer le rendement qui va jusqu’à 85 %.
D’autres constructeurs se sont attachés à développer, au-delà des traditionnelles roues vortex ou dilacératrices, des hydrauliques associés à des fonctions intelligentes capables de faire face au problème des lingettes. Roue “N” ou “Adaptative N” chez Xylem, “Contrablock plus” chez Sulzer, “S-Tube” chez Grundfos, “Solid” chez Wilo, F-Max chez KSB ou encore “Dipcut” chez le concepteur de pompage en ligne Side Industrie, permettent de diminuer substantiellement le nombre d’interventions sans toutefois l’éliminer complètement. C’est aussi le cas de Weir Minerals avec les pompes Warman®. Ces solutions sont parfois complétées par des développements complémentaires. Pour faire face à la hausse des contenus solides dans les eaux usées, Wilo a ainsi développé EMUport Core, un système de séparation des solides séparant les matières solides des eaux usées pré-épurées.
Par ailleurs, si ces solutions évitent le blocage de la pompe, elles n’assurent pas le calibrage du déchet en sortie, qui poursuit ainsi son chemin au sein des différents process épuratoires.
D’où l’intérêt d’opter pour un équipement spécifique, capable, en fonction des besoins, de dilacérer ou de broyer.

Dilacérer ou broyer ?

La dilacération consiste à déchiqueter les matières solides charriées contenues dans l’eau, pour qu’elles poursuivent leur cheminement vers les étapes de traitement suivantes. Le but recherché est d’éviter le bouchage et de supprimer les sujétions provoquées par l’évacuation et la décharge des déchets de dégrillage. Mais sur certaines applications, par exemple en méthanisation, la dilacération permet aussi de bénéficier d’augmenter le volume de gaz de digestion produit en favorisant la macération.
Le broyage recouvre une fonctionnalité différente qui permet d’aller plus loin puisqu’il réduit les éléments solides à une taille préalablement bien définie.
De ces différences découlent deux catégories d’équipements bien distinctes, même si, dans les faits, certaines d’entre elles associent ces deux fonctionnalités sur un seul et même équipement.
Grâce au contact direct entre les couteaux et la grille de coupe, le RotaCut de Vogelsang broie les matières à fibres longues, les matières enchevêtrées, l’ensilage de plantes entières et l’herbe se trouvant dans les liquides pompés. Le système Automatic Cut Control (ACC®) assure le réajustement des couteaux et le maintien à un niveau constant de la pression de serrage entre la grille de coupe et les couteaux.

Classiquement, les dilacérateurs se présentent sous la forme d’un arbre autour duquel tournent des couteaux qui viennent affleurer une plaque sécatrice que l’effluent traverse. Les couteaux dilacèrent tandis que la plaque définit, par son calibre, la taille maximale des produits dilacérés. Le degré de dilacération varie donc en fonction du débit, de la vitesse de l’entraînement des couteaux, ainsi que de la forme de la plaque sécatrice.

En eaux usées urbaines ou industrielles, les dilacérateurs développés par Börger avec Multichopper, Vogelsang avec RotaCut, Netzsch avec Netzsch M-Ovas®, Atlantique Industrie avec Landia, PCM avec PCM Macerator ou encore Seepex avec sa série M, contribuent à protéger les pompes contre les fibres, filaments, et autres particules filandreuses de grosse taille. Ils améliorent également le dégrillage sur les traitements primaires. Mais les dilacérateurs trouvent également bien d’autres applications, notamment dans les abattoirs, l’agro-alimentaire ou la méthanisation, et, d’une manière plus générale, lorsque des particules solides peuvent remettre en cause le bon déroulement d’un process.
Les broyeurs reposent quant à eux sur deux arbres parallèles qui tournent à deux vitesses différentes, voire en sens inverse, et qui sont habillés d’un empilement d’entretoises et de couteaux. La rotation des arbres, très lente, joue sur un couple très important pour que l’enchevêtrement des entretoises et des couteaux provoque le broyage impitoyable des éléments solides. Le degré de broyage dépend des couteaux, de leur largeur, des formes des dents et de la vitesse de rotation. Ces broyeurs sont conçus et fabriqués par Börger avec Unihacker, Axflow avec Mono Muncher, Sulzer avec Muffin Monster™ et Channel Monster™, Vogelsang avec Xripper ou encore PCM avec X-Guard.
Dilacération et broyage recouvrent deux fonctionnalités différentes auxquelles correspondent deux catégories distinctes d’équipements qui ont chacun leurs domaines d’application propre, même si certaines applications peuvent, selon les cas, faire appel à l’une ou l’autre de ces deux catégories. C’est par exemple le cas en matière de relevage des eaux usées. Il faut alors choisir l’équipement le plus adapté au cas considéré.

