Depuis plusieurs années, les industries transformatrices réalisent à partir de certaines matières plastiques de base, et selon des procédés appropriés, des feuilles souples minces destinées à différentes applications devenues classiques de revêtements d'étanchéité.
En particulier, ces feuilles permettent d'assurer l’étanchéité d'ouvrages creusés dans le sol dans le but de stocker des liquides divers : eau stagnante ou courante, effluents urbains ou industriels, liquides plus ou moins pâteux, agressifs ou non, rejets de toutes sortes (par exemple les récupérations de marées noires). Grâce à de tels revêtements, on peut maintenant constituer des bassins ou « lagunes artificielles » dans lesquels des traitements déterminés sont directement effectués.
Le premier matériau du genre à s'imposer sur le marché vers les années 50 fut le caoutchouc butyl, et ses promoteurs de l'époque eurent le mérite de faire admettre une nouvelle idée : quoi de plus simple pour réaliser l'étanchéité d'une structure en creux que d’en garnir le fond et les parois avec une nappe souple capable d'en épouser rigoureusement les formes de la surface, pour autant bien entendu que le matériau de cette nappe soit en mesure de garantir une étanchéité parfaite.
[Schéma : RÉSERVOIRS EN TERRE – terrain naturel ; talus en remblais-déblais ; ancrage ; couche drainante et de protection (sable ou feutre) ; feuille d'étanchéité. Fig. 4]Les résultats furent encourageants, il faut le reconnaître, et les progrès successifs réalisés depuis plus de vingt-cinq années, tant dans la conception de différentes textures de la feuille elle-même que dans les techniques de sa pose, ont fait que désormais on dispose d'un assortiment complet de véritables matériaux de construction, dont le champ d'application se développe d'une manière spectaculaire.
On a même donné récemment un nom générique à cette nouvelle famille de matériaux modernes : « les géomembranes », ce néologisme ayant été proposé pour la première fois à notre connaissance par J. P. Giroud, professeur à l'Institut de Mécanique des Sols à Grenoble, lors du Colloque de Liège de juin 1977 sur « les matières plastiques et caoutchoucs dans l'étanchéité des constructions du génie civil ».
L'étude du comportement des géomembranes fait l'objet de recherches et de mises au point constantes, menées concurremment par l'industrie productrice, les bureaux d'études qui concourent à leur application, et les services techniques de l'administration et des universités.
Nous nous proposons de passer en revue quelques notions relatives à ces matériaux encore nouveaux, notions destinées plus particulièrement aux praticiens.
CARACTÉRISTIQUES ESSENTIELLES
Pour l'utilisateur, la feuille souple d'étanchéité doit posséder un certain nombre de qualités qui correspondent au service qu'il en attend :
— imperméabilité, souplesse, résistance, durabilité et... économie à l'emploi.
Il n’existe pas encore à vrai dire de spécifications strictement définies s'appliquant à l'ensemble de ces caractéristiques, lesquelles sont la plupart du temps exprimées d'une manière subjective, selon les normes établies par les producteurs eux-mêmes.
Fondamentalement — et c'est ce qui permet la conception d'ouvrages fiables et économiques — c'est la capacité des géomembranes de pouvoir s'adapter aux déformations de la structure du réservoir tout en restant étanches qui est la caractéristique déterminante.
Les feuilles ont en effet par définition un grand allongement à la rupture (de l'ordre de 100 à 500 %), un module d’élasticité faible en traction (quelques MPa* à 100 % d’allongement) et n'offrent aucune résistance aux efforts de flexion.
De plus, les matières plastiques synthétiques de base possèdent une grande inertie chimique, laquelle dispense de toute disposition de protection contre la corrosion ou le pourrissement, et ceci pour des périodes d'utilisation de l'ordre de 10 ans et plus.
La conservation de toutes les caractéristiques dans le temps est obtenue grâce à des procédés d'élaboration parfaitement au point et qui suppriment toute sujétion de dépense d’entretien.
ELABORATION DES GEOMEMBRANES
La formulation
Une géomembrane étant le résultat de la transformation d'un ensemble de constituants chimiques, c'est la formulation qui est l'étape capitale de sa réalisation : les composants doivent être judicieusement choisis et dosés de telle sorte que le produit fini possède les caractéristiques recherchées à la sortie de fabrication, et les conserve au cours de son utilisation sur de très longues périodes.
L'expérience acquise progressivement et les plus récentes mises au point de la pétrochimie conduisent dorénavant à des formules complexes et variées comportant jusqu'à vingt constituants et plus. Dans l'absolu, on peut d’ailleurs imaginer autant de formules qu'il peut y avoir de types d'application.
À la sortie des usines pétrochimiques, les matières plastiques de base sont généralement présentées sous forme de granulés, poudres ou liquides visqueux, que les industriels transformateurs ont à élaborer en feuilles souples, dans des usines spécialisées pour cette opération.
