Maîtrise de la séparation lamellaire (2ème partie) expérimentations et performances

Dans le précédent numéro de « L’EAU ET L'INDUSTRIE » (1) G. Treyssac et M. Maes ont traité de la Séparation Lamellaire sur un plan général, dans un exposé qui présentait en première partie :

une analyse comparative des différents modes de conception modulaire :

1. D.L.M. à co-courant type AXELJOHNSON
2. D.L.M. à contre-courant, soit à réacteur externe indépendant type SHELL, soit à réacteur interne incorporé type SUPERPULSATOR
3. D.L.M. à courants croisés type ERPAC.

À titre de premier exemple d’application de la technique ERPAC était ensuite traitée la réalisation de la station SERPAC-BETON implantée dans une centrale fixe de production de béton prêt à l'emploi, au « BETON INDUSTRIEL DE L'OISE » à Verberie (Oise).

Un second exemple industriel est présenté maintenant, celui de l'Usine TREFIMETAUX à COUÉRON (Loire-Atlantique). Il s'agit là de production d’eau industrielle à partir de l'eau d'un fleuve : la Loire.

TREFIMETAUX À COUÉRON

Sur le même site sont implantées deux unités industrielles distinctes occupant au total 540 personnes :

• une usine Tréfimétaux, la plus ancienne ;
• une usine très récente de Tréfimétaux Berylco, filiale commune de Tréfimétaux et du groupe américain Kawecki Berylco Industries Inc. (KBI).

L'usine de Tréfimétaux fabrique chaque mois :

• 80 tonnes de tôles, plaques et disques en cuivre utilisés dans la chaudronnerie (alambics pour la distillation du cognac) et dans l'industrie chimique (barres de distribution électrique).
• 120 tonnes de tôles, plaques et disques en alliages cuivreux spéciaux tels que le laiton, le bronze et le cupro-nickel. Leurs utilisations sont nombreuses : chaudronnerie, plaques d’échangeurs de température, pour la construction navale, les centrales électriques, pour le dessalement de l'eau de mer.
• 30 tonnes de bandes de laiton qui servent dans la décoration, la fabrication des appareils ménagers et l’industrie automobile.

100 tonnes de flancs monétaires destinées à l'Administration des Monnaies et Médailles françaises pour la fabrication de pièces de 5, 10 et 20 centimes en bronze-aluminium, de pièces de 1 F en nickel et de 10 F en bronze au nickel.

20 tonnes de tubes et ailettes en cuivre et en alliages de cuivre utilisés dans la fabrication des échangeurs de température.

L'usine de Tréfimétaux Berylco fabrique 40 tonnes par mois de bandes de cupro-béryllium. Elles servent à élaborer des pièces pour l'appareillage électrique, l'horlogerie, le téléphone, etc.

À Couëron, Tréfimétaux fabrique donc les ébauches de la monnaie de France. Les consommations et qualités d'eau exigées sont rigoureuses et constantes, nous rappelle M. Nivelle (Direction des Travaux Neufs de l'Usine) :

• Qm = 125 m³/h, tolérant une fraction particulaire telle que MeS < 10 mg/l, débit requis pour les ateliers de décapage avec rinçage produisant les ébauches de monnaie ;
• Qm = 175 m³/h d'eaux parfaitement limpides utilisées en fonderie pour le refroidissement des lingotières et des fours.

Toute l'eau ainsi consommée provient de la Loire.

Quand, en 1972, ce problème d'épuration fut posé aux Services Techniques de Serpac, il s'avérait singulièrement ardu d'apporter une solution fiable en tout moment. En effet :

1. Les paramètres physico-chimiques des eaux de Loire sont nombreux et essentiellement variables :
   • MeS passant instantanément d'une concentration de 20 mg/l à quelques g/l ;
   • TAC relativement faible de 5° à 14° F pour un pH alcalin instable compris entre 7,2 et 8,0 ;
   • salinité par Cl⁻ de 20 mg/l à 1 g/l ;
   • NH₄⁺ de 0,10 mg/l à 1,50 mg/l ;
   • matières organiques, exprimées par la consommation KMnO₄ en milieu acide, de 8,2 à 39 mg O₂/l ;
   • coloration jaunâtre et turbidité valant 300 à 800 gouttes mastic/50 ml.
2. Le souci de réaliser constamment le conditionnement adéquat et économique suppose non seulement la connaissance mais la stabilité de ces paramètres analytiques.
3. La décantation de microflocs, persistants, d'origine argilo-humique et planctonique, insensibles aux valeurs de pH comme aux dosages réactifs, apporte une difficulté supplémentaire qui se présente justement lorsque l'eau de Loire est peu chargée.

