L'amélioration du transfert d'oxygène par circulation des boues activées dans les stations d'épuration

Si l'agitateur, le système d’aération et la forme du bassin sont optimisés, il est possible d’augmenter d’au moins 50 % le transfert d’oxygène.

Le parc national des stations d’épuration s’élevait en 1989 à 10 840 (non compris les stations de moins de 400 EH). Malgré ce parc important, des efforts considérables restent à entreprendre, dans le cadre de la directive du Conseil de la Communauté Européenne relative au traitement des eaux résiduaires, qui représente un outil majeur dans notre lutte pour la protection de l'environnement. En effet, une quarantaine d’agglomérations de plus de 10 000 EH ne sont toujours pas encore pourvues de station d’épuration et beaucoup de ces stations, aux performances modestes à ce jour, ne sont pas adaptées au niveau de traitement requis par la directive. D’autre part, le traitement des eaux pluviales n’en est qu’à ses premiers balbutiements...

Dans ce contexte, qui est un défi pour la protection de l’environnement, il va falloir concevoir, construire, mettre en œuvre et exploiter des stations d’épuration de plus en plus performantes, à des coûts de plus en plus compétitifs, dans un environnement européen. Heureusement, les procédés épuratoires sont en constante amélioration, avec l’évolution des technologies et des équipements, indispensables à chaque filière de traitement. Or, la technique d’épuration par boues activées représente 70 % du parc actuel des stations d’épuration et ce procédé biologique sera encore très longtemps utilisé grâce à sa facilité de mise en œuvre, à son niveau d’investissement optimisé par rapport à son coût d’exploitation, à sa souplesse d’adaptation et d’évolution dans le temps, mais à condition de ne pas être confronté à des variations très rapides de flux de pollution.

Le poste « Aération » de ce traitement biologique reste le plus gourmand en énergie : il représente en effet aujourd’hui 50 à 70 % des dépenses énergétiques d'une station d’épuration de taille moyenne (10 000 à 20 000 EH). Par une épuration plus poussée des matières carbonées, mais aussi avec le traitement de la pollution azotée et phosphorée, les besoins en oxygène progresseront au moins de 30 % au cours des prochaines années. L’amélioration du transfert d’oxygène dans le milieu aqueux, dans lequel la culture bactérienne est en suspension, devient ainsi un facteur primordial d’économie d’énergie pour optimiser le coût du traitement des eaux résiduaires. C’est un facteur sur lequel il est dorénavant possible d'agir grâce à l’évolution des équipements.

Les systèmes classiques d’aération utilisés jusqu’à ce jour présentent une double fonction : d'une part apporter aux micro-organismes des boues activées l’oxygène dont ils ont besoin, et d’autre part assurer une agitation, un mélange suffisant pour favoriser un contact intime entre les micro-organismes en activité, les éléments polluants et l’oxygène introduit. Or, pour assurer ces deux fonctions avec des équipements d’aération conventionnels, il est nécessaire, généralement, de mettre en œuvre des puissances spécifiques de l’ordre de 30 à 35 W/m³ pour des effluents urbains.

À ce titre, l'utilisation de l’air surpressé pour assurer l’oxygénation des boues activées est reconnue depuis longtemps comme une méthode efficace et performante, surtout lorsque cet air est diffusé en fines bulles dans la solution aqueuse : en effet, pour un volume d’air donné, la surface d’échange « air-liquide » et le temps de contact sont d’autant plus importants que l’air introduit est diffusé sous forme de bulles de 1,5 à 2 mm (tableau 1).

Le rendement de l’oxygénation est directement dépendant de la taille des bulles d’air diffusées. C’est ainsi qu’une fine bulle d’air (Ø 2 mm), prise isolément dans de l’eau claire, à pression atmosphérique normale, s’élève à une vitesse ascensionnelle de 0,23 m/s ; cependant, lorsque plusieurs milliers de litres d’air sont diffusés dans le liquide (par l’intermédiaire d’un tube ou d’un disque), il se produit un phénomène de coalescence (augmentation de la taille des bulles) et d’agglutination des bulles d’air entre elles sous forme de grappes, ce qui réduit de façon importante la surface interfaciale, et, par conséquent, les possibilités d’échange et de dissolution à l’oxygène (figure 1).

Par ailleurs, des courants de convection ver-

tiaux (plus connus sous le nom de « spiral flow »), qui se forment entre le fluide diphasique (air-eau) situé au-dessus des diffuseurs et le liquide de la zone non aérée, accélèrent la vitesse ascensionnelle des bulles d’air. Il faut donc compenser ces variations de vitesse ascensionnelle en créant une vitesse horizontale homogène et suffisante pour rétablir l’équilibre initial de surface d’échange entre l’air et les boues activées.