La transformation
Cette élaboration repose sur la thermoplasticité de la composition réalisée, c'est-à-dire la propriété d’être malléable à température moyenne (150 à 300 °C). À ce stade le mélange se présente sous un état plus ou moins pâteux.
Deux procédés de transformation sont communément utilisés, le calandrage et l’extrusion.
— Le calandrage : la pâte issue des étages de préparation (mélangeage et chauffage) est laminée dans une calandre formée de plusieurs cylindres chauffants. Le réglage de l'entr'axe des cylindres détermine la régularité d’épaisseur et de planéité de la feuille (fig. 2). Pour obtenir une étanchéité absolue, il est courant de calandrer plusieurs couches l'une sur l’autre avant la stabilisation finale, que l'on obtient soit par simple refroidissement soit par traitement thermique dans le cas des caoutchoucs (vulcanisation).
— L'extrusion : les constituants sont directement introduits dans la machine. Une extrudeuse est essentiellement formée d'une vis tournant dans un corps chauffant qui par compression transforme les granulés en pâte, en obligeant cette pâte par force à sortir par une filière calibrée selon les dimensions de l'objet à produire (feuille, joint, etc.). La stabilisation finale est obtenue de la même façon qu’au calandrage. Les équipements les plus modernes travaillent en extrusion-soufflage : la filière est alors en anneau et la matière sort sous forme de gaine à l'intérieur de laquelle de l'air sous pression est insufflé pour l'étirer à une dimension correspondant à la largeur de la feuille une fois la gaine ouverte.
* MPa = Méga Pascal = 10^6 Pa = 10 bars.
IMPORTANCE DE LA PROFESSION
La production des géomembranes est assurée par des industriels transformateurs spécialisés dans la fabrication de feuilles souples ou de tissus enduits pouvant être destinés à de nombreux usages : emballage, confection de vêtements, décoration, bateaux pneumatiques, étanchéité de terrasses, etc. C'est donc sur un important potentiel industriel et une longue expérience que repose l'élaboration de tous ces matériaux.
Quant au choix du procédé de fabrication : l'extrusion fait appel à un matériel moins lourd mais offre une plus faible capacité de production (de l'ordre de la tonne/h) que le calandrage (plusieurs tonnes/h). Par ailleurs malgré des réglages plus complexes, les produits calandrés offrent des caractéristiques plus performantes et régulières.
La France est d’ailleurs en tête des pays producteurs, et ses techniciens sont parmi les premiers à savoir utiliser cette technique encore nouvelle. On estime que plus d'un million de mètres carrés de feuilles souples d’étanchéité ont été produites par les industriels français en 1977.
Un grand essor a été donné aux débouchés pour les applications à la protection de l’environnement, et dans ce domaine les géomembranes offrent des solutions fiables, économiques, de mise en place rapide, qui répondent aux exigences des services de contrôle de l’administration. Des réalisations de plus en plus nombreuses et importantes (jusqu'à plusieurs hectares pour un seul bassin) viennent équiper par exemple les industries agro-alimentaires.
D'autres marchés s’ouvrent, notamment dans le secteur des aménagements hydro-agricoles : en matière d'irrigation, pour conduire et conserver l'eau sur les canaux de circulation. Les succès à l’exportation sont nombreux dans cette branche (fig. 3).
Enfin, dans des domaines spécifiques qui intéressent les lecteurs de cette revue, insistons sur les réalisations en matière de bassins de traitement et de lagunage (fig. 4) et de décharges d'ordures ou de déchets industriels, où la géomembrane assure la protection des nappes d'eau souterraines (fig. 5).
LES CHANTIERS DE POSE
La mise en œuvre sur ces différents types de chantiers requiert, on le conçoit, des techniques variées et appropriées aux problèmes à résoudre. Ces techniques sont du ressort d'entreprises spécialisées qui ont la responsabilité de réaliser des assemblages de feuilles séparées garantissant une nappe d'ensemble qui offre les mêmes garanties globales. Elles doivent, d'autre part, pratiquer la pose de la géomembrane dans des conditions adéquates étudiées préalablement avec le projeteur : c'est un problème de mécanique des sols.
Le choix de l'entreprise à qui est confiée l'opération délicate de l'assemblage et de la pose se détermine sur des critères de notoriété et des références de réalisations.
SPÉCIFICATIONS DES GÉOMEMBRANES
Le chimiste à qui revient la responsabilité de déterminer la formulation d'une géomembrane a le choix entre plusieurs familles de matières de base, chacune d'elles possédant des caractéristiques originales qui décideront du choix selon le problème à résoudre. Voici les principales de ces familles :
Les plastomères sont d'une façon générale ce que l'on désigne communément par matière plastique. Leurs liaisons intermoléculaires sont électrochimiques. Elles s'atténuent lors d'une élévation de température, provoquant le ramollissement du matériau ce qui permet d'en modifier la forme ou de la souder. Lors du refroidissement le matériau retrouve ses caractéristiques initiales. Le cycle est réversible.
