L'état de la technique
Plusieurs options se présentent aux concepteurs de stations d’épuration dans le choix d’un système d’aération. L’objectif de celui-ci est d’apporter à la biomasse épuratrice l’oxygène nécessaire à la métabolisation des matières oxydables et de maintenir une bonne homogénéisation de la liqueur mixte dans les bassins aérés.
Les techniques d’oxygénation se répartissent principalement en deux groupes, l’aération de surface (brosses, turbines, …) et l’insufflation d’air par diffuseurs fines bulles à membrane élastique.
L’adoption d’un système d’aération est d’importance, car celui-ci va déterminer le niveau des investissements et les coûts d’exploitation. Le maître d’ouvrage doit prendre en compte tous ces aspects, ne pas céder à l’engouement du moment et déterminer le meilleur choix technico-économique qui satisfasse à la synthèse de ses besoins et contraintes.
Les critiques adressées jusqu’à présent aux aérateurs de surface utilisés pour le traitement des effluents urbains et industriels reposaient sur quatre points :
- - ce type d’aérateurs engendre des niveaux sonores élevés et produit des aérosols ;
- - leur rendement énergétique se situe en retrait par rapport à d’autres modes d’aération ;
- - nécessité de limiter la profondeur des ouvrages pour maintenir le brassage et l’introduction de l’oxygène dans les couches profondes du bassin d’aération ;
- - impossibilité de dissocier les fonctions d’aération et de brassage.
Installés dans des chenaux circulaires ou oblongs, les Mammutrotors, aérateurs de surface à vitesse lente dénommés communément « brosses », grâce à de nouvelles dispositions, permettent de remédier désormais à ces inconvénients.
Émissions sonores et aérosols
Le bruit émis par un Mammutrotor provient d’une part du fonctionnement des organes mécaniques et d’autre part du choc des pales qui frappent l’eau et projettent une gerbe liquide à l’aval de la brosse. Cette gerbe est aussi à l’origine d’aérosols qui provoquent la dispersion dans l’atmosphère de composés volatils.
Il existe un moyen simple de réduire le niveau de bruit et d’éliminer les aérosols qui consiste à couvrir l’aérateur par une passerelle en béton suffisamment large (figure 1) pour qu’elle englobe totalement la machine et les projections qu’elle engendre.
Des bavettes en caoutchouc qui descendent jusqu’au plan d’eau et un capotage du moteur complètent cette disposition pour obtenir une efficacité maximum (figure 2) à la fois contre les émissions sonores qui sont ainsi fortement réduites et contre les aérosols qui sont totalement éliminés.
Rendements énergétiques
Le Mammutrotor est l’aérateur de surface qui présente les rendements énergétiques (2 kg O₂/kWh en eau claire) les plus élevés de sa catégorie. Malgré cela on lui oppose de plus en plus l’aération par introduction d’air surpressé au moyen de diffuseurs de fines bulles disposés au fond des ouvrages, mode
d’aération qui présente des rendements variant de 2,5 à 3,5 kg O₂/kWh en eau claire.
Ces rendements sont toutefois à moduler en prenant en compte non pas l’apport spécifique brut (A.S.B.) en eau claire mais l’apport spécifique brut dans les conditions réelles de service. À cet effet il y a lieu d’intégrer un coefficient de transfert propre à chaque type d’aération. Ainsi l’A.S.B. en boues pour aération par fines bulles varie de 1,25 à 1,75 kg O₂/kWh contre 1,40 kg O₂/kWh dans le cas du Mammutrotor, rendement qui situe ce dernier de façon fort honorable face à l’aération par fines bulles.
Dans de nombreux cas, l’argument de la consommation énergétique ne peut donc être opposé aux aérateurs de surface de type Mammutrotor et doit par contre être comparé aux frais d’exploitation entraînés par l’aération à fines bulles, relevage régulier des raquettes de diffuseurs, opérations nécessitant grutage, manutention, voies d’accès, etc.
Profondeur des ouvrages et dissociation entre aération et brassage
Les niveaux de rejet à atteindre, notamment l’élimination poussée de l’azote, imposent des dimensions accrues pour les bassins. Afin de réduire leur emprise au sol, on opte ainsi le plus souvent pour des profondeurs qui dépassent 4,00 m.