L’importance de la vitesse de circulation du liquide avait déjà été clairement mise en évidence par les études de A. Pasveer, S. Sweeris, R. Kayser et H. Popel. Ces études ont été, au cours de ces dernières années, poursuivies sur des pilotes, mais aussi en grandeur réelle. Elles font ressortir que la vitesse de circulation doit atteindre au moins 0,30 m/s pour obtenir un résultat positif sur le transfert d’oxygène.

Cette circulation horizontale du liquide diphasique a pour effet de limiter la coalescence, donc d’augmenter la surface d’échange, de limiter les courants de convection verticaux, de renouveler le film liquide autour des bulles d’air et de procurer un meilleur coefficient d’absorption de l’oxygène grâce à une bonne distribution des bulles d’air dans la masse du liquide.

Le procédé Schreiber avait, à son époque, permis d’atteindre des apports spécifiques bruts (en conditions standard) supérieurs à 3 kgO₂/kWh.

Au début des années 80, nous avons spécialement mis au point des agitateurs à grandes pales minces, plus connues sous le nom de « pales bananes » pour apporter une solution moderne, efficace et performante à l’homogénéisation des boues activées en présence de bulles d’air dans un bassin d’aération.

Il résulte des expériences réalisées que la vitesse de circulation horizontale ainsi mise en œuvre doit être supérieure à la vitesse ascensionnelle des bulles, mais elle est également fonction de la quantité d’air introduite par volume de liquide et de la profondeur d’immersion des diffuseurs. Par ailleurs, les études sur pilote, mais également dans des stations d’épuration récemment équipées, ont pu mettre en évidence l'effet de la vitesse de circulation sur le rendement de l’oxygénation.

Les différents résultats obtenus à ce jour mettent clairement en évidence l'effet de la vitesse de circulation sur le transfert d’oxygène et le fait qu'une vitesse minimale de 0,30 m/s est le seuil inférieur permettant d’obtenir un effet positif sur le transfert d’oxygène ; au-delà de 0,30 m/s, l'amélioration est exponentielle par rapport à la vitesse, en particulier dans les cas d'une couverture partielle du radier par les diffuseurs.

Nous devons également cette amélioration du transfert d'oxygène à une excellente homogénéisation des boues activées, laquelle favorise le renouvellement du film liquide à la surface des bulles d’air et procure un coefficient plus élevé d’absorption de l’oxygène.

En revanche, l'effet de la vitesse de circulation peut, dans certains cas, être négatif si l'on se situe dans une plage de vitesse comprise entre 0,15 à 0,20 m/s, ce qui se traduit par une diminution du transfert d’oxygène par rapport aux valeurs nominales du système d’aération en l’absence d’une circulation horizontale.

L’amélioration et l’optimisation des performances du bassin d’aération ne sont possibles qu’en prenant en considération les principales composantes qui participent au transfert d’oxygène : comme on le verra ci-après, il s'agit de l'agitation, de l’équipement d’aération et, bien entendu, des formes géométriques de l'ouvrage.

Les agitateurs à pales « bananes »

Les agitateurs à pales bananes ont été spécialement conçus en vue de la circulation de boues activées dans les bassins d’aération. Le mobile d’agitation qui en est l’élément primordial résulte de plusieurs années de recherche et de modélisation par CAO (Conception Assistée par Ordinateur). Constituée de deux pales au profil hydraulique optimisé, ce mobile d’agitation breveté est très connu sous son qualificatif de pales « bananes ». Le rapport du coefficient de portance sur le coefficient de traînée (Cz/Cx) caractérisant sa finesse aérodynamique est excellent. Ce résultat est obtenu par la qualité de son profil géométrique. On peut remarquer à ce sujet :

• • la forme effilée de la pale, du moyeu à son extrémité, ce qui permet de réduire le couple résistant ;
• • le bord d’attaque arrondi vers l’arrière qui limite au maximum les courants parasites et favorise un écoulement régulier du liquide dans l’environnement immédiat de la pale ;
• • la cambrure régulière de la pale (obtenue par moulage) qui contribue également à l’amélioration de l'écoulement du liquide au travers du mobile d’agitation ;
• • le pas variable de l’axe à son extrémité qui compense les différences de vitesses linéaires en tout point de la pale et la rend autonettoyante en présence de fibres ou de filasses.

Par sa poussée uniforme sur le liquide, ce mobile génère un minimum de cisaillement (en particulier en bout de pale) et une excellente répartition du champ de vitesses du courant dans la section du bassin, autant de facteurs très favorables à une bonne cohésion des boues.