Choisir l’équipement le plus adapté au cas considéré

En assainissement, le premier niveau de protection vis-à-vis d’un effluent chargé consiste à choisir des pompes adaptées pour que les indésirables ne viennent pas les bloquer. « Ce choix résulte d’une solide connaissance de terrain pour savoir comment bien adapter les pompes aux différentes situations » souligne Jean-François Gautreau chez Atlantique Industrie. Très présente dans l’industrie notamment agro-alimentaire et en assainissement, l’entreprise distribue notamment les pompes dilacératrices Landia. Ces pompes sont équipées d’un système dilacérateur à l’entrée chargé de couper les débris, déchets ou lingettes avant de les aspirer. « La particularité des pompes dilacératrices Landia, c’est que le système dilacérateur, composé de couteaux et de contre-couteaux est extérieur à la pompe, explique Jean-François Gautreau. En cas de blocage, on a ainsi un accès rapide au système dilacérateur sans qu’il soit nécessaire de démonter la volute de la pompe ». Ces systèmes dilacérateurs constituent un troisième niveau de protection. « Ils permettent de faire face à une teneur élevée en chiffons, lingettes et autres filasses, entraînant des dysfonctionnements des pompes existantes, souligne Jean-François Gautreau. Mais ils ont aussi leurs limites, notamment lorsqu’ils doivent faire face à des matières trop dures. Il faut alors recourir à un broyeur, dont le couple, largement plus important, permettra de faire face à une situation particulière ».
Les corps étrangers contenus dans les eaux usées arrivent dans le corps du dilacérateur M-Ovas® de Netzsch et passent au travers d’une plaque perforée avant d’être sectionnés par les couteaux rotatifs. Ce dispositif, facile d’entretien, permet le passage de boues jusqu’à un débit de 300 m3/h et une teneur en matières sèches de 7 % max.

« Ce qui est important pour réussir un projet, c’est de bien connaître les contraintes de l’application et celles de l’installation, confirme Karine Bannier chez Sulzer. Plusieurs solutions peuvent être mises en œuvre, il est donc important de définir à partir de quel moment il est intéressant de s’équiper et de quelle façon. La composition de l’effluent, le taux et la fréquence de bouchage, la criticité du ou des ouvrages concernés, leur localisation, sont les principaux critères susceptibles de conduire au choix de tel ou tel équipement ». En rachetant la société américaine JWC, Sulzer s’est dotée d’une gamme de broyeurs qui ne figuraient pas, jusqu’à présent, à son catalogue. « C’est un complément de gamme qui s’insère parfaitement dans l’offre assainissement de Sulzer qui a par ailleurs fait de gros efforts en termes de R&D pour upgrader sa gamme de pompes de surfaces et développer une offre qui répond parfaitement aux besoins du marché », souligne Karine Bannier. Au-delà de la grande diversité de broyeurs proposés par JWC, l’offre de Sulzer s’articule autour de deux gammes dont l’une est conçue pour s’installer en ligne, typiquement sur une canalisation entre deux brides, et l’autre sur support ou châssis en canal ouvert. « C’est le type d’installation qui va faire la différence et conduire au choix de tel ou tel équipement », explique Karine Bannier. Les Muffin Monster™, adaptables aux installations en canal ou en ligne sont disponibles en 3 tailles différentes. Ces broyeurs à double arbre conviennent bien aux stations de pompage de toutes tailles et au traitement des boues en stations d’épuration. Les Channel Monster™, dédiés aux applications plus sensibles, sont plutôt destinés aux grosses stations de pompage et aux postes de tête. Leur principe de fonctionnement repose sur des tambours de filtration rotatifs qui capturent les solides avant de les diriger vers un broyeur à double arbre. Le modèle choisi, il reste à se déterminer par rapport à la taille et au débit susceptible d’être traité par le broyeur, sachant qu’il est également possible de jouer sur l’empilement des couteaux qui peuvent être différents, sur leur taille, leur épaisseur, leur nombre de dents, pour répondre précisément au besoin de l’exploitant.