Les thermoplastiques utilisés en feuilles d'étanchéité sont :
- — les polyoléfines, notamment le polyéthylène (PE) ;
- — le polyéthylène chloré (PEC) ;
- — les copolymères de vinyl-acétate (EVA) ;
- — les polychlorures de vinyl plastifié (PVC), ce dernier groupe ayant la particularité de permettre une grande variété de propriétés en fonction des plastifiants utilisés pour l'assouplir aux températures normales.
Les élastomères sont ceux qu'on appelle plus communément « caoutchoucs ». Entre leurs macromolécules les liaisons sont du même type que celles présentes entre les atomes des molécules. Ce sont des liaisons chimiques de covalence. Une fois établies, elles sont irréversibles.
Pour créer ces pontages, le produit une fois en forme (il est thermoplastique auparavant), subit un traitement thermique appelé vulcanisation, provoquant une réaction chimique entre certains de ses constituants et les molécules du squelette. Ce comportement est à rapprocher de celui des thermodurcissables.
Les élastomères les plus rencontrés en feuilles d'étanchéité sont :
- — le Butyl (copolymère d'isobutylène et d'isoprène) ;
- — l'Hypalon (polyéthylène chlorosulfoné) ;
- — les EPDM (éthylène-propylène).
Il est bien entendu que tous ces produits sont le résultat de la combinaison d'un grand nombre de constituants. Sous la même désignation ou pour un même usage l'ingénieur trouvera donc des matériaux aux caractéristiques différentes, particulièrement en ce qui concerne leur mise en œuvre et leur tenue au vieillissement dans les conditions du projet.
PRINCIPAUX TYPES D'OUVRAGES JUSTICIABLESDE GÉOMEMBRANES
Les feuilles souples d'étanchéité sont admises comme solutions dans des types très diversifiés d’ouvrages de génie chimique, de génie hydraulique ou de génie civil.
- — Ouvrages à caractère industriel : la feuille est en contact, d'une part, avec un support classique (terre, remblai, béton...) et, d'autre part, avec de l'eau, des produits chimiques ou des effluents plus ou moins agressifs. Il s'agit principalement de dispositifs de stockage, de traitement d'effluents (lagunes par exemple) et de lutte contre la pollution (rétention). Généralement, la feuille doit avoir une résistance chimique spécifique et un bon vieillissement aux intempéries. Le plus souvent les profondeurs sont moyennes (10 à 12 m maximum) et les talus en faible pente (2/3 maximum).
- — Ouvrages d’aménagements hydrauliques : ceux-ci étant placés sans surveillance en pleine nature, la feuille est le plus souvent protégée par une recharge (terre, sable, béton, enrochement). On lui demande de résister particulièrement à l'enfouissement et à la destruction biologique sur de très longues périodes.
Les masques de barrages présentent un cas particulier dû aux grandes hauteurs et donc aux problèmes de mécanique qui font à chaque fois l'objet d'une étude spéciale. On autorise actuellement des ouvrages jusqu'à 20 m de dénivellation.
— ouvrages de génie civil : des réalisations ont été entreprises avec succès en étanchéification de fondations ou de galeries implantées dans les nappes phréatiques.
On peut encore signaler pour mémoire l'utilisation des feuilles en étanchéité de toiture.
CONSEILS POUR L'ÉTUDE DES PROJETS
Il convient de rester pragmatique et avant tout d'analyser pour chaque projet les sollicitations de toute nature que la feuille aura à subir. L'objectif d'une telle recherche est de déterminer le seuil au-delà duquel la feuille n'assure plus sa fonction.
Le schéma, ci-après, précise les points où il y a lieu d’être particulièrement vigilant :
[Figure : Fig. 6]D'autres exigences seront imposées par la technologie de mise en œuvre : stabilité dimensionnelle, résistance des assemblages, possibilité de collage, perforation par la recharge, etc.
Sollicitations d'origine mécanique
Ces actions ont leur origine dans l'équilibre mécanique du système formé par les charges extérieures, le support, le dispositif d’ancrage, le contenu et la membrane. Elles sont réparties (traction due au poids de la feuille, pression hydrostatique) ou concentrées (poinçonnement par un caillou, déchirure). Elles peuvent dépendre aussi de phénomènes statiques ou dynamiques (effets du vent ou des vagues, chute d'un objet perforant).
Les forces qui apparaissent peuvent toutes s’exprimer en contrainte de traction simple. À la limite, elles provoquent la rupture d'un matériau insuffisamment dimensionné.
Sollicitations imposées par l'environnement
L'utilisation d'une feuille d’étanchéité entraîne son exposition à différents facteurs de vieillissement :
a) intempéries et facteurs climatiques :
— chaleur et froid
— lumière et UV
— oxydation et ozone
b) actions chimiques et biochimiques dues au contact de la feuille avec le contenu du réservoir et avec le support.
