L'aération des boues activées dans les bassins profonds : l'aérateur statique Dipair

Société Degrémont

Les bassins d’épuration biologique à « boues activées » doivent être équipés de systèmes d’aération, qui remplissent un double rôle :

— apporter aux micro-organismes aérobies, sous forme dissoute, l’oxygène dont ils ont besoin,

— provoquer un brassage suffisant pour maintenir un mélange homogène de l’eau et des matières en suspension en assurant un contact intime entre le milieu vivant et les éléments polluants.

L’efficacité de l’aération peut être appréciée à l’aide des critères suivants :

— capacité d’oxygénation CO (en gO₂ par h·m³ de bassin),

— apport spécifique (en kgO₂ par kWh consommé),

— apport horaire (en kgO₂/h),

— rendement d’oxygénation, représentant le pourcentage de la masse d’oxygène effectivement dissoute par rapport à la masse d’oxygène insufflée (critère réservé aux systèmes à insufflation).

L’intérêt des bassins d’aération profonds

Les bassins d’aération à boues activées présentent généralement une profondeur voisine de 4 mètres. La recherche de l’amélioration de la qualité de l’eau épurée impose des volumes de bassin importants, notamment en ce qui concerne l’élimination de la pollution azotée ; de tels ouvrages peuvent nécessiter des surfaces d’implantation excessives.

La mise en œuvre de bassins nettement plus profonds, avec 8 à 10 m de hauteur liquide et au-delà, réalisables à des coûts raisonnables grâce aux techniques modernes de construction, présente deux avantages de base :

— gain de place,

— réduction de la surface de couverture en cas de réalisation de bassins fermés.

Cette dernière disposition peut être souhaitée dans le cas d’effluents chargés de solvants ou de produits volatils malodorants (d’autant qu’un traitement de l’air rejeté est favorisé par un débit relativement limité — voir ci-dessous).

L’aération des bassins profonds

La forme de ces ouvrages incline à l’utilisation de systèmes à insufflation, en permettant l’obtention d’un rendement d’oxygénation élevé grâce :

— à la grande hauteur liquide : le rendement d’oxygénation croît avec la profondeur d’insufflation,

— à la relativement faible surface : elle autorise sans coût excessif une répartition homogène de l’insufflation de gaz, « en plancher » sur tout le fond de l’ouvrage, ce qui favorise une bonne diffusion des bulles dans toute la masse liquide.

Les bassins d’aération profonds sont généralement équipés de diffuseurs d’air placés au fond de l’ouvrage. Leur grande hauteur assure un temps de contact important des bulles d’air avec la phase liquide et une forte pression partielle d’oxygène dans l’air insufflé, qui augmente la « force motrice » de dissolution de l’oxygène dans l’eau (loi de Fick). Par rapport à un bassin de plus faible profondeur, pour une même quantité d’oxygène dissous, le débit d’air à injecter sera plus faible, ce qui est un avantage notable dans le cas où le traitement ou le transport de l’air rejeté est souhaité. D’autre part, la réduction des débits d’air à injecter permet d’envisager plus aisément la mise en œuvre de compresseurs à haut rendement, mais plus coûteux.

Les aérateurs appropriés

Les bassins profonds étant souvent utilisés sur des effluents résiduaires industriels, il est souhaitable que les diffuseurs d’air soient de conception très robuste et ne présentent aucun risque de corrosion.

Dans les bassins profonds, l’incidence sur le transfert d’oxygène de la dimension des bulles de gaz à l’émission est moins sensible que pour des hauteurs liquides classiques, ceci par suite de la tendance à une certaine coalescence des « fines bulles », alors que des « grosses bulles » sont plutôt sujettes à dislocation, de telle sorte que pour de très grandes hauteurs, les différences de rendement énergétique entre ces deux modes d’insufflation s’atténuent. Il est donc compréhensible que dans les bassins profonds, on se contente souvent de diffuseurs ne permettant pas à l’émission une division très fine des bulles.

Tel est le cas des aérateurs dits « statiques » fréquemment proposés pour ces types d’ouvrages. Dans ces aérateurs, l'air insufflé par de simples orifices calibrés transite avec un certain débit liquide à travers un tube mélangeur vertical, dans lequel on favorise des effets de turbulence pour créer une émulsion ensuite libérée dans la masse liquide. Le tube mélangeur est le plus souvent muni de chicanes intérieures de formes diverses.