1. CONDITIONS OPÉRATIONNELLES

Durant l'hiver 1972-1973, une installation-pilote Serpac a été montée en vue de déterminer expérimentalement les conditions de clarification des eaux de surface, quelles qu'en soient leurs qualités. Parmi les nombreux essais entrepris, certains ont été décisifs dans le choix et le dosage des réactifs de coagulation et de floculation, l'adaptation de la préchloration, le réglage des débits de recirculation et d'extraction des boues ainsi que la conception de la chambre de contact et des déversoirs du séparateur lamellaire.

Résumons-les :

a) Variations de charge des eaux brutes : l'étude de la pollution de la Loire fait intervenir, au point de prélèvement :

• l'influence périodique de l'Atlantique dont les hauteurs de flux-reflux au cours des marées font varier de plusieurs mètres le niveau du fleuve, lessivent les berges en modifiant la salinité et l'oxydabilité des eaux (Tab. 1) ;
• le régime hydraulique du fleuve qui, théoriquement, devrait associer la limpidité des eaux à la période de crue et vice-versa leur turbidité à la période d'étiage. En fait, on ne sait pas corréler de manière systématique les concentrations de polluants au débit (P. Crouzet – Agence de Bassin Loire-Bretagne – 1974).

TAB. 1 — Écarts des paramètres analytiques selon les marées en Loire à Couëron

Note : La salinité s'accroît, la teneur en chlorures s'accentue, et les taux d'ammoniaque et d'azote total, indicateurs de matières organiques, font plus que doubler.

TAB. 2 — Écarts des paramètres analytiques en période de crue de la Loire à Couëron

Légende : t : traces. DHT : degré hydrotimétrique total exprimé en °F français. TAC : titre alcalimétrique complet exprimé en °F français. KMnO₄ : consommation O₂ en mg/l des matières organiques détruites par le permanganate en milieu acide (Analyses : Laboratoire Départemental d'Hygiène de Loire-Atlantique, Nantes).

Note : Les fines matières détritiques sont remises en suspension selon les effets de crue ; le taux de boues varie fréquemment et la demande en permanganate est fluctuante.

L'étude de référence menée par M. CROUZET démontrera la détérioration brutale de la qualité des eaux de la LOIRE à ORLÉANS, au cours de la poussée de crue et la discordance des mesures de DCO effectuées sur eau brute et eau filtrée. Les essais ERPAC sont convergents. (Tabl. 2.)

• — le trafic fluvial par le passage des bateaux provoque des remous qui remettent en suspension les boues de fond tandis que le dragage, entraînant l'approfondissement du chenal, le brassage et l'effondrement des berges, disperse les matériaux organiques détritiques.
• — les déversements — en amont — d'eaux résiduaires plus ou moins bien épurées ou assimilées, le caractère épisodique, accidentel ou continuel de ces déversements d'origine urbaine et industrielle créent de plus une sérieuse sujétion pour l'exploitation.

Il en résulte, en résumé, que la période la plus défavorable au maintien du débit contractuel est celle pendant laquelle le régime hydraulique du fleuve est le plus bas, soit l'été, mais que la période critique relative à la limpidité des eaux épurées correspond au régime de crue de la LOIRE par la persistance des microflocs.

b) Emploi des réactifs de coagulation et de floculation :

on sait que le pouvoir floculant d'un électrolyte croît avec la concentration et la valence de l'ion actif, celui-ci portant une charge électrique de signe contraire à celle des particules, selon la règle de SCHULZE-HARDY (1904). Des cations polyvalents, comme les sels de fer et d'aluminium amphotères, seuls ou en combinaison avec de la chaux, provoquent la destruction des édifices colloïdaux. Ici, ces édifices sont de structure argilo-humique, de nature électronégative, ayant adsorbé divers cations échangeables, selon le modèle de la double couche d'HELMOLTZ.

En ce qui concerne la clarification des eaux usées urbaines, il semblerait confirmé que le sulfate d'alumine soit le meilleur réactif pour des eaux diluées fraîches à pH neutre tandis que le chlorure ferrique s'avérerait préférable pour des eaux concentrées, pH alcalin, chargées en ammoniaque et en sulfures (J. BEBIN-DÉGRÉMONT - 1974). La richesse relative en matières humiques des eaux de Loire entraîne des difficultés de traitement : le complexe acide fulvique — Fe³⁺ est non seulement soluble mais en outre coloré (J.P. BUFFLE, J. MALEVIALLE — SLEE — 1974). Le choix s'est donc porté au cours des essais 1972-1973 sur le couple de conditionnement Al₂(SO₄)₃ — polymère anionique ou FeCl₃ — polymère anionique. On distingue bien les actions complémentaires de ces réactifs qui ont la propriété :

• — soit de diminuer fortement les facteurs de stabilisation, et essentiellement les forces répulsives, c'est-à-dire le potentiel Zêta ;
• — soit d'augmenter les facteurs d'attraction, en constituant des ponts entre colloïdes (réticulation), par un processus d'adsorption macromoléculaire.

La première étape correspond à la coagulation, la seconde, indépendante, à la floculation.