Ces sollicitations, difficilement chiffrables, ont pour effet une destruction plus ou moins rapide de l'équilibre interne du matériau jusqu'au niveau de ses molécules. Leur examen détermine le choix initial de la nature de feuille à utiliser.
Actions combinées du temps, de l'environnement et des efforts mécaniques
La combinaison de ces phénomènes pendant de longues périodes modifie lentement la réponse du matériau. Par exemple, un effort de traction permanent à une température au-dessus de la moyenne entraîne un fluage de la feuille, c’est-à-dire un allongement lent mais irréversible ; il s’ensuit un amincissement proportionnel de la géomembrane.
Le module d’élasticité et les limites de rupture, bases des calculs mécaniques, peuvent de la même façon varier dans de grandes proportions.
Enfin, certaines épreuves ont des effets spécifiques sur certaines familles de feuilles d’étanchéité. Il est donc important d'imposer non seulement des caractéristiques minimales qui dépendent du projet, mais aussi des spécifications liées à la nature de la feuille envisagée et à son niveau de qualité.
PRINCIPAUX ESSAIS ET RÉSULTATS
La mesure des caractéristiques d'un matériau est indispensable pour trois raisons : aptitude à l'emploi, prévision de son comportement et contrôle de sa qualité.
Les essais de simulation sont faits d’après le type de projet. Ils forment le cahier des charges du projet. Ils concernent, par exemple, l'étude du comportement d'une feuille posée sur une fissure ou des cailloux et soumise de l'autre côté à une pression d’eau.
Les tests de vieillissement appartiennent à ce groupe, mais sont difficilement cernables, car il n’existe pas d’essais reproduisant en peu de temps des vieillissements de plusieurs années. On conduit donc ces épreuves au laboratoire en les comparant en permanence avec des observations basées sur des expérimentations réelles. Les résultats des essais de simulation apporteront toutes précisions sur les caractéristiques fonctionnelles de la géomembrane et permettront de dimensionner l’installation : choix du matériau, épaisseur, mise en œuvre, comportement de l'ouvrage...
Les essais d'identification permettent de définir une membrane dans la famille retenue lors des tests de simulation. C'est le cahier des charges du matériau. Ils sont basés sur les essais traditionnels de la profession : courbe contrainte-déformation dans des conditions normalisées, déchirure, dureté, etc., et, bien entendu, présentation commerciale.
Les essais de contrôle reprennent une partie des essais d'identification avec une interprétation statistique. Ils permettent à l'acheteur d'apprécier la fiabilité de la livraison destinée à son projet.
Les tableaux, ci-après, donnent des ordres de grandeur pour quelques produits couramment utilisés en ouvrages industriels ou hydrauliques.
Tableau 1 — PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES
Ordre de grandeur des résultats aux tests conventionnels
| Butyl | PVC | CPE | |
|---|---|---|---|
| Résistance rupture (MPa) | > 9 | 12 à 16* | 10 à 14 |
| Allongement rupture (%) | 350 | > 250 | 500 |
| Module à 100 % (MPa) | 1,5 | 7 à 9 | 4 |
| Déchirure (daN/cm) | 30 | 50 à 60* | 50 |
* Selon les formulations
Tableau 2 — COMPORTEMENT À L'ENVIRONNEMENT
| Butyl | PVC | CPE | |
|---|---|---|---|
| Intempéries ............... | XXX | XX | XXX |
| Ozone ..................... | X | XXX | XXX |
| Choc à froid (°C) ......... | –35 | –10 | –60 |
| Chaleur ................... | XXX | XX | XXX |
| Enfouissement ............. | XXX | XX | XXX |
| Fluage .................... | XXX | XXX | X |
Tableau 3 — RÉSISTANCE CHIMIQUE
| Butyl | PVC | CPE | |
|---|---|---|---|
| Acides dilués ............. | XXX | XXX | XXX |
| Bases et alcalis .......... | XXX | XXX | XXX |
| Hydrocarbures ............. | X | XX | X |
| Sels ...................... | XXX | XXX | XXX |
| Solvants, huiles .......... | X | X | X |
X peu satisfaisant — XX acceptable — XXX excellent comportement
N.B. La résistance du PVC dépend de sa formulation.
Tableau 4 — MODES D'ASSEMBLAGE
| Butyl | PVC | CPE | |
|---|---|---|---|
| Vulcanisation ............. | XXX | ||
| Soudure H.F. .............. | XXX | XXX | |
| Soudure thermique ......... | XXX | XXX | |
| Collage ................... | X | X | X |
| Dissolution ............... | X | XXX |
X éventuellement — XX acceptable — XXX recommandé
CONCLUSION
Aux premiers temps de l'utilisation des feuilles souples d'étanchéité, c'est-à-dire il y a une bonne vingtaine d'années maintenant, on pouvait se contenter de décrire les propriétés élémentaires des rares matériaux qui firent l'objet des premières expérimentations couronnées de succès.
