Les bureaux d'études recherchent de plus en plus à optimiser les coûts des stations de pompage d'eaux usées et d'épuration. Ces contraintes entraînent parfois un dimensionnement ?minimal', aux limites de la faisabilité technique, avec les risques que cela comporte pour les exploitants. Les exigences imposées aux pompes pour liquides chargés, en particulier pour le transport des eaux usées brutes, ont donc considérablement évolué au cours des dernières années. D?où l'importance primordiale du choix de l'hydraulique (roue) adaptée aux conditions particulières du client. Car, rappelons-le, la ?roue à tout faire? reste une utopie.
Ces contraintes entraînent parfois un dimensionnement “minimal”, aux limites de la faisabilité technique, avec les risques que cela comporte pour les exploitants.
Les exigences imposées aux pompes pour liquides chargés, en particulier pour le transport des eaux usées brutes, ont donc considérablement évolué au cours des dernières années. D’où l’importance primordiale du choix de l’hydraulique (roue) adaptée aux conditions particulières du client. Car, rappelons-le, la “roue à tout faire” reste une utopie.
On assiste depuis plusieurs années à une évolution des habitudes de consommation et, donc, de la nature des eaux usées à pomper.
Économies d’énergie
La volonté de réaliser des économies d’énergie et de mettre en œuvre des processus techniques aussi réguliers que possible dans les stations d’épuration entraîne une utilisation toujours plus fréquente de la régulation de la vitesse avec recours aux variateurs de fréquences. À vitesse trop faible, des bouchages peuvent se produire à la fois à l’intérieur de l’hydraulique ou dans les canalisations verticales si l’on ne tient pas compte tant de la vitesse de rotation de la pompe, que de celle de l’écoulement du fluide dans les canalisations.
Eaux usées urbaines plus chargées
La baisse sensible de la consommation d’eau potable dans les pays industrialisés a eu pour conséquence une modification profonde de la nature des eaux usées. Alors qu’en 1991, la consommation quotidienne par habitant était encore de 186 litres en moyenne, elle est passée à seulement 128 litres en 1998, ce qui signifie que le pourcentage d’eau en tant que fluide de transport est en forte diminution. Et, dans le même
Avec le temps, la teneur en matières fibreuses (produits d’hygiène principalement) et en matières sèches a augmenté. Ce problème est particulièrement aigu à l'issue de longues périodes estivales sans pluie, ce qu'il est convenu d’appeler l’exploitation par temps sec. Les fibres et les matières solides peuvent se déposer dans les canalisations et, lors des premières précipitations des pluies d’orage, parvenir, sous forme de boules de détritus ou de tresse, dans les stations de pompage. En l’absence d’une hydraulique optimisée pour ces pompes, celles-ci peuvent se boucher.
Plus de raccordements éloignés
La demande croissante de raccordements éloignés, par exemple pour de petits lotissements ou des industries diverses, exige un transport des eaux usées sur de grandes distances, jusqu’à la station principale de pompage ou la station d’épuration la plus proche. La solution pour répondre à ces demandes de petit débit sur des hauteurs manométriques totales importantes, dans le domaine des eaux usées, réclame la mise en place d'une hydraulique spécifique pour un fonctionnement sans colmatage.
Le souci d’optimisation des frais de maintenance conduit de plus en plus souvent à supprimer le panier de dégrillage ou dégrilleur automatique. Ceci impose, dans le domaine de pompage des eaux résiduaires urbaines non dégrillées, des sections de passage intégral importantes pour éviter tout risque de colmatage.
Pour ces raisons encore, le choix de l’hydraulique adaptée est primordial pour éviter les risques de colmatage.
Les différents types de colmatage
On distingue deux types principaux de bouchage.
Obstruction par des matières solides : il est fréquent de trouver dans les pompes des matières solides telles que : déchets de bois, jouets ou autres déchets ménagers. Des matières solides de même type sont aussi le produit de conglomérations.