L’installation de chaque agitateur est, en général, prévue sur le système de guidage Para-Lock® qui a fait ses preuves depuis plus de cinq ans en Allemagne et aux États-Unis, dispositif constitué de deux barres de guidage parallèles et verticales sur lesquelles l’agitateur coulisse très facilement grâce à une glissière revêtue de téflon comportant une butée d’arrêt équipée de silent-blocs en caoutchouc.

Ces dispositions offrent les meilleures garanties de fonctionnement en maintenant l’agitateur dans une position fixe et prédéterminée et en protégeant ainsi les pièces mécaniques tournantes contre une fatigue prématurée qui serait due aux vibrations. Elles permettent également de sortir ou d’installer l’agitateur sans vidange du bassin.

L’équipement d’aération, une conception ingénieuse

Les systèmes d'aération par insufflation d’air et diffuseur « fines bulles » sont réputés pour

leurs performances d’oxygénation très supérieures à celles des aérateurs mécaniques de surface.

Si pendant de nombreuses années ces systèmes ont connu des problèmes de colmatage et de maintenance avec l'utilisation de céramique et de poreux, aujourd’hui, avec l’arrivée de nouveaux matériaux à base d’élastomère et une mise en œuvre beaucoup plus élaborée, il est possible d’obtenir un excellent rendement d’oxygénation associé à une très bonne fiabilité dans le temps avec les diffuseurs d’air du type Sanitair®

Ce diffuseur est constitué par un disque convexe à membrane souple en élastomère, comportant :

• un support à souder ou à coller sur un tuyau PVC, ou à fixer sur un tuyau en acier ;
• un disque convexe favorisant la distribution de l'air au travers de la membrane et faisant office de clapet antiretour pour le liquide ;
• une membrane circulaire souple en élastomère (EPDM), mécaniquement très résistante, perforée de micro-fentes en forme de valvules ;
• un anneau à visser permettant la fixation de la membrane sur le disque.

Le débit de l’air diffusé est le facteur le plus important à prendre en compte dans un tel dispositif : dans ce cas particulier, le débit optimum est compris entre 2 à 3 Nm³/h par diffuseur. Le nombre des diffuseurs par bassin (ou, en d'autres termes, le débit d’air introduit par mètre cube de liquide) a une incidence directe sur le rendement de l’oxygénation, mais aussi sur la remise en suspension des boues décantées situées entre les diffuseurs (par l'effet de spiral flow) lors d'un fonctionnement discontinu de l’alimentation en air

Ces différents paramètres doivent être pris en compte lors de l’installation. Pour les optimiser, nous avons élaboré un logiciel de calcul (Sanit®), qui détermine le nombre et la répartition des diffuseurs dans l’ouvrage, le rendement d’oxygénation, le débit nominal d’air par diffuseur et le calcul des pertes de charge de l’écoulement de l’air à prévoir dans la totalité de l'équipement d’aération immergé. Il ne reste qu’à choisir le surpresseur de manière à obtenir une valeur optimale de l’ASB (apport spécifique brut) (kgO₂/kWh).

La forme et les dimensions de l’ouvrage

La configuration hydraulique du bassin et son état de surface sont très importants puisqu'ils génèrent directement des contraintes d'écoulement du liquide, qui se traduisent par des pertes de charge singulières et linéaires. Pour ces mêmes raisons, les dimensions de l’ouvrage interviennent en ligne de compte, l'objectif étant d’obtenir une distribution homogène du champ de vitesse sur la section du bassin ; c’est pourquoi des formes de types annulaire ou chenal sont vivement conseillées.

Dans le cas de forme oblongue, il faut privilégier la partie rectiligne pour installer le système d’aération, compte tenu de l’écoulement, qui y est plus homogène.

Pour améliorer l’écoulement hydraulique des parties courbes, les bassins en forme de chenal doivent comporter des guides-flux centrés (si possible prolongés), au niveau desquels l'état des surfaces doit être particulièrement soigné. Il est aisé de démontrer par un calcul hydraulique que l’absence de guides-flux entraîne un accroissement de puissance spécifique d’agitation de l’ordre de 30 %.

Pour atteindre des résultats précis dans le dimensionnement d’un équipement d’agitation, nous avons mis au point le programme expert Mids® (Mixing Design System), qui permet de déterminer rapidement, dans les règles de l’art, un système d’agitation prenant en compte toutes les données nécessaires à l’optimisation d’un bassin d’aération.

Parmi les plus importantes, on trouve :

• la vitesse de circulation des boues,
• la surface des diffuseurs,
• le débit d’air insufflé,
• la densité des diffuseurs par mètre carré,
• la forme et les dimensions de l’ouvrage,
• les caractéristiques des boues.