Le développement continu du champ d'application des géomembranes et l'apparition de variétés de plus en plus performantes et plus économiques imposent dorénavant des investigations élargies.
D'autres études spécifiques sont d'ailleurs en cours : par exemple, l'influence des discontinuités dans l'ouvrage sur la stabilité de la géomembrane. Ces recherches conduiront à la normalisation et à la réglementation d'emploi de ces matériaux modernes promis à un spectaculaire développement que sont les géomembranes.
Le point a été fait pour la première fois en Europe, sur les plans scientifique et pratique, à l'occasion du Colloque international qui a réuni, à Liège, en juin 1977, plus de 200 spécialistes sur le thème des « Matières plastiques et caoutchoucs dans l'étanchéité des constructions du génie civil », à l'initiative du Professeur GAMSKY, de l'Université de Liège, et du Centre belge d'Études des Matières Plastiques.
Une prochaine réunion sur un thème similaire est en préparation en France, dont nous aurons l'occasion de rendre compte dans une prochaine communication.
G. Prouvost.
Les problèmes de l'eauà la sucrerie-raffinerie d’EL-KHEMIS-MILANA (Algérie)
par Hamid AIT-AMAR et Valentin HERAULT— Département des Industries Alimentaires— Institut National des Industries Légères BOUMERDES (Alger)(République Algérienne Démocratique et Populaire)
DEUXIÈME PARTIE
PRÉCONISATION D’UN TRAITEMENT D’ÉPURATION DES EAUX RÉSIDUAIRES
NDLR — Dans un premier article publié précédemment dans cette revue (1), les auteurs ont évoqué d’abord la naissance d'une industrie sucrière en Algérie, partie pratiquement de rien à la naissance du jeune État en 1962 et produisant déjà 45 % des besoins nationaux, lesquels sont en progression régulière et ont dépassé 350 000 tonnes/an en 1977.
Cette production est réalisée dans trois unités sur le territoire algérien, dont une : le complexe sucrier d’EL-KHEMIS-MILANA est situé dans la plaine du CHELIFF, entre Alger et Oran, à 40 km au sud de CHERCHEL.
Les problèmes de l'eau sont très sérieux dans cette sucrerie-raffinerie qui, pour la partie sucrerie, reconnaît une consommation de 10 à 12 m³ d'eau par tonne de betteraves. L’alimentation en eau brute est assurée, d'une part, par la réserve du barrage de GHRIB (en amont sur l'oued Cheliff), d’autre part, en eau souterraine potable par un forage voisin de l'usine.
Le complexe ne possède jusqu’alors aucune installation de traitement des eaux brutes, sauf pour les eaux d’appoint de chaudières, ni de système d'épuration de ses eaux résiduaires. L'ensemble des effluents est rejeté, pratiquement brut de pollution organique, par un émissaire qui rejoint l'oued Cheliff et contribue grandement à sa pollution.
Après avoir présenté le schéma hydraulique et décrit les circuits d'utilisation des eaux à la fabrication ainsi que les mesures internes en cours d'application, les auteurs en arrivent dans une seconde partie à la préconisation d'une solution de traitement des eaux résiduaires.
CHOIX DU TRAITEMENT D’ÉPURATION
Une fois réalisées les mesures internes précédemment décrites, les débits d’eaux résiduaires à traiter devraient s’établir comme suit :
| Types d’eaux | Débits (m³/j) | Flux de pollution (DBO) (kg/j) | Flux de pollution (MES) (kg/j) |
|---|---|---|---|
| Eaux industrielles | 38 910 | 8 000 | 7 300 |
| Eaux usées sanitaires | 17 410 | 300 | 120 |
| Total | 55 1320 | 7 420 | 440 |
On constate que les effluents à traiter possèdent une concentration en polluants extrêmement élevée, dont l’actuel rejet brut de pollution pose des problèmes pour l’environnement. En Algérie, le projet de normes relatives aux rejets fixe une concentration maximale de 40 g/m³ pour la pollution organique (DBO) et 30 g/m³ pour les matières en suspension (MES). De ce fait, le rendement d’une station d’épuration doit être de 99 % à l’égard de la DBO ; aussi avons-nous opté pour un mode de traitement aux techniques simples et dont la fiabilité d’exploitation sera mieux assurée compte tenu des possibilités de disposer d’un personnel qualifié.
La concentration attendue, en DBO de l’effluent sera de l’ordre de 10 g/m³. Cette norme, bien qu’insuffisante, permettra l’utilisation par l’agriculture de l’eau rejetée dans l’oued Cheliff, voire même son recyclage en usine pour le transport-lavage des betteraves.
Le mode de traitement préconisé sera physico-chimique et biologique à deux étages. Son principe ressort du schéma n° 1. Les dimensions des installations dépendent en grande partie des conditions de marche de l’usine.