Colmatage par des matières fibreuses : le second problème important est généré par les matières fibreuses, notamment les déchets ménagers, les articles d’hygiène ou les déchets industriels en tous genres qui se déposent soit dans le jeu existant entre la roue et le corps de la pompe, soit à l'entrée, sur le bord d’attaque de l’aube ou dans l’ouïe d’aspiration de la roue. La figure 1 présente la vue en coupe d’une hydraulique de principe pour le pompage des eaux usées.
Le centrage de la partie tournante, c’est-à-dire de la roue par rapport au corps de pompe, implique une bague d’usure. L’usure importante de cette dernière induit une augmentation du débit de fuite du refoulement vers l'aspiration et conduit les matières fibreuses dans cet interstice de la roue. Dans les cas extrêmes, l'accumulation de matières fibreuses dans la chambre latérale de la roue peut bloquer cette dernière par accumulation. Par contre, il est fréquent que les matières fibreuses se déposent brièvement sur l'arête de (des) l’aube(s) à l’entrée de la roue. Généralement, le profilé de l'arête de l'aube est dessiné de telle façon que les fibres sont très rapidement emportées par le fluide et quittent la roue par le canal d’évacuation. Toutefois, des fibres longues peuvent se bloquer sur les dites arêtes, occasionnant une accumulation pouvant conduire jusqu’au bouchage intégral de l’ouïe d’aspiration. Même si les pompes pour eaux usées sont aujourd'hui très fiables, leur longévité de fonctionnement peut être affectée.
Tableau I : Caractéristiques des divers fluides rencontrés dans le domaine de l’assainissement des eaux usées
due par une hydraulique inappropriée qui n'a pas été sélectionnée pour l’application spécifique ou pour la composition des eaux usées à pomper. Or, la composition des eaux usées, notamment communales, n’est pas connue à l’avance. Elle est susceptible de se modifier en fonction de la nature des eaux des nouveaux habitants venant se raccorder.
Quelles pompes pour quelles eaux usées ?
La norme DIN 4045 fournit une classification des différentes eaux usées. La distinction est faite entre eaux de pluie, eaux usées et boues.
Pour les boues d’épuration avec une teneur en matière sèche supérieure à 5 %, on utilise surtout des pompes volumétriques, par exemple à vis excentriques. Les pompes centrifuges pour liquides chargés sont, elles, surtout utilisées pour les eaux usées. En l'occurrence, une distinction est faite entre les eaux usées communales, domestiques, industrielles ou agricoles. Néanmoins, aucun paramètre exactement mesurable n’a été défini. On les distingue alors par leurs teneurs en gaz dissous, en matières fibreuses, en matières sèches et en parti-
…cules abrasives contenues dans l’effluent, sans oublier la granulométrie des matières solides susceptibles d’être pompées (tableau 1). Chaque problème de transport d’eaux usées doit donc être analysé avec précision. Il n’y a pas de solution universelle.
Comparaison des rendements
La figure 5 présente la comparaison entre les rendements de diverses formes de roue à un point de fonctionnement donné. Il est aisé de reconnaître qu'il n’existe aucune différence, tant entre la roue monocanal fermée et la roue monocanal ouverte qu’entre la roue bicanal fermée et la roue bicanal ouverte. L'emploi de roues bicanal induit une amélioration minime du rendement (2 %).
Pour déterminer le rendement maximum pouvant être atteint, des analyses complètes des hydrauliques de pompes pour eaux usées de marques différentes ont été réalisées. La figure 6 montre les rendements optimum pouvant être atteints sur des pompes de diamètre nominal DN 80 (en gris), DN 100 (en bleu clair) et DN 150 (en bleu foncé), ces tailles étant les tailles le plus souvent mises en œuvre dans le domaine de l'assainissement collectif. Avec des roues vortex, les rendements atteignent un maximum de 55 %. Les rendements des roues monocanal et bicanal, ouvertes ou fermées, sont compris entre 75 % et 85 %. Une optimisation du rendement de 3 points, avec une roue monocanal ouverte, ne peut être atteinte qu’à des vitesses de rotation spécifiques très élevées, ce qui correspond approximativement à la taille DN 150. Grâce à une optimisation hydraulique ciblée, il a été possible d’atteindre, avec une roue bicanal fermée, des rendements très élevés, supérieurs à 80 %. Ainsi, les rendements pouvant être atteints avec des roues bicanal fermées se situent au même niveau élevé que ceux des roues multicanaux. Les rendements hydrauliques peuvent chuter d’environ 5 points par rapport à la roue similaire fermée. Manifestement, ces pertes interviennent dans le jeu existant entre le corps de pompe et les aubes de la roue, ainsi que du fait de la gorge spécialement aménagée pour couper les matières fibreuses.
