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Les trois usines sont alimentées à partir d'eau de rivière : l'Oise, la Marne et la Seine, plus ou moins chargées en matières en suspension (matières argileuses ou silico-argileuses). Dans le traitement de potabilisation, les matières en suspension représentent plus de 95 % des dépôts dans les ouvrages de décantation, le reste étant retenu lors de la filtration sur sable.
Les boues déposées dans les décanteurs étaient dans le passé restituées au milieu naturel lors des vidanges biannuelles des ouvrages ; aujourd’hui, dans un souci de protection de l’environnement, le SEDIF et la Compagnie Générale des Eaux ont engagé avec l’aide de l’Agence Financière de Bassin Seine-Normandie un programme d’équipement des trois usines par des stations de traitement des boues.
À Choisy-le-Roi, le procédé de traitement a été choisi : épaississement avec polyélectrolyte suivi d’un pressage par filtre-presse avec adjonction de chaux pour la formation de gâteaux évacués par camions. Cette technique permet de traiter un flux important (10 000 t/an de matière sèche) dans un encombrement réduit.
À Neuilly-sur-Marne, la modernisation des installations actuelles est à l’étude ; les options à prendre pourraient s’appuyer sur les résultats présentés dans cet article.
À Méry-sur-Oise, les quantités de boues obtenues sont plus faibles (1 000 t/an de matière sèche), en raison de la présence d'un bassin de stockage situé en amont de l’usine et de la capacité de production moindre ; compte tenu des disponibilités de terrain il a été possible d’envisager une autre technique : celle des lits de séchage drainés.
Des essais réalisés en 1985 ont montré qu'une déshydratation sur un pilote de 4 m² et 2 m de hauteur permettait d’obtenir des résultats intéressants (siccité, élimination des MES des eaux surnageantes), ce qui a permis de définir les caractéristiques d’un lit de séchage prototype de 2 500 m² et les conditions d’exploitation d'un tel ouvrage. L’Agence de Bassin a subventionné une partie de la réalisation du prototype et le suivi des premières campagnes de fonctionnement. Nous présentons ici les modalités de réalisation du prototype industriel et les résultats des premiers suivis, avec les principales conditions de fonctionnement et de surveillance.
Description
Le lit de séchage a été construit en bordure de l’Oise (figure 1) sur un terrain disponible dont l’altitude moyenne s’établit à 25,00 m NGF et donc à l'abri des inondations. Le radier du bassin, situé à cette cote, est ainsi protégé des inondations, ce qui est nécessaire en raison même de la fonction de l'ouvrage. Il représente une surface de 2 500 m² (100 m × 25 m). La capacité de l'ouvrage est d’environ 5 500 m³ pour un plan d’eau fixé à 27,00 m NGF.
La retenue des eaux est assurée par un talus périphérique de 2,20 m de hauteur (figure 2), de section trapézoïdale, de pente 1/1, à l’exception de la zone d’accès pour les véhicules de chantier, en particulier ceux nécessaires aux opérations de curage, où la pente est réduite à 1/8. Une voie piétonnière de service, large de 2 m, est aménagée à la partie supérieure du talus. La face intérieure de ce dernier est revêtue d’un béton projeté de protection.
Le radier du lit comporte deux pentes d’environ 1 % vers son axe longitudinal, le long duquel un drain de diamètre 200 mm, enrobé de sable filtrant, est installé dans un caniveau en béton offrant une pente de 0,5 % vers l’exutoire. Cet équipement est destiné à assurer l’égouttage des boues en fin de cycle, à faible débit d’extraction, par ouverture appropriée de la vanne d’arrêt.
Dans l’emprise du talus périphérique, six chambres en béton armé, destinées à recevoir les vannes déversantes, ont été construites. Chaque ouvrage comporte en façade intérieure trois ouvertures étagées recevant les vannes murales à ouverture inversée (figure 3). De la sorte, en fonctionnement normal, l’évacuation des eaux surnageantes, après sédimentation naturelle des boues dans le lit, s’opère en abaissant progressivement les 18 vannes jusqu’au niveau de l’interface eau-boue. Le surnageant recueilli dans les chambres s’écoule vers un égout à partir d’un collecteur de diamètre 250 mm.
Construction
Radier
Après décapage, nivellement du terrain naturel et réalisation des formes de pente, le fond du lit a été compacté à l'aide d'un rouleau vibrant de manière à obtenir une densité de compactage de 95 % de l'optimum de l'essai Proctor modifié. Le creusement de la tranchée et la confection du caniveau destiné à recevoir le drain ont été ensuite effectués.
