Dépollution d'une gravière en lagunage aéré à moins de 2,5 watts au m3

Le 18 octobre 1982, à Metz, les silos de la malterie de la Moselle explosaient. À la suite de cette catastrophe, il fut nécessaire de trier orge et gravats, l’orge étant récupérée pour l’alimentation du bétail et les gravats étant déversés dans une gravière désaffectée de Moulins-les-Metz, au lieu-dit Tournebride, près de Metz.

8 000 tonnes de matériaux, dont 300 à 400 tonnes d’orge, furent ainsi déversées dans cette gravière. La fermentation de cette orge provoqua, un mois après, une pollution intense qui risquait d’affecter la qualité des eaux des puits et forages environnants alimentant plus de 50 000 personnes. Les pouvoirs publics décidèrent de fermer ces puits et forages tant que la source polluante ne serait pas résorbée. Hydro M, bureau d’études et d’aménagements des eaux et de l’environnement, fut mandaté par les Mutuelles Agricoles, compagnie d’assurances de la malterie, pour évaluer la pollution et pour proposer une solution rapide et efficace.

Dans cette gravière de 1,2 ha, d’une profondeur de 6 m et d’un volume approximatif de 72 000 m³, la qualité des eaux a évolué de manière spectaculaire en un mois.

L’orge déversée dans la gravière a constitué un apport massif de matière organique. La dégradation de cette matière organique a été effectuée par des bactéries aérobies présentes dans le milieu ; elle a été accompagnée d’une très forte consommation d’oxygène dissous (DBO₅ = 320 mg/l). La consommation excessive d’oxygène (il n’en restait plus que 0,7 mg/l lors des premiers prélèvements effectués le 12-01-1983), due au développement microbien lié à l’importance de la charge organique (400 tonnes d’orge), provoqua la disparition de certains hôtes de la gravière (les poissons y furent retrouvés morts).

L’oxygène dissous étant épuisé, le milieu s’est maintenu en phase anaérobie. Des bactéries anaérobies se sont développées avec les conséquences suivantes :

• – fermentation des composés carbonés en méthane (« gaz des marais »),
• – ammonification des composés azotés, libérant jusqu’à 6 mg/l d’ammoniaque,
• – réduction des sulfates en H₂S, source de mauvaises odeurs,
• – libération de phosphates (2,5 mg/l).

• les produits carbonés par fermentation se sont dégradés et ont dégagé du biogaz riche en méthane,
• les produits azotés par ammonification se sont transformés en ammoniac (forte teneur en NH₄) ; dans de telles conditions, le cycle de l’azote s’est arrêté là, c’est pourquoi on n’a trouvé les stades nitrites qu'à l'état de traces (< 0,5) et nitrates (< 1),
• les produits soufrés par réduction ont formé de l’hydrogène sulfuré H₂S (d'où les mauvaises odeurs),
• les composés phosphorés se sont minéralisés, d'où la teneur en phosphate.

Les analyses effectuées avant et après la catastrophe ont confirmé cette évolution comme le montre le tableau de la figure 2.

Les dernières analyses effectuées en mars 1983 ont permis de constater une stabilisation du processus (due aux faibles températures) et d’évaluer la pollution à traiter à 50 tonnes de DBO₅ (figure 3).

La solution

À la suite de trois rapports d’expertise la solution proposée et retenue fut le traitement par lagunage aéré ; ce procédé offrait, dans ce cas précis, le meilleur compromis investissement-rapidité de dépollution. En effet :

• il traite la pollution à tous ses niveaux biologiques, visuels et olfactifs,
• il tend à la réduire et à l'annuler dans un laps de temps plus rapide que tout autre procédé.

Pour mieux comprendre les raisons du choix du traitement et du choix du matériel, il est nécessaire de redéfinir ce qu’est un lagunage aéré.

Celui-ci se caractérise par un bassin de traitement, dans lequel la charge biodégradable d’un effluent est détruite par voie bactérienne, une partie au moins de ce traitement étant réalisée en aérobiose grâce à un apport d’oxygène dissous artificiellement dans l’eau (aérateur mécanique, insufflation d’air, etc.).

Il n’y a pas de recirculation bactérienne ; le lagunage aéré ne se distingue donc d’un traitement biologique classique (par boues activées par exemple) que par l’absence de recirculation de la culture bactérienne.