Rendements sur la plage de fonctionnement
Le profil des courbes de rendement sur la plage de fonctionnement est tout aussi important que le point de rendement optimal. Dans ce domaine, il est possible d’identifier l'influence sensible de la forme de la roue. Pour une analyse détaillée, la figure 4 présente les courbes de rendement en fonction du débit pour différents types de roues. Toutes les courbes sont normalisées au point de rendement maximum Q/Qopt = 1,0.
Les roues fermées ont une courbe de rendement plus plate et un meilleur rendement sur la plage de fonctionnement que les roues ouvertes, bien que leurs rendements respectifs soient les mêmes au point de rendement maximum. La même remarque est également valable pour la roue bicanal. C’est pourquoi, dans toutes les discussions portant sur le rendement, il importe de tenir compte non seulement du rendement optimum, mais du rendement sur la plage de fonctionnement qui dans la pratique intervient fréquemment.
L'usure amoindrit le rendement
Pendant le fonctionnement de la pompe, le rendement et les courbes se modifient. Il est impératif d’en tenir compte lors de l'étude d'une station de pompage d’eaux usées. La figure 7 montre l'incidence de l’augmentation du jeu hydraulique dû à l’usure, sur les courbes caractéristiques d’une roue monocanal ouverte. Il est aisé de reconnaître que le rendement se dégrade jusqu’à concurrence de 10 points au point de rendement maximum. La courbe caractéristique de hau-
Leur manométrique totale se modifie elle aussi à mesure que l'usure progresse. Dans l'exemple présenté ici, le débit diminue d'environ 8 %. Or personne ne relève ces effets au cours de l’exploitation quotidienne d'une station de pompage d’eaux usées, car en règle générale, aucun dispositif de mesure du débit n’a été installé et la puissance absorbée reste constante malgré le recul du débit-volume.
La figure 8 présente la chute continuelle du rendement en fonction de l’élargissement du jeu. On constate que les roues ouvertes voient leur rendement baisser beaucoup plus rapidement que les roues fermées.
Comparaison des sensibilités au bouchage
Le colmatage des hydrauliques pour liquides chargés ayant pour origine une section de passage manifestement faible, ce critère est un point important de comparaison. Ces dernières années, nous avons même assisté à une escalade spectaculaire des sections de passage. La définition du passage libre est le diamètre d'une bille pouvant passer l'orifice d’aspiration et franchir les obstacles de la roue, pour ressortir par l’orifice de refoulement sans déformation.
La figure 9 présente une analyse du passage
Le passage libre est fonction de la taille de la roue et du nombre d’aubes. Les passages libres d’au moins 80 mm, voire 100 mm, exigés par les exploitants pour le transport d’eaux usées brutes ne peuvent être réalisés qu’avec certaines formes de roue. Les roues vortex tout comme les roues monocanal présentent des passages libres relativement importants sur toutes les tailles de roue et ont fait leurs preuves depuis de nombreuses années pour le transport d’eaux chargées de particules solides de grande taille. Sur les roues monocanal ouvertes, il est inévitable d’accepter des passages libres légèrement plus réduits, mais supérieurs à 75 mm sur toutes les tailles. Sur le diamètre nominal DN 150, le passage libre est même de 100 mm. Sur les roues bicanal fermées les dimensions du passage libre sont comparables à celles des roues monocanal ouvertes. Sur les roues bicanal ouvertes comme sur les roues multicanaux, cela n’est pas possible en raison du type de conception, si bien que le risque de bouchage est augmenté en présence de matières solides d’assez grande taille contenues dans les eaux usées. Sur les roues bicanal, le passage libre est réduit. C’est également le cas de la roue bicanal ouverte. Seule une conception spéciale permet, sur la roue bicanal fermée, de réaliser des passages libres supérieurs à 75 mm pour les diamètres nominaux DN 80 et DN 100 et supérieurs à 100 mm à partir du diamètre nominal DN 150.