Jusqu’à présent, pour permettre un brassage et une oxygénation corrects, les hauteurs d’eau des bassins équipés d’aérateurs Mammutrotors ne devaient pas dépasser 3,60 m, ce qui limitait leur utilisation (figure 3).
Le respect des exigences en matière de traitement de la pollution azotée passe par la mise en œuvre d’une nitrification associée à une dénitrification, qui pour des raisons à la fois économiques et techniques sont conduites dans le même bassin. Il devient par là-même nécessaire de dissocier aération et brassage pour faire alterner les phases aérées et les phases d’anoxie. La dénitrification opérée dans de telles conditions n’était possible avec les Mammutrotors que dans des chenaux oblongs à long parcours dans lesquels le positionnement des aérateurs et leur séquence de fonctionnement permettent de ménager des zones anoxiques localisées. Là encore, l’utilisation de Mammutrotor trouvait ses limites.
Cette situation nous a conduit à entreprendre des recherches dans le but de concilier l’augmentation de la profondeur des bassins équipés de brosses avec la dissociation dans l’espace et dans le temps de l’aération et de la mise en circulation de la masse liquide.
La solution retenue consistait à combiner dans un même plan vertical des aérateurs Mammutrotors avec des agitateurs submersibles à axe horizontal et à grand diamètre de pales.
Les agitateurs permettent ainsi d’assurer la circulation des couches profondes et d’introduire l’oxygène de façon homogène, ce qui repousse les limites antérieures de la profondeur des bassins.
Les agitateurs assurent également le brassage et la circulation des boues activées lors de l’arrêt des Mammutrotors, conditions indispensables à une bonne anoxie en fonctionnement discontinu.
Des recherches sur prototypes et des maquettes à l’échelle du laboratoire ont permis de fixer les bases de dimensionnement à respecter, les distances entre aérateur et agitateur, ainsi que la puissance du brassage complémentaire nécessaire.
L’expérience allemande
À travers l’extension de la station modèle de Münster en Allemagne, nous avons pu recouper les éléments obtenus et démontrer les nouvelles possibilités offertes par la combinaison Mammutrotor-agitateur submersible.
[Photo : Fig. 1 – Mammutrotor sous passerelle en béton grande largeur, avec agitateur submersible.]
[Photo : Fig. 2 – Courbes émissions sonores Mammutrotor avec et sans exécution anti-bruit.]
[Photo : Fig. 3 – Anciennes hauteurs d’eau admissible des bassins équipés d’aérateurs Mammutrotor.]
[Photo : Aérateur Mammutrotor implanté sous passerelle en béton. Construction de diamètres différents pour des longueurs de rotors allant jusqu'à 9 mètres. Couronnes de pales en matériaux non corrodables.]
Deux bassins présentant des hauteurs d’eau de 5,00 mètres ont été aménagés et équipés chacun de Mammutrotors et d’agitateurs.
Il s’agissait en premier lieu de vérifier que l’oxygène introduit en surface était bien diffusé de façon homogène jusqu’en fond d’ouvrage et sur toute la largeur du chenal. En deuxième lieu, la bonne circulation des boues devait être vérifiée.
L’introduction d’un traceur coloré et la mise en œuvre de mesures adéquates ont permis de contrôler le premier point, tandis que des mesures de vitesse du courant sur les différentes tranches d’eau ont pour leur part confirmé le second ; c’est ainsi qu’en toutes parts du bassin des vitesses nettement supérieures à 0,3 m/s ont été relevées à 15 cm du radier en fonctionnement combiné ou en brassage seul, ce qui s’est révélé particulièrement satisfaisant. À ce jour, douze stations ont été construites selon ces nouvelles dispositions.
Conclusion
Loin de constituer un matériel figé, l’aérateur Mammutrotor Franceaux Passavant continue d’évoluer pour répondre aux nouvelles contraintes de l’assainissement. Une conception mécanique d’une grande fiabilité, avec des organes mécaniques dimensionnés pour des durées de service supérieures à 100 000 heures, et des dispositions constructives nouvelles en font, aujourd’hui comme demain, l’un des aérateurs les plus performants. L’implantation en bassins profonds est désormais possible, et la combinaison avec des agitateurs submersibles permet de dissocier les périodes d’aération et de brassage.
Ses nombreux autres avantages donnent à l’exploitant l’assurance d’une grande simplicité d’entretien et d’une longévité inégalée.
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