Il existe deux types de lagunes d’aération qui se différencient par la puissance spécifique de brassage :

• le lagunage aéré aérobie (ou lagunage aéré, stricto sensu) : dans la lagune d’aération, l’énergie de brassage est suffisante pour qu’aucun dépôt ne se forme ; les puissances spécifiques nécessaires sont de l’ordre de 12 W/m³,
• le lagunage aéré aérobie-anaérobie « facultatif ». La puissance de brassage de la lagune d’aération est insuffisante pour éviter les dépôts ; dans ce cas, un équilibre théorique du niveau des boues en chaque point se réalise, ce qui n’est pas réellement toujours le cas, différents phénomènes intervenant (ces boues anaérobies peuvent remonter par accélération de la production de gaz, ou se détruire par résolubilisation, etc.) ; les puissances spécifiques de brassage nécessaires sont de l’ordre de 5 à 6 W/m³ pour les systèmes d’aération classiques (turbines de surface, insufflation d’air par compresseur).

Pour les deux types de lagunage aéré, la profondeur utile de la lagune ne doit pas dépasser 2,50 à 3 m si l’on utilise des turbines de surface, et doit être aussi importante que possible si l’on utilise une insufflation d’air par compresseur.

En dernier lieu, on peut estimer que l’élimination de 1 kg de DBO₅ implique une consommation de 1,5 kg d’oxygène dissous.

Le choix du traitement étant établi, il fallut le dimensionner.

Voici un extrait de la note explicative :

Les dispositifs d’aération sont calculés sur la base des besoins en oxygène et, pour les grands volumes mis en jeu, les puissances spécifiques à appliquer sont réduites (2 à 5 W/m³). La température estivale de l’eau de la gravière va influer sur les performances des cultures bactériennes très dispersées qui s’y développent.

On admet généralement que le passage d’une pollution originelle L₀ à la valeur L₁ suit la loi :

L₁ / L₀ = 1 / (1 + Kt)

avec :

t = temps de séjour (en jours)
K = dépend de la température, selon la relation :
K₇ = K₂₀ x 1,077ᵗ⁻²⁰
K₂₀ admis égal à 0,5
(Bartsh et Randall)

La gravière ayant un volume moyen de 72 000 m³, on se base sur une DBO₅ de 50 tonnes pour l'ensemble de la gravière (25 tonnes en janvier, 50 en février et 30 en mars).

On souhaite atteindre une DBO₅ moyenne de 3 tonnes (correspondant à 40 mg/l) :

Lₘ = 3
Lₒ = 50
K₂₀ = 0,5
K₇ = 0,25
t = 67 jours

Il faut compter sur 2 mois continus pour faire chuter la DBO₅ totale de la lagune de 50 tonnes (situation actuelle), à 3 tonnes (situation finale souhaitable).

(soit l'élimination de 50 – 3 = 47 tonnes en 60 jours, soit approximativement 1 tonne par jour).

Si l'on se base sur les normes de 1,5 kg d’O₂ à fournir pour éliminer 1 kg de DBO₅, il faudra donc fournir à la gravière 75 tonnes d’oxygène.

Ces 75 tonnes d’oxygène seront fournies en continu 24 h sur 24, pendant 2 mois.

Description du matériel

Restait à définir le choix du matériel ; les contraintes imposées étaient les suivantes :

• — il fallait un matériel compact susceptible d’être installé sur radeaux ;
• — compte tenu de la taille de la gravière, il fallait un matériel proposant le meilleur compromis brassage-aération, pour diminuer au maximum la puissance de brassage ;
• — compte tenu de la profondeur de la gravière (6 m de moyenne), il fallait prévoir plutôt un système d’insufflation d’air que d’aérateur de surface.

Le matériel offrant la meilleure réponse à toutes ces contraintes fut des pompes submersibles équipées d’hydro-éjecteurs (figure 4).

L’hydro-éjecteur

Le principe de fonctionnement de l’hydro-éjecteur est à la fois simple et connu depuis longtemps.