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE L’INSTALLATION
Comme dans toutes les installations d’épuration, les effluents subiront en premier lieu un dégrossissage par décantation. Les boues issues de ce premier traitement seront envoyées sur lagunes.
Les installations biologiques seront conçues selon deux étages : le premier anaérobie, le second aérobie. Les eaux usées sanitaires ne subiront pas de traitement anaérobie, alors qu’il s’impose pour l’effluent industriel vu sa forte concentration en matières organiques biodégradables.
Le traitement s'effectuera dans deux réacteurs en parallèle. Du fait que l'on dispose de boues biologiquement actives, la mise en marche du second réacteur au démarrage de la campagne sucrière se trouvera facilitée. Le traitement anaérobie devrait permettre d’obtenir un rendement d’épuration d'environ 80 % en régime de croisière ; celui-ci tendrait à descendre à 60 %, le temps d'adaptation du second réacteur pouvant être de une à deux semaines.
La température ambiante, suffisante durant la campagne betteravière, permet de limiter le chauffage des réacteurs. Il est important de contrôler le pH des eaux dans le réacteur et de prévoir la possibilité d'injection de chaux éteinte Ca(OH)₂ dans le cas où ce pH aurait tendance à baisser. La chaux nécessaire est d’ailleurs produite au niveau de la chaufferie intégrée à l'usine.
Parallèlement il convient d’ajouter des nutriments (N, P) pour permettre une bonne croissance de la biomasse.
L'effluent subira une décantation dans un décanteur raclé avant d’être admis à l’étage aérobie suivant. Les boues extraites seront recyclées dans les réacteurs anaérobies. Le débit de ces boues devra être au moins égal à 20 % du débit de l'effluent entrant. Les boues en excès seront évacuées vers les lagunes.
Nous préconisons un traitement aérobie selon la méthode des boues activées à un seul étage. Il faudrait prévoir deux bassins d'aération couplés en série pour recevoir l'effluent industriel préalablement traité par voie anaérobie et décanté, ainsi que l'effluent sanitaire dégrossi.
Le rendement de cette installation atteindra 90 %. Les boues contenues dans les effluents des bassins d’activation devront
être séparées dans un décanteur : les boues extraites à ce niveau seront en partie recyclées en tête de l'étage aérobie. Les installations seront dimensionnées suivant la capacité de l'usine.
MODÉLISATION DES INSTALLATIONS
● Modification du réseau :
Actuellement, toutes les eaux, quelle que soit leur nature, sont recueillies dans un réseau unitaire. Il est donc nécessaire de revoir dans son ensemble la conception de ce réseau et de procéder aux modifications et constructions nouvelles nécessaires. Les installations d'épuration seront localisées dans la partie sud du périmètre de l'usine, où l'on dispose d'un terrain vague, et où les lieux permettent de tirer profit d’une certaine pente pour l'écoulement des eaux.
● Poste de relèvement principal :
Le niveau des collecteurs d'eau résiduaire industrielle et d'eau sanitaire usée arrivant à la station étant trop bas pour permettre une admission directe sur les installations de dégrossissage, l'on doit prévoir deux pompes pour relever ces effluents.
● Dégrossissage :
Le dégrossissage (éventuel) a pour but de débarrasser les effluents — sanitaire et industriel — d'une partie des matières en suspension qu’ils contiennent. Nous appliquerons pour ce faire une décantation dimensionnée pour une charge superficielle de 1,5 m·h⁻¹.
On aura donc deux décanteurs à circulation verticale, dont les caractéristiques sont présentées ci-dessous :
Effluent industriel
● débit de dimensionnement........... 38 m³·h⁻¹ ● profondeur totale.................. 5,5 m ● surface............................ 25 m² ● volume mouillé..................... 70 m³ ● temps de séjour.................... 1,8 h
Effluent sanitaire
● débit de dimensionnement........... 21 m³·h⁻¹ ● profondeur totale.................. 5,0 m ● surface............................ 14 m² ● volume mouillé..................... 40 m³ ● temps de séjour.................... 1,9 h
Adjonction de nutriments, correction du pH :
Pour assurer un bon développement de la biomasse dans l'étage de traitement anaérobie, l’effluent doit contenir les éléments nécessaires à la constitution de micro-organismes suivant la proportion minimale ci-dessous :
D.B.O. : N : P = 100 : 2,7 : 0,6.
Les analyses effectuées sur les effluents industriels montrent que cette condition n'est pas remplie, surtout pour le phosphore : d'où la nécessité de l'apporter sous forme d'acide phosphorique à 45° Bé (H₃PO₄) commercial. Les quantités estimées en kg/j sont les suivantes :
| D.B.O. | N | P | H₃PO₄ |
|---|---|---|---|
| 7300 | 43,8 | 219 |
La préparation se fera dans un bac mélangeur de 13 m³, avec un temps de séjour estimé d’environ 20 mn. Ce bac pourra servir de tampon pour l'ajout de chaux nécessaire à la rectification de pH dans l’étage anaérobie aval.