On détermine également l’implantation et le positionnement des agitateurs en fonction de la forme hydraulique de l’ouvrage et de l’équipement d’aération à y installer.

Pour obtenir un effet de pompage suffisant, la section balayée par les pales des agitateurs doit correspondre à 30 % environ de la section du bassin, ce qui amène à regrouper les agitateurs plutôt que de les répartir dans l’ouvrage, la distance par rapport aux diffuseurs devant être suffisante pour éviter les perturbations entre les écoulements d’air verticaux turbulents et l’écoulement horizontal des boues activées.

L’expérience acquise dans ce domaine résulte de l’installation de plus de 5 000 agitateurs à pales « bananes » en fonctionnement sur le plan mondial. Il est aussi possible aujourd'hui de mesurer l’efficacité du couple « agitateur-bassin » à l’aide du ratio Vm³/Ps, où Vm représente la vitesse moyenne d'écoulement (cm/s) sur la section du bassin et Ps la puissance dissipée par unité de volume (W/m³), qui correspond à la puissance spécifique d’agitation (caractérisant la rugosité globale de l’ouvrage).

Pour illustrer ces propos, nous prendrons ci-après deux exemples de stations d’épuration construites récemment et équipées chacune de diffuseurs à membrane souple et d’agitateurs à pales « bananes ».

Station d’épuration de Montereau (77)

C'est une station d'épuration à boues activées à faible charge, d'une capacité totale de 8 000 à 16 000 EH.

Le bassin d’aération est de forme annulaire avec, en partie centrale, le clarificateur. Sa capacité est de 1 460 m³. Il est équipé de 360 diffuseurs à membrane souple répartis sur

Tableau I

Apports spécifiques bruts en eau claire de divers systèmes d’aération

A.S.B. en kgO2/kWh absorbés

Source : CEMAGREF.

Tableau II

Station d’épuration de Montereau. Résultats des essais d’aération et d’agitation réalisés par le Cemagref

Tableau III

Station d’épuration de Troyes. Résultats des essais d’aération et d’agitation réalisés par le Cemagref

10 châssis relevables et de deux agitateurs assurant la circulation des boues (figure 7).

Sur cette station*, il a été possible de conduire plusieurs séries d’essais, en collaboration avec le Cemagref et l’Entreprise Industrielle, au cours desquels l’objectif a été de mesurer l’effet de la vitesse de circulation sur le transfert de l’oxygène.

Les principaux résultats sont récapitulés sur le tableau II.

Les résultats d’apport horaire sont directement liés à la vitesse de circulation. Lors de ces essais, l’effet positif des agitateurs a été clairement mis en évidence sur le transfert d’oxygène. Dans cette installation, les agitateurs contribuent à une amélioration de 50 % de la capacité d’oxygénation, par rapport à une vitesse moyenne de l’eau de 0,32 m/s.

Station d’épuration de Barberey-Troyes (10)

Il s’agit d’une station à boues activées à faible charge et digestion anaérobie de boues primaires et biologiques**, d’une capacité à terme de 300 000 EH où le relevage en tête est assuré par quatre vis d’Archimède qui répartissent l’effluent dans deux chenaux d’oxydation de forme oblongue.

Chaque chenal, d’une capacité de 5 480 m³, possède une longueur développée moyenne de 130 m pour une surface de 1 350 m². Il présente un bon rapport entre les zones aérées et non aérées pour réaliser, dans le même ouvrage, une nitrification et une dénitrification satisfaisantes pour atteindre la norme de rejet e.NK2 (figures 8 et 9).

Compte tenu de la capacité des ouvrages, les mesures d’oxygénation ont été effectuées avec des agitateurs assurant une vitesse moyenne de circulation de 0,35 m/s.

Les résultats de ces mesures sont regroupés dans le tableau III.

Il apparaît que le couple « aération par disque à membrane souple et agitateur à pales bananes » a donné les meilleurs résultats enregistrés, à ce jour, par le Cemagref.

On voit que l’apport spécifique brut, qui atteint 3,93 kgO2/kWh n’est jamais inférieur à 3,44 kgO2/kWh. Par ailleurs, le rapport Vm²/Ps, supérieur à 480, est excellent.

Ces résultats, obtenus dans les conditions standard de fonctionnement des bassins d’aération, qui sont exemplaires, résultent d’une étroite collaboration engagée tout au long du projet entre le concepteur de la station et les constructeurs des ouvrages et des équipements. Dans les années à venir, cette entente (du type partenariat) devrait s’engager dans l’établissement des projets, pour réaliser des stations de plus en plus performantes optimisant l’investissement et les coûts d’exploitation dans un climat de compétitivité européenne.

* Concepteur/installateur : L’Entreprise Industrielle.

** Concepteur/installateur : SOGEA.