Un courant liquide (1) créé par une pompe immergée Flygt est dirigé vers l’éjecteur. Ce courant pénètre par une buse (2) dans le corps de l’éjecteur (3). À ce niveau, une dépression est créée, l’air est aspiré par le conduit d’admission (4). Le liquide et l’air ainsi pompés se mélangent intimement dans le tube (5). L’effet de pompage est par ailleurs renforcé au niveau du diffuseur (6) par un ralentissement de la vitesse d’écoulement.

Le corps de l’éjecteur, en fonte, est protégé de la rouille par une peinture bitumineuse. La buse, en caoutchouc nitrile, est fixée par vulcanisation sur un manchon en acier inoxydable, ce qui la maintient en place dans le corps de l’éjecteur. Le tube mélangeur et le diffuseur sont en acier inoxydable. L’ensemble est raccordé par une bride au corps de l’éjecteur, ce qui permet de le déposer facilement. La pompe et le tuyau d’aspiration (air) se fixent sur l’hydro-éjecteur par l’intermédiaire d’une bride et d’un collet de raccordement. L’orifice de passage au niveau de la buse déformable en nitrile est respectivement de 50 mm et 80 mm pour les hydro-éjecteurs 4810 et 4815.

Les pompes

Les pompes immergées utilisées ici sont des pompes submersibles pour eaux usées ; elles vont de 2 à 185 kW. Elles sont conçues pour fonctionner avec une fiabilité maximale dans des conditions souvent très difficiles. Nos pompes regroupent en un ensemble compact et monobloc un moteur électrique et une volute (ou corps de pompe). Cette conception et le caractère agressif des eaux usées ont fait choisir pour leur fabrication des matériaux de haute résistance à la corrosion : fonte et acier inoxydable.

Les caractéristiques du matériel utilisé (figure 5) sont les suivantes :

• – groupes d’aération constitués d’une pompe C 3201, équipée de 2 hydro-éjecteurs H 4815.

Pompes

Un groupe constitué d’une pompe et de deux hydro-éjecteurs fournit 21,7 kg de O₂ par heure, soit 520,8 kg par jour en travaillant en continu.

Le but étant d’éliminer 1 000 kg de DBO₅ par jour, il faudra apporter 1 500 kg de O₂ par jour. En conséquence, 3 groupes d’aération suffiraient.

Cependant, vu l'importance de la superficie et du volume de la gravière (environ 1,2 ha et 72 000 m³), il faudra disséminer des groupes de façon que tout le volume d'eau soit traité. On peut donc majorer jusqu’à 6 le nombre de groupes d’aération et ajouter plusieurs agitateurs en surface qui créeront des courants agitant toute la masse d’eau. Les groupes d’aération seront positionnés à 1,5 m (minimum 1 m) du fond, afin qu'il n'y ait pas brassage des vases, orges et autres sédiments déposés par gravité au fond de la gravière.

La puissance absorbée par un groupe étant de 23,5 kW, il faudra amener sur le site une puissance de : 23,5 × 6 = 141 kW. Si l'on ajoute 2 agitateurs submersibles en surface, brassant 3 900 m³/h chacun, on peut penser que l’ensemble de la gravière sera suffisamment brassé et oxygéné. Chaque agitateur a une puissance de 8,8 kW. Aussi, faut-il ajouter 17,6 kW sur le site, soit au maximum : 141 + 17,6 = 158,6 kW.

Il faudra donc disposer d’une puissance électrique de 160 kW. La puissance spécifique de brassage sera de l’ordre de 2,5 Watt/m³.

Cette faible puissance spécifique de brassage s’explique par le débit important horizontal créé d’abord par les 6 groupes d’aération (3 600 m³/h) et surtout par les deux agitateurs submersibles (7 800 m³/h).

En disposant judicieusement l’ensemble des équipements sur radeaux dans la gravière, le débit global (11 400 m³/h) permet de recycler théoriquement le volume total de la gravière toutes les 7 heures, et d’assurer une diffusion homogène de l’oxygène dissous (figure 6).

Ce très fort débit est dû aux deux tiers à l'utilisation de deux agitateurs électriques submersibles dont le principe de fonctionnement est le suivant :

• un agitateur est composé d’un moteur électrique submersible et d'une hélice propulsée, accouplés en un ensemble compact.

Grâce à ce principe, plus d’arbres longs, de gros réducteurs de vitesse, de paliers d’appui, de presse-étoupe, etc. Suppression également du coût supplémentaire des déflecteurs, passerelle ou perçage de la cloison de la cuve.

