L’eau est essentielle dans tous les domaines puisqu’elle est à la base de toute vie végétale, animale ou humaine… et le traitement des eaux est lui-même fondamental dans le développement de l’activité humaine ; il est également le point de départ de l’équipement des pays sous-développés.
Si les villes consomment de l’eau potable et que l’agriculture nécessite un minimum d’irrigation, l’industrie a de même d’énormes besoins d’eau, eau de traitement ou de transformation des procédés, eau véhicule d’énergie sous forme de vapeur.
Or, les villes et les industries de toute nature déversent des eaux usées qu’il faut récupérer, traiter et parfois recycler pour éviter la pollution du milieu naturel. De plus il faut aussi traiter les eaux naturelles insalubres (eaux boueuses, eaux de crues, etc.) pour les rendre propres à la consommation (et même parfois l’eau de mer, à défaut d’autres ressources).
On peut dire que le traitement de l’eau à grande échelle est le signe du développement économique à tous les niveaux et dans tous les pays : là où l’eau manque comme au Sahel, le désert s’installe…
Le pompage de l’eau et de ses résidus de toutes sortes est donc considérable : le débit total des eaux pompées dans le monde est supérieur à celui de n’importe quel autre fluide, situation qui a entraîné le développement des systèmes de pompage. Nous passerons ici en revue les divers types de pompes utilisées dans le traitement des eaux résiduaires et des eaux potables.
LE TRAITEMENT DES EAUX RÉSIDUAIRES
Il faut d’abord préciser que les eaux résiduaires ont deux origines : les eaux usées d’origine urbaine (dont la composition et le degré de salissure varient suivant la ville) et les effluents industriels, dont la composition et la nature varient suivant leur origine.
Les eaux usées urbaines comprennent en général :
- — des matières organiques et minérales inertes qui peuvent se présenter soit en suspension (décantables, flottables, colloïdales), soit en solution ;
- — des micro-organismes tels que les bactéries plus ou moins rapidement biodégradables.
Les effluents industriels présentent de leur côté :
- — un taux variable d’azote et de composés de l’azote,
- — des caractéristiques électrochimiques (pH ou potentiel Redox),
- — un certain degré de toxicité et d’inhibition dus à une proportion plus ou moins grande de cations des métaux lourds Cu²⁺, Cr⁶⁺, Cd²⁺, etc.
On est souvent amené à traiter les eaux des deux origines dans une même unité de traitement.
Le traitement des eaux résiduaires comprend quatre opérations principales :
- — prétraitement,
- — décantation,
- — épuration biologique,
- — traitement des boues.
Dans chacune de ces parties, nous examinerons, après quelques considérations sur le produit à traiter, les installations qu’elle comprend, les pompes qui y sont utilisées, leurs caractéristiques essentielles, enfin les avantages qu’elles peuvent présenter.
Le prétraitement
Il s’agit d’une première décantation où l’on retire les parties flottantes, en particulier les huiles et les graisses qui seront plus ou moins émulsionnées. Pour véhiculer l’eau et les produits ainsi extraits, on utilise des pompes centrifuges à Vortex et des pompes volumétriques à vis excentrée. Les premières, qui peuvent atteindre des débits de 1 000 m³/h sous des hauteurs manométriques totales (H.M.T.) de 50 m de colonne d’eau (C.E.) sont faciles à installer et à exploiter. Les secondes, qui se limitent à 500 m³/h sous des H.M.T. de 80 à 100 m C.E., présentent l’avantage de ne pas disloquer le floc, c’est-à-dire de restituer le produit pompé dans le même état qu’à son entrée et de bénéficier d’une variation de débit directement proportionnelle à sa vitesse.
Pendant cette opération, les graviers et sables sont décantés et se déposent sur des grilles d’où ils sont repris par vis d’Archimède et ensuite évacués. Les eaux sont reprises par pompes verticales à Vortex sans paliers (1 200 m³/h sous H.M.T. de 20 m C.E.). De telles pompes sont très fiables et d’entretien réduit.
Les mousses formées sont extraites par pompes centrifuges (H.M.T. minimum 20 m C.E.) et traitées par des produits antimousse. Cette dernière opération s’effectue par l’utilisation de pompes doseuses (volumétriques et à pistons) dont la course, et donc le débit, sont ajustables (figure 2).
Le relevage de l’eau pour passer à l’étage de décantation est ensuite réalisé par l’un ou l’autre des moyens suivants :
— vis d’Archimède (gros débit, faible H.M.T.),
— pompes à hélice (faible génie civil) (figure 3).
— pompes centrifuges à Vortex ou monocanal (figure 4).