Ces appareils présentent fréquemment les inconvénients d’une faible dispersion du gaz dans la masse liquide, à cause d’une montée rapide en « torche » de l’émulsion éjectée rapidement et verticalement du tube mélangeur, et d’un risque de réduction du débit liquide dans le tube par suite d’obstructions partielles des chicanes intérieures.

Un nouvel aérateur statique : le Dipair

Les deux inconvénients cités ci-dessus sont évités dans l’aérateur statique Dipair (brevet Degrémont), qui présente par ailleurs des capacités de brassage et d’oxygénation supérieures à celles habituellement obtenues sur ce type de diffuseur.

Cet aérateur statique (figure 1), capable d'un débit gazeux variable entre 20 et 60 Nm³/h environ, présente deux dispositions originales essentielles :

• — un tube émulseur de 250 mm de diamètre, à intérieur entièrement libre, dans lequel l’effet d’air-lift non freiné assure un débit pompé maximal,
• — une cloche supérieure, dans laquelle une intense turbulence assure le cisaillement et la dispersion des bulles.

La cloche supérieure assure d’autre part une inversion du sens du flux de l’émulsion, qui en sort verticalement vers le bas, avec pour avantages :

• — une redescente non négligeable des bulles et une augmentation sensible de leur durée de séjour dans l’eau,
• — une répartition des bulles en profondeur et sur une grande surface autour de chaque aérateur, ce qui favorise leur dispersion dans la masse et l’homogénéisation de cette dernière.

Les aérateurs sont répartis, à espacements réguliers, sur le fond horizontal du bassin. L’alimentation en gaz est réalisée par des tuyauteries horizontales alimentant chacune une file d’appareils.

La tuyauterie traverse chaque pied d’aérateur, qui comporte un dispositif permettant son réglage en hauteur et sa fixation. Un orifice calibré, percé à l’aplomb de l’axe de l’aérateur sur la génératrice inférieure de la tuyauterie, assure le débit gazeux nécessaire en créant une perte de charge d’équirépartition.

Le diamètre de cet orifice (entre 15 et 20 mm) est suffisant pour éviter tout risque d’obstruction, même en cas de syncopage du débit d’air.

L'air sortant de l’orifice calibré s’engouffre dans le tube vertical de l’aérateur où se forme une émulsion génératrice d'une charge motrice importante. L’eau pompée par l'effet « d’air-lift », et l'air transitent dans le tube, puis dans la cloche.

Le transfert de l’oxygène sous forme dissoute s’effectue efficacement :

• — dans le tube, par effet de mise en émulsion,
• — dans la cloche, grâce à la forte turbulence,
• — enfin dans la masse liquide pendant la remontée des bulles : on conçoit que la sensible augmentation du temps de séjour de celles-ci dans l’eau, principalement dans les couches profondes du fait de l’inversion du flux, aide à l’obtention des excellents résultats de l’appareil.

La figure 2 donne le rendement d’oxygénation du Dipair, dans les conditions nominales, c’est-à-dire :

• — en eau pure,
• — à 10 °C,
• — pour une pression atmosphérique de 760 mm Hg,

en fonction de la capacité d’oxygénation en gO₂/h par m³ de capacité du bassin et pour différentes profondeurs liquides de l’ouvrage. On a indiqué pour information les puissances spécifiques approximatives en W/m³ de capacité d’ouvrage (en estimant la puissance absorbée par un surpresseur Roots de rendement moyen pour la compression de l’air).

Une série d’essais, effectués à différentes profondeurs (4 m – 6 m – 8 m), au Centre expérimental de Colombes par les Services techniques de la ville de Paris, a permis de recouper correctement les valeurs annoncées.

L’appareil statique ne présente aucun risque d’usure et est particulièrement résistant à la corrosion.

Le tube émulseur et la cloche supérieure (fabriquée par injection) sont réalisés entièrement en polypropylène de forte épaisseur, avec assemblage par polyfusion contrôlée. La fixation des pieds supports en acier inoxydable sur le tube émulseur évite toute contrainte ponctuelle préjudiciable. La tenue mécanique de l'ensemble est sécuritaire et insensible aux efforts hydrodynamiques engendrés par toute émulsion air/eau.

Un exemple d’application :

Le nouvel aérateur statique fonctionne déjà à quelques milliers d’exemplaires. Un exemple en est fourni par les Dipairs installés dans un bassin de 9 m de profondeur réalisé sur une importante station d’épuration d’eaux résiduaires industrielles du Nord de la France.

Cette usine fabrique de la lysine, acide aminé facteur de croissance de l’organisme, en vue en particulier de l'alimentation du bétail.