On peut disposer de six principaux types d’agitateurs (de 1 à 13,5 kW). La capacité de brassage désirée s’obtient par la combinaison judicieuse de la puissance moteur, du type d’hélice et du rapport du réducteur. Les hélices sont autonettoyantes : elles fonctionnent sans interruption dans des liquides chargés de fibres longues. La figure 7 illustre la conception originale de cet appareil.

Résultats

En juillet et en août 1983, les Ets Richert Matériels de Metz-Borny installent les agitateurs et les groupes d’aération sur radeaux. Dès le 15 juillet, un agitateur et un aérateur sont en route. L’ensemble, 6 aérateurs et 2 agitateurs, fonctionne en totalité le 25 août. Les prélèvements d’eau effectués les 25 juillet, 17 août et 7 septembre 1983 montrent une très nette et rapide évolution de la qualité physico-chimique de l’eau de la gravière. Dès le 7 septembre, les eaux de la gravière (voir tableau) répondent aux normes de rejet imposées par le service de Navigation, soit :

• T° < 30 °C
• pH compris entre 5,5 et 8,5
• MES < 50 mg/l
• DCO < 100 mg/l
• DBO₅ < 40 mg/l

Ces différents résultats montrent que la dépollution de la gravière s’est déroulée étonnamment vite. Il était prévu une réduction de 70 à 85 % de DBO₅ en deux mois de fonctionnement continu, soit la destruction de 42,5 tonnes de DBO₅ pour une consommation de 160 × 24 × 60 = 230 400 kWh, ce qui représente 5,4 kW par kg de DBO₅ détruite, plus du double des normes en vigueur (2 kW consommés par kg de DBO₅ réduite). On peut évaluer la consommation réelle :

• du 15 juillet au 25 août, un tiers des équipements fonctionne, soit : 55 × 24 × 40 = 52 800 kWh
• du 25 août au 7 septembre, l’ensemble des équipements tourne, soit : 160 × 24 × 12 = 46 080 kWh

La consommation globale de la période du 15 juillet au 7 septembre est de : 52 800 + 46 080 = 98 880 kWh pour la destruction de plus de 96,5 % de la DBO₅, soit 48,95 tonnes. Le rendement épuratoire de l’ensemble est de 2,05 kW par kg de DBO₅ détruite. Le rendement épuratoire de l’ensemble est au moins égal aux systèmes classiques, mais avec une puissance spécifique de brassage réduite de 50 % (2,5 W/m³ au lieu de 5 W/m³).

Nos commentaires

Ce résultat est intéressant, mais dans le domaine du traitement des eaux usées il faut être très prudent.

GRAVIÈRE TOURNEBRIDE

Les 6 groupes d’aération tournent. Début aération. Les 2 agitateurs tournent.

Cependant, il illustre un phénomène que nous avons pu constater à maintes reprises sur d’autres installations de dépollution biologique par aération de tous types : avec les systèmes d’aération traditionnels (turbines rapides de surface, turbines lentes, insufflation d’air par compresseur, pont brosse, etc.), le brassage est un facteur limitant.

Ce constat amène une hypothèse de travail pour diminuer les puissances installées et consommées. En séparant la fonction brassage de la fonction aération, ne peut-on pas diminuer les puissances installées ; d’une part, la consommation d’autre part, et enfin le coût d’installation ?

• Dans le cas précédent, le matériel d’aération utilisé, s’il a des rendements analogues aux turbines rapides d’aération (environ 1 kg d’O₂ dissous par kW), se caractérise par des performances de brassage très élevées, du fait des vitesses horizontales en sortie de diffuseurs également très élevées (de l’ordre de 6 m/s). De plus, le débit de brassage a été multiplié par trois par l’installation d’agitateurs submersibles de très forte capacité (ce type d’agitateur permet, à titre indicatif, le brassage complet de bassins d’aération en aération prolongée, avec des puissances spécifiques de brassage de 5 à 10 W/m³). L’ensemble a permis ainsi de diminuer la puissance spécifique de brassage de 50 % avec un rendement épuratoire similaire aux systèmes traditionnels.
• Dans le cas d’aération prolongée, les besoins en oxygène sont assurés, par exemple, par des turbines lentes d’aération qui ont de très forts rendements en oxygénation (1,5 à 2 kg d’O₂ dissous par kW) mais qui nécessitent des puissances de brassage entre 30 à 40 W/m³ minimum ; or, le plus souvent, les besoins en oxygène sont assurés par 15 à 20 W/m³, voire moins.