Quelles soient submersibles, verticales, horizontales, toutes ces pompes présentent l’avantage de ne pas s’obstruer.
La décantation
Elle s’opère dans des ouvrages d’épuration physico-chimique destinés à obtenir à la fois la coagulation des matières colloïdales et la précipitation des métaux lourds et autres matières en suspension.
En dehors des cas où elle s’opère par gravité, la reprise des eaux à traiter provenant du prétraitement s’effectue avec le même matériel que précédemment. Les boues primaires précipitées sont pompées pour être dirigées vers les installations de traitement des boues. Cette opération est réalisée soit à l’aide de pompes centrifuges à Vortex d’un débit atteignant 200 m³/h sous une H.M.T. de 120 m C.E., (figure 5) soit par des pompes volumétriques à vis excentrées de mêmes caractéristiques (figure 6). Le débit de ces pompes étant proportionnel à leur vitesse, il est possible de l’asservir, dans le cas d’une régulation automatique conçue pour automatiser l’installation.
La décantation est obtenue par l’injection de réactifs aussi bien dans des ouvrages physicochimiques (par coagulation des sels de métaux lourds), que dans des ouvrages d’épuration biologique (bassins d’aération à l’air ou à l’oxygène, filtres bactériens). Cette injection, dosable pour permettre d’optimiser le taux des réactifs, est assurée par des pompes volumétriques doseuses à course de piston réglable, par des pompes volumétriques à vis excentrée, des pompes péristaltiques, ou des pompes centrifuges à débit réglable (figure 7). Des boues secondaires sont ainsi précipitées à leur tour ; elles sont alors soit
remises en circulation en tête du processus, soit acheminées vers les unités de traitement des boues. On utilise à nouveau pour ce faire des vis d’Archimède, des pompes à hélice (verticales ou immergées), des pompes centrifuges à Vortex monocanal ou submersibles, ou des pompes volumétriques à vis excentrées.
L’épuration biologique
À ce stade, les bassins d’aération à air ou oxygène pur permettent d’oxyder et de détruire les micro-organismes, lesquels sont ensuite retenus sur filtres bactériens. Les pompes de recirculation employées sont des modèles centrifuge monocanal ou à hélice.
On voit que ces catégories de pompes sont très utilisées dans l’industrie du traitement des eaux ; on les retrouvera aussi au niveau du prétraitement de l’eau potable ainsi que dans les unités de filtration, comme on le verra plus loin.
Le traitement des boues
Cette opération comprend initialement une phase d’épaississement, laquelle consiste à réduire le volume des boues au moindre coût de l’énergie utilisée. Ces boues épaissies sont extraites et en général elles sont introduites dans des diges-
Ces appareils en forme de cylindre terminé par des cônes, supérieur et inférieur, reçoivent les boues fraîches à leur partie supérieure.
Ils comportent trois zones :
- — une couche supérieure flottante ou « chapeau »,
- — une couche intermédiaire, où la concentration en matière sèche est la plus faible,
- — une couche inférieure, où les boues digérées ou en cours de digestion s’épaississent progressivement.
Ils sont équipés d'une pompe de circulation de boue pour réchauffage alimentant la base du cône supérieur, d’une pompe de recirculation de boues alimentant le sommet du cône supérieur, d’une chaudière à eau chaude alimentée par une pompe de circulation d’eau chaude où les boues sont réchauffées, et enfin à la base d’une évacuation des boues digérées vers le séchage (figure 8).
On utilise des pompes centrifuges à Vortex pour réaliser la circulation des boues dans le circuit de réchauffage et des pompes volumétriques à vis excentrées pour effectuer le transfert entre digesteurs et vers le séchage. Celles-ci, soulignons-le à nouveau, évitent la destruction du floc (figure 9).
Les boues envoyées au séchage peuvent subir un conditionnement thermique, transformation irréversible qui se réalise en les maintenant à une température comprise entre 160 et 210 °C pendant une durée de 30 à 60 minutes. Cette transformation engendre la solubilisation des boues (l’amidon par exemple se transformant en sucre) et la précipitation des matières en solution.
Les boues subissent ensuite un conditionnement chimique par adjonction de réactifs minéraux et organiques, ce qui entraîne une coagulation et une floculation supplémentaires. Les réactifs sont des sels de fer (chlorures et sulfates), du lait de chaux et des réactifs organiques (polyélectrolytes) (figure 10) ; leur adjonction relève soit du domaine des pompes volumétriques à piston (figure 11), soit de celui des pompes volumétriques à vis excentrées, des pompes centrifuges réglables, des pompes à membranes ou péristaltique ; elles doivent éviter la destruction du floc, donner un débit non pulsatoire et permettre l’asservissement du débit.