Talus périphérique et rampe d'accès
En premier lieu, les collecteurs de diamètre 250 mm ont été mis en place avec une pente de 0,5 % dans une tranchée de faible profondeur, remblayée avec les terres d'extraction dépourvues de pierres.
La constitution du talus et de la rampe d'accès s'est opérée par mise en place de terre d'apport ordinaire compactée par couches minces à l'aide d'un rouleau compresseur vibrant de manière à obtenir, comme pour le radier, une densité de 95 % de l'essai Proctor modifié.
L'ouvrage définitif ainsi construit offre une section trapézoïdale dont les dimensions s'établissent à 4,00 m et à 2,00 m, respectivement pour les parties inférieures et supérieures, avec une hauteur de 2,20 m.
La protection de la face intérieure du talus a été réalisée, après construction des chambres et réglage soigné des versants, par la mise en œuvre d’un béton projeté, d'une épaisseur de 15 cm, sur un treillis soudé.
La rampe d'accès a été dotée d'une piste bétonnée d'une largeur de 4,00 m destinée à faciliter l'évolution des véhicules de transport et des engins de chargement des boues.
Chambres
Ces ouvrages ont été réalisés à l'issue de la confection du talus. Il était techniquement difficile de conduire un compactage satisfaisant du remblai en présence des ouvrages préalablement établis : c'est pourquoi il a semblé préférable de procéder, a posteriori, au terrassement des emplacements nécessaires à l'édification des chambres. Le remblai complémentaire, autour des ouvrages, a été effectué après réalisation de murs en retour, destinés au raccordement du talus et à son maintien.
Dispositif d’exhaure et de refoulement des boues
Pour ce premier ouvrage, on a utilisé un regard raccordé à l'égout de vidange des décanteurs, d'un diamètre 600 mm. Ce regard a été équipé d’une pompe immergée provisoire, raccordée à une canalisation en acier de diamètre 300 mm, dimensionnée pour alimenter deux lits de séchage. Cette conduite, en partie enterrée, est posée au droit du lit sur la piste d'accès à partir de laquelle sont manœuvrées les trois vannes de sortie de diamètre 150 mm.
Méthodologie et suivi du remplissage du lit de séchage
L'usine de Méry-sur-Oise comporte six décanteurs dont trois sont équipés de purges automatiques de boues. Trois ouvrages de décantation ont servi au remplissage du bassin ; seul le dernier ne possédait pas de système automatique de purges.
Le drain central du lit a été isolé, plein d'eau, avant toute opération, ceci afin de se prémunir contre un éventuel colmatage lors de la phase de remplissage.
Remplissage
Il n'a pas été possible d'installer un enregistreur de débit à la sortie de la pompe de refoulement des boues avant leur introduction dans le bassin. Aussi avons-nous dû placer une échelle de niveau graduée tous les 5 cm pour repérer la hauteur à chaque prélèvement de liquide toutes les 30 minutes.
Le calcul de l'aire du lit nous a permis de tirer la formule du volume cumulé :
V = f(h) V = 2 557,6 h + 188,7 h² (V en m³, h en m).
Avec les analyses de matières sèches provenant des prélèvements nous avons pu réaliser la courbe de concentration de l'afflux de boues en fonction du volume cumulé : C = f(V) (figure 4). L'intégration de l'aire de ce graphe nous a donné la masse totale de matières sèches entrées dans l’ouvrage, soit 95 t environ.
Comme prévu, compte tenu de l'impossibilité de remplir en une seule fois le bassin avec les trois décanteurs, il a été procédé à trois remplissages successifs avec 48 h de décantation intermédiaire avant élimination du surnageant.
Évacuation du surnageant
L'eau surnageante a été évacuée par abaissement de 5 cm des vannes pelles toutes les 30 min, afin de ne pas dépasser le débit maximum enregistrable. Des prélèvements moyennés automatiques d'eau rejetée en rivière ont été effectués pour vérifier la conformité de leurs teneurs en MES avec la norme (30 mg/l) (figure 5).
Le surnageant provenant des deux premiers décanteurs contenait en moyenne 15 mg/l de MES ; celui du troisième décanteur comportait encore 45 mg/l de MES après six jours de décantation (figure 6) : ceci est dû à la nature des boues issues de cet ouvrage non équipé de purges automatiques.