Si l’on assure le brassage distinctement par des agitateurs submersibles de forte capacité…

nécessitant que 5 à 10 W/m³ (ce qui est maintenant possible), on aboutit à des puissances installées de 20 à 30 W/m³ total, soit une réduction de puissance de 25 à 30 %.

D’autre part, ce système permet de moduler au plus juste le temps de fonctionnement des turbines d’aération, en fonction des besoins en oxygène. Cette possibilité permet, d'une part de diminuer la consommation d’énergie, et d’autre part de mieux assurer le fonctionnement du bassin d’aération puisque l’on maîtrise distinctement le paramètre brassage et le paramètre aération.

– Dans le cas d’aération prolongée, les besoins en oxygène peuvent être assurés aussi par des diffuseurs fines bulles alimentés par compresseurs ; la puissance spécifique de brassage est alors du même ordre, ou supérieure à celle des turbines lentes du fait que pour assurer le brassage il faut tapisser le fond du bassin de diffuseurs et qu’il faut deux à quatre fois plus de diffuseurs pour assurer le brassage que pour assurer l’aération.

En séparant la fonction aération de la fonction brassage, les gains de puissance installée et de consommation d’énergie sont du même ordre que précédemment, voire supérieurs.

Ces quelques expériences et les questions qui en découlent ne nous permettent pas d’émettre des conclusions péremptoires, mais nous incitent à souligner qu’il y a là une voie permettant de diminuer très sensiblement les coûts d’installation et de fonctionnement des systèmes d’aération des stations d’épuration biologiques.

Les pompes à matières épaisses apportent une solution efficace pour l’évacuation des déblais de dragage

H.J. SPRINGER

Putzmeister - Werk (R.F.A.)

Le curage des rivières, bassins de port et d’autres plans d’eaux constitue une opération coûteuse qui, depuis quelques années, est soumise à des contraintes supplémentaires liées à la protection de l’environnement. En principe, les boues de rivière contiennent des matières organiques fertilisantes précieuses qui pourraient être utilisées en agriculture ou en exploitation forestière (dans l’Antiquité par exemple, les boues fertiles du Nil étaient à la base de toute une civilisation…). À notre époque, leur exploitation n’est plus guère possible, du fait qu’elles contiennent des taux de plus en plus élevés de métaux lourds et autres substances toxiques qui, assimilés par les plantes, peuvent ensuite avoir des effets nocifs dans l’alimentation humaine.

Dans beaucoup de cas, le dépôt à la décharge reste donc la seule solution envisageable ; cependant, ces boues présentent souvent une teneur en eau atteignant 60 %, ce qui interdit un épandage pur et simple en décharge. On est donc obligé soit de les assécher, soit d’y ajouter d’autres produits (chaux, ciment, cendres volantes) qui modifient leur consistance de façon à permettre l’opération. En général, les boues sont épandues dans des bassins d’asséchement pour diminuer leur teneur en eau.

Des essais ont également été entrepris avec des installations de déshydratation (utilisant par exemple des filtres à bande). Cependant, les corps étrangers contenus habituellement dans les boues posent alors de gros problèmes ; de plus, ces installations de déshydratation ne fonctionnent de façon vraiment efficace que lorsqu’on y ajoute de l’eau. Une grande partie des substances toxiques se retrouve alors dans les eaux d’essorage qui doivent ensuite subir un traitement d’épuration onéreux ; la raison principale pour laquelle cette méthode est peu utilisée est due au coût trop élevé du procédé.

Dans la majorité des cas, la boue est extraite du lit de la rivière à l’aide d’une drague, puis transportée sur barge jusqu’à la rive où elle est transférée sur camion au moyen d’une pelle mécanique.

La dilution des boues

On a généralement recours à ce moyen lorsqu’il s’agit de traiter des quantités importantes de boues. La boue est diluée en y ajoutant environ huit fois son volume d’eau, puis transportée au moyen de pompes centrifuges blindées. Il est impératif de respecter des vitesses d’écoulement élevées de 3 m/s minimum.