La dernière phase du traitement des boues est la déshydratation : elle permet de réaliser dans des déshydrateurs l’extraction de l’eau contenue dans les boues issues du conditionnement thermique.
Leur acheminement est assuré par des pompes volumétriques à vis excentrées, lesquelles résistent bien à l’abrasion et sont bien adaptées au pompage de fluides épais (figure 12).
Les boues sont ensuite centrifugées puis elles passent dans des bandes presseuses et bennes filtrantes adaptées à la superfloculation qu’engendrent les réactifs à polyélectrolytes. Elles aboutissent enfin dans des filtres-presses : c’est le domaine d’élection des pompes volumétriques à vis excentrées qui permettent aisément l’asservissement de leur vitesse à la pression régnant dans le filtre (figure 13). C’est aussi le domaine des autres pompes volumétriques, à piston ou à membranes ; par contre le lavage des toiles des filtres-presses est assuré soit par des pompes centrifuges multicellulaires de gros débit et de forte H.M.T., soit par des pompes volumétriques. Après déshydratation, les boues sont reprises par des pompes identiques (avec gaveur) ou par des transporteurs mécaniques.
Dans le cas d’incinération, la reprise des cendres est assurée par transporteurs mécaniques pour phase sèche, ou par des pompes centrifuge Vortex pour schlamms.
De leur côté, les eaux de lavage des cyclônes sont acheminées par pompes centrifuges multicellulaires.
LE TRAITEMENT DES EAUX POTABLES
La chaîne de traitement des eaux potables est qualitativement la même que celle du traitement des eaux résiduaires, mais les dimensions d’organes et leurs caractéristiques sont en général réduites.
Le traitement se divise aussi en quatre parties principales :
- — prétraitement,
- — traitement proprement dit,
- — adjonction des réactifs,
- — traitement des boues.
Le prétraitement
Le relèvement des eaux brutes est réalisé avec des pompes de mêmes types que dans le cas précédent. Lorsqu’une préchloration est nécessaire, elle est assurée par des pompes doseuses à cylindrée ajustable ce qui permet d’obtenir de petits débits et des réglages fins.
Le traitement
L’alimentation des décanteurs d’origine, l’alimentation des filtres et les mouvements des eaux de lavage des filtres sont assurés par des pompes centrifuges, des pompes à hélice et éventuellement des vis d’Archimède, ce qui permet d’obtenir des débits importants sous faible H.M.T.
L’adjonction des réactifs
Ils sont utilisés pour la floculation, la coagulation, la neutralisation et la désinfection des eaux brutes, opérations au cours desquelles on utilise à nouveau des pompes doseuses à pistons de course réglable, des pompes à membrane mécanique ou hydraulique, des pompes volumétriques à vis excentrée ou des pompes péristaltiques. Elles permettent l’obtention de débits réglés finement sous une forte H.M.T., l’asservissement de ce débit (en vue d’automatisation) et peuvent le plus souvent être réalisées en matériaux spéciaux adaptés à la nature du réactif.
Le traitement des boues
Le déroulement du traitement des boues issues des eaux brutes est très analogue à celui des boues émanant des eaux résiduaires, mais leur quantité est plus réduite et leur composition est en général plus spécifique, en fonction de la composition des eaux brutes utilisées. Tout le matériel de pompage est le même que dans l’autre cas.
CONCLUSION
On relève, bien entendu, de nombreux autres exemples de traitement des eaux que ceux qui ont été évoqués ci-dessus, notamment dans le domaine industriel où de nombreuses entreprises utilisent la vapeur, et où il existe des unités de déminéralisation de l’eau de chaudière : c’est le cas des centrales thermiques. De même, dans les centrales nucléaires, le traitement des eaux doit tenir compte des problèmes de radioactivité qui viennent s’ajouter aux autres…
Le traitement des eaux industrielles constitue ainsi un problème fondamental en raison de l’importance que représente leur emploi dans les divers processus de fabrication et de production d’énergie. Au siècle dernier déjà, l’eau de trempe des aciers faisait l’objet d’une préparation soignée et spécifique. Les eaux du Furan, ru canalisé coulant sous la Manufacture Nationale d’Armes de Saint-Etienne, n’étaient-elles pas déjà réputées pour la trempe de l’acier des hallebardes de la bataille de Marignan ? L’acier des grandes épées des Gaulois n’était-il pas trempé dans l’eau de rivières soigneusement sélectionnées par les Druides ?
L’histoire confirme ainsi, s’il en était besoin, l’importance de l’eau dans la vie des peuples et dans leur développement industriel…