La quantité de matières sèches rejetées dans le milieu naturel fut de 300 kg, masse négligeable devant les 95 t retenues dans le bassin. Le rendement d'un tel procédé est ainsi de 99,7 %.
Drainage
Le drain étant rempli d’eau, à l’ouverture, le débit du drainage a été volontairement limité à 1 m³/h. Le drainage s'est avéré efficace : de 120 l/h en moyenne au départ il s'est stabilisé en vingt jours autour de 50 l/h. Le drain n’a pas été colmaté. Après des pluies importantes (17 mm/j et 33 mm/j) le débit a rapidement augmenté pour retrouver en 48 h son débit moyen.
Remarques :
Parallèlement à l’enregistrement du débit de soutirage d'eau, le niveau de la nappe phréatique a été contrôlé au moyen d’un piézomètre afin de s’assurer de sa non-interférence avec le drainage.
Avant l’ouverture du drain, un quadrillage de prélèvements a été effectué dans le lit pour mesurer la hauteur et la siccité aux différents endroits. En connaissant la concentration en matières sèches et la hauteur il est ainsi possible de calculer la masse totale de boues injectées. La concentration en matières sèches a pu être évaluée à partir de la siccité à l'aide de la formule :
C = 18 000 S / (1 800 − 8 S) (C en g/l, S en %)
(les matières sèches peuvent être assimilées à de l'argile d = 1,8).
Le calcul de la masse totale de matières sèches introduites dans le bassin donne 104 t. Cette méthode de mesure de masse injectée est préférable à celle effectuée par prélèvements toutes les 1/2 h sur les boues entrantes. Sa mise en œuvre est plus légère en temps et la précision du résultat (10 %) est largement suffisante compte tenu du niveau d’évaluation recherché. De plus cette méthode apporte une estimation de la répartition de la boue sur toute la surface du lit.
Contrôle de la siccité et performances
Deux campagnes de déshydratation ont été conduites depuis la réalisation de ce lit de séchage prototype, l’une en hiver, de janvier à mars 1989, et l’autre en été, de juin à août 1989.
1ʳᵉ campagne
Elle avait pour but de vérifier au stade industriel certaines données des essais préliminaires : nécessité de mise en œuvre d’un fond drainant, définition des conditions d’exploitation (ex. : remplissage)… Le fond du lit a été recouvert sur une moitié longitudinale, drain compris, de 5 cm de gravier de 6 à 10 mm, l’autre moitié n’étant pas équipée de couche drainante.
La vidange de trois décanteurs a permis d’introduire dans le bassin 95 t de boue, soit un flux moyen de 38 kg/m². Après élimination des eaux surnageantes et vérification à l'aide d’un piézomètre du niveau de la nappe sous-jacente, le drain a été ouvert. La siccité de la boue a été suivie en différents endroits à chaque extrémité du lit, à raison de deux à trois prélèvements mensuels. Ces prélèvements ont été réalisés en pénétrant à l'intérieur du lit d’environ 2 m, afin de limiter les éventuels effets de parois.
La figure 8 présente les résultats obtenus après 60 jours de drainage et montre que la mise en place d'une couche drainante est absolument nécessaire à l’obtention d'une siccité acceptable. En effet, seule la moitié recouverte de gravier a donné un résultat satisfaisant, un matériau pelletable d'une siccité d’environ 20 %, permettant son enlèvement par bulldozers et camions bennes. Le gâteau obtenu d’environ 20 à 25 cm présentait des fractures importantes sur les 2/3 de la hauteur de boue. Ces macrofissures constituaient d’ailleurs un excellent réseau de drainage des eaux de pluie et facilitaient grandement leur élimination.
Au cours de l’enlèvement, on a pu constater que la boue ne pénétrait que de quelques millimètres seulement dans le gravier, et qu'il n’y avait donc aucun risque de colmatage de la couche drainante. Sur la moitié non munie de gravier,
La boue atteignait seulement 12 % de siccité environ, soit un fluide homogène qu'il a fallu pomper. Ces différences constituent déjà un excellent résultat, cette première phase a été interrompue de manière à rendre le lit disponible pour une deuxième expérimentation, avec notamment la mise en place d’une couche drainante sur la totalité du lit de séchage.