Poste de traitement anaérobie :
Ce poste sera constitué de deux cellules qui fonctionneront en parallèle lors de la campagne betteravière. Ses caractéristiques sont résumées dans le tableau suivant :
| débit ................................................. | 910 |
| volume ............................................... | 7300 |
| temps de séjour ...................................... | 81 |
| flux de D.B.O. entrant ............................... | 7300 |
| flux de D.B.O. sortant .............................. | 1500 |
Décantation intermédiaire :
L'effluent sortant des réacteurs anaérobies sera admis dans un décanteur intermédiaire où s'effectuera la séparation des boues biologiques dont une partie sera recyclée en tête de réacteur. Le décanteur conçu pour une circulation descendante présentera les caractéristiques suivantes :
| débit ................................................. | 38 |
| charge superficielle ................................. | 0,7 |
| surface ............................................... | 54 |
| profondeur ........................................... | 4,0 |
| volume mouillé ...................................... | 200 |
| temps de séjour ...................................... | 5,3 |
Traitement aérobie :
Le procédé préconisé est identique à celui des boues activées de charge moyenne. Les critères de fonctionnement à rendement optimal (85 à 90 %) devront répondre aux conditions limites suivantes :
| débit .............................................. | 1320 |
| flux D.B.O. entrant ............................... | 1580 |
| charge volumique kg D.B.O. ......................... | 1,0 |
| volume ............................................. | 1580 |
| flux D.B.O. sortant ................................. | 160 |
Le principe consiste à coupler deux bassins en série, d’un volume total de 1580 m³, avec un temps de séjour de 28 heures.
Dimensionnement des dispositifs d’aération :
L'aérateur de surface est le type de dispositif le mieux approprié pour le traitement de l'effluent considéré par la méthode des boues activées.
Les besoins en oxygène sont donnés par la formule suivante :
O₂ consommé = a × L₁ + b × S₁ a = oxygène consommé par unité de D.B.O. (a = 0,65) b = oxygène consommé par jour et par unité de masse de boue (b = 0,15) L₁ = masse de D.B.O. éliminée en kg j⁻¹ S₁ = masse de matières organiques en kg dans le réacteur
La teneur en boue de l’eau est supposée voisine de 3 800 g/m³, dont 80 % de matières organiques, et nous avons considéré que le rendement maximal à obtenir serait de 90 %.
Les besoins nets en oxygène seraient alors les suivants :
| flux D.B.O. entrant kg j⁻¹ ......................... | 1580 |
| D.B.O. éliminée .................................... | 1450 |
| volume d’aération .................................. | 1580 |
| teneur en boues organiques .......................... | 3,0 |
| besoins nets en oxygène ............................. | 1635 |
En appelant « O₂ » les besoins nets en oxygène et C.O₂ la capacité d'oxygénation nécessaire des appareils dans les conditions normales (2), on peut établir la relation suivante :
C.O₂ = flux D.B.O. entrant × (O₂ / C.O₂)
oùC.O₂ = teneur en oxygène de l'eau à la saturation sous 10 °C.
(2) Teneur en oxygène de l'eau à aérer : 0 mg/l ; température de l'eau 10 °C, aération pure.
C*y = teneur en oxygène de l'eau à la saturation sous la température d’exploitation ;
Cy = teneur en oxygène du produit en exploitation ;
K10 = rapport entre les constantes de diffusion à 10 °C et à la température d’exploitation ;
K'10 = rapport entre les coefficients de diffusion en eau chargée et en eau pure ;
β = rapport entre les teneurs en O2 à saturation dans l'eau chargée et dans l'eau pure.
En introduisant les valeurs des constantes telles qu'on peut les concevoir dans la formule, on obtient la valeur de la capacité d'oxygénation (C.O.) nominale nécessaire.
| C_in | θ | C_m | C_0 | K | β | K'10 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| mg/l | °C | mg/l | mg/l | |||
| 11,3 | 35 | 6,9 | 2,0 | 0,58 | 0,8 | 0,95 → 2 940 kg O₂/j |
Cette capacité d’oxygénation nominale est à répartir sur trois aérateurs pour chacun des bassins.
Clarification finale :
La clarification finale de l'effluent nécessite la réalisation d'un décanteur à circulation verticale conçu pour une charge superficielle de 0,7 m h-1. Les boues décantées seront extraites et refoulées en partie en tête de poste d'épuration aérobie à un débit de 55 m³ h-1. Le temps de séjour sera de 5,1 h avec un volume mouillé de 280 m³.
Traitement des boues :
Une fois que les mesures internes et externes auront été réalisées, les boues produites par l'usine seront les suivantes :
I. Boues terreuses extraites du décanteur du circuit transport-lavage. II. Boues primaires extraites du décanteur de dégrossissage de l'effluent industriel. III. Écumes de défécation. IV. Boues primaires extraites du décanteur de dégrossissage de l'effluent sanitaire. V. Boues biologiques en excès issues de l’étage de traitement anaérobie. VI. Boues biologiques issues de l'étage de traitement aérobie.