Les eaux résiduaires, d'un volume journalier de 7 000 m³, représentent une population équivalente de l'ordre de 200 000 usagers.

Le traitement porte sur l'élimination de la pollution carbonée et azotée, avec les garanties suivantes, largement obtenues :

• DBO₅ : 30 mg/l,
• MES : 30 mg/l,
• N de NH₄ : 10 mg/l,
• N de NO₃ : 100 mg/l.

Il s'effectue par voie biologique aérobie, selon le principe de nitrification-dénitrification avec zone d’anoxie en tête, dont l'efficacité a été démontrée lors d’essais-pilotes.

La station d'épuration, réalisée en plusieurs tranches en fonction de l'évolution de la production, fonctionne actuellement suivant le schéma de la figure 3.

Le bassin d'aération profond, circulaire à fond plat, a pour caractéristiques :

• capacité : 7 700 m³,
• diamètre : 33 m,
• hauteur liquide : 9 m.

Les besoins en oxygène (calculés) imposent un apport nominal d’oxygène pour ce bassin de 1 530 kg O₂/h, soit une capacité d’oxygénation nominale dans le bassin de 199 g O₂/h par m³ de capacité. Compte tenu d’un rendement d’oxygénation des aérateurs statiques Dipair de 29 % dans les conditions d'installation, et d’un poids de 300 g d’oxygène par Nm³ d'air, le débit d’air à insuffler ressort à 417 600 Nm³/h environ.

Le bassin est équipé de 370 Dipairs disposés en plancher. Les aérateurs sont alimentés par un réseau de distribution d’air en fond d’ouvrage, réalisé en polypropylène, avec nourrices principales DN 250 mm et ramifications DN 100 mm.

L’air surpressé est fourni par deux groupes compresseurs centrifuges mono-étagés Helsingor Turbo à diffuseur variable, à régulation de débit continue — pression différentielle 10 mCE — débit aspiré unitaire 4 050 à 9 000 Nm³/h — moteurs 315 kW.

Le débit d’air est automatiquement réglé pour maintenir la teneur en oxygène dissous désirée dans la boue activée (mesure in situ par sonde électrochimique).

L’installation donne toute satisfaction depuis sa mise en service en 1983.

La station de traitement d’eau potable de Louveciennes

Voici cinq années écoulées depuis la création d'un syndicat d’études qui a groupé vingt communes des départements des Yvelines et des Hauts-de-Seine, et auquel a succédé le Syndicat intercommunal pour la gestion du Service des eaux de Versailles et Saint-Cloud.

Il s'agissait de prendre la succession de l'État dans la production et la distribution de l'eau potable destinée à satisfaire les besoins de 320 000 habitants, jusqu'alors assurée par le Service des eaux et Fontaines de Versailles, Marly et Saint-Cloud, lointain héritier du service mis en place par Louis XIV pour alimenter en eau le château de Versailles et ses grandes eaux...

Depuis longtemps déjà l'État, faute de moyens financiers, n’avait pu assurer sa tâche et aussi bien la capacité des installations, la qualité de l'eau, la sécurité de la distribution comme sa continuité ne répondaient plus aux nécessités. C’est sur divers points que l’action du syndicat s’est exercée, après avoir désigné un concessionnaire associant les trois grandes sociétés spécialisées de l'eau potable et un ingénieur-conseil, maître d'œuvre et contrôleur de gestion, le cabinet d'études Marc Merlin.

Un programme de travaux d’un montant de 250 MF a été réalisé en première urgence, comprenant :

• l'augmentation de la sécurité de l’approvisionnement par la réalisation, dès 1980, d’une nouvelle traversée de la Seine à Bougival et la création d'une importante interconnexion avec le Syndicat des communes de la banlieue de Paris pour les eaux par la pose de plus de 7 500 m de conduite de 600 mm de diamètre entre les réservoirs des Hubies et de Saint-Cloud ;
• l'amélioration de la qualité de l'eau en remplaçant, dès la première année, le sable des anciens filtres par du charbon actif en grains ;
• l'amélioration du réseau de distribution : à ce titre, des canalisations anciennes ou vétustes ont été remplacées ou renforcées sur près de 50 km.

Simultanément s’organisait et se développait la construction de l'usine de traitement des eaux de Louveciennes qui vient d’être inaugurée le 5 mai dernier par M. Paul-Louis Tenaillon, Président du Syndicat.

L'usine de Louveciennes

Le service des eaux dessert 320 000 habitants avec 930 km de canalisations.