2ᵉ campagne
Le fond du lit a été découpé en quatre zones distinctes (figure 9) afin de tester des matériaux drainants différents :
- un quart en sable de filtration usagé de 1 mm de taille effective,
- un quart en tout-venant naturel de granulométrie 0 à 20 mm,
- deux quarts en gravier de 6 à 10 mm utilisé précédemment, disposés en quinconce.
Après remplissage, le contrôle de la masse injectée dans le bassin a fait apparaître un gradient longitudinal et transversal important, conduisant à des flux massiques moyens par quart allant de 29 à 50 kg/m². Ces différences sont dues à une hétérogénéité de l'alimentation du bassin. L’existence de ce gradient a, par contre, permis de suivre l'évolution du séchage pour différents flux massiques (de 26 à 65 kg/m²) : points 1 à 5 (figure 9) sur l'un des quarts munis de gravier.
La sécheresse rencontrée durant l'expérience (été 1989) a donné des résultats exceptionnels avec des siccités voisines de 90 % au bout de deux mois pour les flux massiques les plus faibles. Pour les valeurs de flux les plus fortes (figure 10), une siccité supérieure à 20 %, correspondant à un matériau pelletable, a pu être obtenue en moins de 60 jours.
La figure 11 montre d’ailleurs, pour ces cinq points de prélèvements, que le temps nécessaire à l'obtention d'une siccité minimale de 20 % est directement proportionnel au flux massique.
Sur les surfaces munies de gravier (F = 30 kg/m²) et de sable (F = 38 kg/m²), la siccité moyenne obtenue en deux mois a été en moyenne de 70 % (figure 12), ce qui correspond à un matériau particulièrement friable sur plus de la moitié du bassin et cela peu après une pluie importante de 24 mm.
Le tout-venant testé comportait trop de fines particulièrement argileuses pour posséder des caractéristiques drainantes intéressantes.
L'ensemble de la boue ainsi déshydratée du lit de séchage prototype a pu être enlevée à l'aide de bulldozers et de camions bennes (figure 13) et déposée en décharges contrôlées.
Bien évidemment, ces excellents résultats ne doivent pas être généralisés en toutes circonstances, mais compte tenu des deux expériences ainsi réalisées, il semble raisonnable d’admettre qu’un matériau pelletable pourra être obtenu, en 10 semaines, même en saison pluvieuse si on limite le flux à 50 kg/m² environ.
Pour un temps de séchage de 4 mois, on peut espérer atteindre, avec ce type de procédé, un flux de 80 kg/m².
Mesure de la siccité par le tassement
L’évolution du séchage peut être suivie, avec une précision suffisante, à l’aide de simples mesures de hauteur des boues (% de tassement) dans l’ouvrage reportées sur la figure 14.
Sur cette courbe apparaissent nettement deux périodes distinctes :
- — la première, où l’évolution de la siccité est lente par rapport au tassement ;
- — la seconde, où cette évolution est beaucoup plus rapide.
Ces périodes correspondent à deux phénomènes physiques différents :
- — dans un premier temps, à partir de l’ouverture du drain la boue entre dans la phase d’égouttage avec élimination des eaux libres : il s’agit donc de la période de drainage accompagnée d’un tassement homogène de la boue sur toute la surface du bassin ;
- — dans un deuxième temps, la boue se fissure de plus en plus profondément, en développant ainsi une surface en trois dimensions de plus en plus grande, ce qui permet alors une action accrue du soleil et du vent : il s’agit de la phase de séchage.
Il est intéressant de noter que la limite entre ces deux périodes correspond à une siccité d’environ 20 % qui est, selon nous, et pour le type de boue étudiée, la teneur en eau minimale d’un matériau « pelletable ».
Conclusion
La déshydratation des boues de station d’eau potable peut facilement être réalisée par la technique des lits de séchage à fonds drainés. Cet équipement rustique permet en effet d’obtenir un matériau pelletable en toutes saisons, même en région parisienne où les conditions climatiques ne sont pas toujours favorables. L’investissement est limité, et la simplicité d’emploi n’induit que des frais de fonctionnement réduits.
Pour chaque installation, il existe un compromis entre surface disponible, masse de boue à traiter, et temps de séchage.
Par ailleurs des essais complémentaires, avec ajout de polyélectrolyte, devraient encore accroître les flux traités.
Cette technique de déshydratation, combinant à la fois décantation et drainage/séchage, est appelée à se développer pour les stations de petite et moyenne importance, participant ainsi à la réduction des pollutions des eaux de surface par les matières en suspension.