I. Les boues terreuses seront admises dans deux lagunes qui seront utilisées à tour de rôle. En période de décantation, le surnageant de ces lagunes sera recyclé par gravité dans le caniveau de transport des betteraves. Une fois que le niveau des boues décantées dans une lagune aura atteint le maximum admissible, on mettra l'autre en service. Les boues de la première seront alors laissées sécher jusqu'à l'obtention d'une siccité qui les rende pelletables, puis extraites pour servir comme amendement des sols ou autre. La lagune vide sera prête pour être remise en service.
II. Les écumes de défécation seront elles aussi admises alternativement dans deux lagunes. Le surnageant sera repris dans la bâche du poste de relèvement, en tête de station d'épuration de l'effluent industriel. Le mode d’exploitation est identique au précédent.
III. Les boues primaires du décanteur de dégrossissage seront refoulées par pompage vers les lagunes à boues terreuses.
IV. Les autres boues seront envoyées sur les lagunes à écumes de défécation. Du fait de la présence de boues d'origine sanitaire, elles ne peuvent être admises sur les lagunes à boues terreuses dont le surnageant est recyclé. De plus, une partie des boues biologiques risquant de ne pas être bien minéralisées, l'excès de chaux admis sur ces lagunes contribuera à les stabiliser.
Les quantités des deux derniers types de boues peuvent être estimées approximativement à 0,1, respectivement 0,4 de la D.B.O. éliminée.
Nous donnons ci-dessous les quantités des différentes boues :
— boues anaérobies : 585 kg/j
— boues aérobies : 569 kg/j
— boues biologiques : 1 154 kg/j
Siccité de boues biologiques humides en % : 1
— volume de boues biologiques pelletables à 22 % de matières sèches : 5,2 m³/j.
MISE EN ŒUVRE DES INSTALLATIONS D'ÉPURATION
Dégrossissage :
Les influents — industriel et sanitaire — admis en tête de station sont refoulés séparément dans un bassin circulaire de décantation dans lequel s'effectuera la séparation des boues
primaires. La sortie du surnageant se fait par trop-plein. Les boues sont extraites au moyen de pompes immergées. L'effluent sanitaire dégrossi sera introduit par gravité en tête des bassins d'activation.
© Bassin à mélange :
L'effluent industriel sortant du décanteur de dégrossissage est envoyé par gravité dans un bassin à mélange, où s'effectuera l'adjonction de sels fertilisants et de la chaux. Le mélange sera assuré par un agitateur mécanique.
© Traitement anaérobie :
L'effluent industriel repris par deux pompes immergées est admis dans deux réacteurs en acier fonctionnant en anaérobie, couplés en parallèle. Ils seront dotés d'un dispositif de brossage mécanique et d'un déversoir de sortie. Le gaz produit ne sera pas récupéré.
© Décantation intermédiaire :
Après traitement anaérobie, l'effluent industriel est récupéré dans un décanteur rectangulaire muni d’un pont racleur. Les boues extraites seront recyclées pour une part en poste de traitement aérobie ; le reste sera dirigé vers les lagunes à écumes.
© Traitement aérobie :
L'effluent aéré subira une décantation finale avant d’être évacué dans l'émissaire existant. Le décanteur sera pourvu d'un pont-racleur. Les boues extraites seront pour partie recyclées en bassin d'activation et pour le reste refoulées vers les lagunes à écumes.
RESULTATS ATTENDUS DE L’OPERATION
| Flux | Valeur |
|---|---|
| Flux DBO entrant | 7 420 kg/j – 1 800 g m⁻³ |
| Flux DBO sortant | 160 – 129 g m⁻³, soit 98 % |
| Flux MES entrant | 440 – 396 g m⁻³ |
| Flux MES sortant | 26 – 22 g m⁻³, soit 94 % |
Les pourcentages expriment le rendement de l'épuration. Ces chiffres sont à rapprocher des quelque 16 000 kg de D.B.O. rejetés par jour jusqu'alors.
CONCLUSION
Ce procédé de traitement des eaux résiduaires, bien conduit, permettrait d’obtenir des rendements d'épuration avoisinant 98 % pour le flux de D.B.O. sortant et 94 % pour le flux de M.E.S. sortant. Ces chiffres sont compatibles avec ceux du projet de normes en Algérie, lequel fixe une concentration de 40 g/m³ pour la pollution organique (D.B.O.) et 30 g/m³ pour les matières en suspension (M.E.S.). Quelle que soit l'option choisie — recyclage des eaux traitées à l'intérieur de l'usine (tel que le transport/lavage des betteraves, par exemple) ou rejet dans le milieu environnant —, le risque de contamination par les polluants se trouvera considérablement réduit.