Börger propose également plusieurs gammes en fonction des besoins et des résultats souhaités. Le Multichopper est un dilacérateur doté d’un arbre unique équipé de trois couteaux qui tournent autour d’une grille selon le principe bien connu du presse purée. Disponible avec ou sans séparateur de matières solides, il est adapté aux eaux usées chargées, aux boues et aux matières filandreuses. Sa conception le rend cependant moins à l’aise avec les particules longues contenues dans un produit épais, le risque étant que les couteaux viennent “beurrer” la grille et ainsi la saturer. De même, le produit véhiculé ne doit pas contenir trop de silice pour éviter toute usure prématurée du fait du contact métal/métal des couteaux avec la grille. « En cas de présence de fibres longues, épaisses, ou de silice, il faudra plutôt s’orienter vers le Unihacker, un broyeur à deux arbres qui repose sur le concept éprouvé de la pompe à lobes Börger » explique Pascal Perache. Ce broyeur se fait fort de réduire toutes les matières solides contenues dans un effluent, à l’exception des cailloux, raison pour laquelle un piège à cailloux auxiliaire est fréquemment placé en amont de l’équipement. Un accès rapide à l’appariement des couteaux permet de les sélectionner en fonction de la situation et d’obtenir ainsi des qualités de coupe variables. La taille des particules souhaitée peut être déterminée grâce à la sélection des différents appariements de couteaux, formes de dents et largeurs de couteau. A mi-chemin entre ses deux prédécesseurs le Rotocrusher repose sur des couteaux et contre-couteaux fixes disposés alternativement sur l’arbre de commande. Très à l’aise avec les matières solides ou les tresses grossières, il convient bien aux applications de type méthanisation lorsqu’il est nécessaire de broyer des pailles de fumier par exemple. « Le broyage est grossier mais l’avantage, c’est qu’il peut passer des produits très épais » souligne Pascal Perache. Un piège à cailloux de 150 l protège l’équipement et ses couteaux des indésirables susceptibles de se présenter.

Seepex facilite l’entretien de ces dilacérateurs grâce au simple remplacement de l’assemblage entier de la tête porte-lames (cartouche).

Chez Netzsch, le dilacérateur M-Ovas® permet le passage de boues jusqu’à un débit de 300 m³/h et une teneur en matières sèches de 7 % maximum. Un porte couteau en acier résistant à l’usure accueille des couteaux en acier trempé. L’efficacité de la coupe peut être optimisée grâce à un mécanisme auto-ajustable. Lorsque la fonction broyage s’avère nécessaire, il faut opter pour le broyeur à deux arbres N.Mac®, disponible en version en ligne ou bien en canal ouvert.

Vogelsang propose de son côté le dilacérateur RotaCut, disponible en pas moins de 10 modèles allant jusqu’à 1.200 m³/h avec des grilles calibrées de 4 à 34 mm. Cet équipement se joue des matières grossières et fibreuses. Un système appelé ACC (Automatic Cut Control), qui assure un réglage optimal de la pression de serrage entre les couteaux et la grille de coupe, optimise le rendement tout en allongeant la durée de vie des couteaux. Le BioCut, qui associe dans un espace optimisé, un RotaCut avec une pompe à lobes rotatifs, permet de traiter les indésirables en s’affranchissant des contraintes d’une installation dissociée. Mais à l’image de tous les autres dilacérateurs, la présence d’étoupes importantes nécessitera de recourir à un broyeur, le XRipper chez Vogelsang dont la construction à deux arbres permet un broyage efficace des matières solides de gros volume dans les liquides pompés ou matières en vrac.
Mais la présence de plus en plus fréquente d’indésirables dans les effluents n’est pas la seule raison pour laquelle les broyeurs et dilacérateurs se sont développés. La maintenance de ces équipements s’est également considérablement allégée.

Une maintenance considérablement allégée

Un dilacérateur, tout comme un broyeur, est un équipement destiné à faciliter l’exploitation, en minimisant les interventions sur le réseau, sur les pompes et autres équipements sujets à bouchage. Pas question donc de minimiser cet avantage du fait d’interventions lourdes ou répétées pour maintenir l’équipement. Les fabricants se sont donc attachés à alléger et simplifier les opérations de maintenance.
Avec un certain succès.
Le Unihacker de Börger, grâce à ses 5 séries (débits jusqu’à 320 m³/h), et aux différents équipements et composants additionnels, broie les substances grossières comme les matières fibreuses, les bouts de bois, les plastiques, les peaux, les textiles etc. et garantit ainsi le bon fonctionnement des pompes et des machines installées en aval.

« Sur les dilacérateurs comme sur les broyeurs, la maintenance est principalement liée aux indésirables qui passent dans l’équipement, explique Pascal Perache chez Börger. Si l’équipement est conçu pour les traiter, il n’y a quasiment pas de maintenance ».

D’où l’importance de choisir l’équipement adapté.
Börger a développé un concept appelé MIP pour “Maintain In Place” qui permet de démonter ses équipements par devant, sans toucher ni à la tuyauterie, ni au moteur. « Pas besoin d’envoyer la machine en atelier, ni de faire appel à une société externe, souligne Pascal Perache, l’exploitant confine l’équipement électriquement, le déboulonne par devant et réalise lui-même ces opérations de maintenance ». Des accessoires permettent d’augmenter le degré de protection des équipements. Chez Börger, une armoire protection inversion permet ainsi de détecter un sur-couple ou une surintensité, de stopper l’équipement et d’enclencher un cycle d’inversion pour éviter tout blocage et toute casse éventuelle.
Le X-Guard de PCM, doté d’un système de couteaux en cartouche robuste, délivre un couple important à faible vitesse de rotation pour améliorer les performances des équipements de traitement et de déshydratation des boues ou fluides très chargés.