Pour garantir le pompage des eaux usées brutes et un fonctionnement fiable des pompes à eaux usées, il est recommandé de disposer d’un passage libre qui ne soit pas inférieur à 100 mm. Ceci est également confirmé par la dernière édition des directives de sélection de pompes à eaux usées, ATV-Druck-A134 de juin 2000, publiées par la Deutsche Association Allemande des exploitants d’eaux usées (Vereinigung für Abwasser). Après avoir mené des discussions avec les exploitants, l’ATV a pris la décision de ne pas modifier cette exigence d’un passage libre supérieur à 100 mm, qui a fait ses preuves depuis de nombreuses années, et de la reprendre dans la nouvelle version.
Comment choisir une forme de roue optimale
De plus en plus, le coût global (achat + énergie + maintenance…) est un critère de sélection important pour une pompe pour eaux usées. En service intermittent, très fréquent dans les stations de pompage d’eaux usées, les coûts énergétiques ne déterminent « que » 50 % du coût global. En service continu, fréquent dans la station de pompage en tête…
Tableau II : Limites d’application des formes de roue en fonction des paramètres caractéristiques des eaux usées
d'une station d'épuration, ces mêmes coûts énergétiques représentent plus de 80 % des coûts totaux. Il va de soi que ces considérations ne s’appliquent qu’au fonctionnement d'une pompe à eaux usées exempte de perturbations et sans risque de colmatage. Si la pompe se bouche, les coûts engendrés pour l’intervention sur le site, l’élimination du bouchon dans la pompe et les coûts indirects d'une défaillance de la pompe alourdissent l'addition. Ces coûts peuvent très rapidement dépasser la valeur d’acquisition d'une pompe, raison pour laquelle les exploitants de stations de pompage d’eaux usées attachent la plus grande importance à la sécurité de fonctionnement, tandis que le rendement n'est que leur second critère de décision. Sélectionner une roue pour le fonctionnement d'une pompe à eaux usées signifie toujours trouver un compromis entre le risque de bouchage, le rendement sur l’ensemble de la plage de fonctionnement et le comportement à l'usure. La sélection du type de roue ne peut intervenir qu’en tenant compte de la composition spécifique des eaux usées et également de l’environnement de la station. C’est pourquoi, il n’existe pas de roue universelle.
À chaque cas sa pompe
Quelques recommandations pour la sélection d'une roue optimale sont données dans le tableau II. En présence d'une teneur élevée en gaz, la roue vortex reste la meilleure solution. Quand la teneur en fibres est élevée, nous obtenons de bons résultats avec des roues monocanal ou bicanal ouvertes. Pour les teneurs moyennes en fibres, les roues mises en œuvre sont, en raison de leur grande sécurité d’exploitation, des roues monocanal ou bicanal fermées. En cas de contraintes extrêmes dues à des présences importantes de déchets, de gaz dissous dans l’effluent et de particules abrasives, c'est la roue vortex qui est mise en œuvre, malgré son rendement énergétique. Ces constatations ont été confirmées par des essais réalisés avec différentes natures et concentrations de matières fibreuses sur les bancs d’essais KSB.
Le spécialiste fait la différence
On le voit, le choix d'une roue requiert les conseils de spécialistes disposant d'une grande expérience. Ce sont eux qui savent le mieux sélectionner la forme de roue optimale en fonction de la composition du fluide véhiculé. La “roue universelle” adaptée à tous les cas de figure en matière de pompage des eaux usées n’est pas encore de ce monde !