Reste que malgré un graissage régulier des arbres et des engrenages, l’usure, naturellement, fait son œuvre. « La qualité des matériaux choisis fait alors bien souvent la différence », souligne Jean-François Gautreau chez Atlantique Industrie. Le système dilacérateur est composé de deux couteaux tournants et de 1 ou 3 couteaux fixes, les matériaux sont adaptés en fonction des applications. L'acier durci est le plus répandu. Ces derniers doivent être changés périodiquement. A quelle fréquence ? « Certains de nos clients doivent changer les couteaux tous les 6 mois, d’autres tous les 3 ou 4 ans. Tout dépend de la composition de l’effluent », indique Jean-François Gautreau. Dans tous les cas, l’accessibilité aux pièces d’usure est déterminante. Sur le Netzsch M-Ovas® comme sur RotaCut de Vogelsang, il est possible de changer la plaque perforée et le couteau sans avoir à démonter les tuyauteries. Même chose sur le Macerator de PCM, dont le support de coupe, constitué d’une cartouche interchangeable, est doté d’un système de rattrapage d’usure. L’ensemble garanti des temps d’intervention plus courts lors des opérations de maintenance.

Sur les broyeurs, lorsqu’il n’y a pas de contact entre les éléments tournants et les éléments fixes, l’usure est essentiellement due à la nature du produit qui transite dans l’équipement. Là encore, la facilité d’accès aux différents organes du broyeur est essentielle. « Nos broyeurs sont équipés d’une chambre visible qui évite toute démontage pour contrôler l’état de l’équipement, et intervenir si nécessaire » souligne Karine Bannier chez Sulzer. Pour faciliter l’échange de couteaux et leur remplacement, Sulzer a également développé un système de cartouches, tout comme PCM sur son X-Guard.

Reste que malgré une maintenance allégée, l’investissement dans un dilacérateur ou un broyeur représente un investissement certain. Investissement auquel il faut ajouter les coûts d’exploitation et certains impacts, notamment en termes de pertes de charge et de consommation énergétique. Malgré cela, le retour sur investissement peut être rapide.

Un retour sur investissement qui peut être rapide

Quel est l’impact de l’installation d’un dilacérateur ou d’un broyeur en amont d’un groupe de pompage, d’une centrifugeuse ou d’un digesteur ? La consommation en énergie d’un équipement de ce type a un impact certain puisqu’il fonctionne en continu, 24 h/24, toute l’année. « Mais les puissances installées sont relativement faibles et les pertes de charges limitées, entre 0,1 et 0,3 bar chez Börger » relativise Pascal Perache.
Grâce à leur faible vitesse et à leur couple élevé, les Muffin Monster™ et les Channel Monster™ du Sulzer réduisent en pièces les solides les plus résistants.

« Ces coûts doivent être rapprochés des charges liées aux interventions qu’il faut assumer lorsque l’on n’est pas équipé de ce type de système » ajoute Karine Bannier chez Sulzer. Les arrêts liés au bouchage représentent, en moyenne, 10 % du coût global de possession d’une pompe. Mais sur certains postes très critiques, ce chiffre peut grimper rapidement. « Le retour sur investissement peut être donc très rapide, notamment lorsque les bouchages sont fréquents, estime Karine Bannier. Les exploitants sont de moins en moins nombreux sur le terrain et la plupart se sont engagés dans une politique de réduction de leurs coûts. Ils gèrent des zones de plus en plus larges, des postes parfois très éloignés, ce qui implique des temps de déplacement importants et des frais élevés. Sans parler des coûts liés à leur immobilisation. La réduction des bouchages sur des postes de ce type va donc avoir un impact rapide et significatif ». D’autant que les gains qui permettent de minorer les astreintes et d’augmenter la MTBF des lignes de pompage, ne se limitent pas toujours aux problématiques de bouchage. Un effluent broyé et homogénéisé, c’est aussi un fonctionnement optimisé des process en aval de l’équipement. C’est la possibilité d’utiliser des hydrauliques plus performantes, de voir les rendements hydrauliques des postes de relevage augmenter, de même que le rendement épuratoire de la station d’épuration grâce à la réduction de la taille des matières organiques. Des arguments qui justifient que l’on s’intéresse désormais de près à ces équipements.