Le coût du conditionnement s'établit comme suit :

• — coagulation pour neutraliser les charges électriques des particules par sulfate d'alumine ou chlorure ferrique :
  • • sulfate d'alumine : — 30 à 50 g/m³ soit : 0,0140 F/m³
  • • chlorure ferrique : — 20 à 30 g/m³ soit : 0,0100 F/m³
• — floculation pour rassembler les particules par ERPAFLOC SAH
  • • polyacrylamide anionique : — 0,5 à 0,8 g/m³ soit : 0,0110 F/m³
• — coût du traitement d'eau par coagulation-floculation : 0,0210 à 0,020 F/m³

Ce coût reste une limite supérieure dans les conditions normales de marche.

c) Réglage de la préchloration :

l'accroissement constant de la pollution des eaux superficielles se traduit par l'élévation régulière de la dose de chlore absorbée : la demande en chlore de l'eau de SEINE en amont de PARIS est ainsi passée de 2 g/m³ en 1960 à 8 g/m³ en 1973 (P. CROCE-SPINELLI - DEGREMONT, J.J. PROMPSY - SLEE - 1974). On note dans cette étude que la dose de coagulant nécessaire pour annuler le potentiel Zêta se trouve réduite de plus de 35 % en cas de préchloration de l'eau de SEINE à 8,5 g/m³ en 24 h avec Cl₂ libre : 0,25 mg/l (concentration NH₄⁺ : 0,65 mg/l, oxydabilité KMnO₄, en milieu acide : 8,2 mg O₂/l). Les essais ERPAC de préchloration de l'eau de LOIRE faisant usage d'une dose de chlore égale au breakpoint ont donné satisfaction. La consommation évolue entre 5 et 15 g/m³ pour obtenir une valeur de Cl₂ libre variant de 0,1 à 0,2 mg/l. Les sulfures sont absents des eaux brutes mais l'ammoniaque peut atteindre 1,5 mg/l. On observe effectivement que le floc décante mieux : les cations métalliques élevés à une valence supérieure précipitent plus aisément, le microplancton détruit par le chlore flocule et entraîne avec lui les fines particules eutrophes.

d) Adaptation de dispositifs particuliers :

• — recirculation des boues : il est apparu rapidement que le contact intime et prolongé avec les boues est indispensable pour obtenir une bonne coagulation et par suite, une clarification parfaite de l'eau à traiter, surtout lorsque cette eau est peu chargée en MES. Les meilleurs résultats de conditionnement sont acquis avec une agitation et une homogénéisation préalables du lit de boues. Cette précaution stabilise d'une part les demandes respectives en coagulant et réticulant anionique et d'autre part accélère le processus de clarification par coalescence.
• — déversoirs tubulaires : le mode de collecte de l'eau épurée a été optimisé de façon à ce que l'évacuation ne nuise pas à l'équirépartition des filets au sein de la cellule lamellaire. À cette fin, le déversoir se compose de canaux disposés sur toute la hauteur de la cellule, ce qui améliore la limpidité de l'effluent et le débit de l'installation ;
• — double tranche de traitement : cette disposition est séduisante parce que chaque ensemble peut travailler de façon indépendante, l'usine pouvant éventuellement solliciter l'un ou l'autre. Chaque tranche de 150 m³/h indépendante est desservie par la station de relavage en LOIRE, par l'intermédiaire de deux tuyauteries distinctes, chaque pompe ou groupe de pompe de relavage alimentant une tranche asservit la marche du matériel correspondant.

De façon à éviter les arrêts dans les cellules SERPAC, on pourra à partir d'une même chambre de préparation alimenter les deux chambres de séparation, celles-ci étant reliées l'une à l'autre par une tuyauterie de liaison.

Ces options assurent une très grande souplesse d'exploitation de la station de clarification.

II. CARACTÉRISTIQUES DE FONCTIONNEMENT DE L'INSTALLATION

Les eaux brutes sont pompées en LOIRE à 8 m de fond par une chambre à vide puis distribuées par un groupe motopompe de relèvement. L'installation de traitement comprend deux ensembles fonctionnels distincts assurant un débit nominal de 150 m³/h, soit une capacité de 300 m³/h pour les deux tranches. (fig. 4 et 5)

Chaque ensemble comporte :

• — un poste de chloration ;
• — un poste de correction de pH ;
• — un poste de coagulation avec ballon de mélange par réactif minéral ;
• — une chambre de coagulation et de contact avec les boues recyclées ;
• — un poste de floculation par polyélectrolyte ;
• — une chambre de décantation et de collecte des boues groupant dix cellules de séparation lamellaire.

Les eaux épurées sont stockées dans un bassin d'une capacité de 900 m³ puis éventuellement filtrées sur silex selon les besoins spécifiques des ateliers de l'usine.

a) Chloration et correction de pH :

les postes de chloration et de correction de pH sont installés à la station de pompage

sur le collecteur commun d'arrivée aux pompes et asservis à la marche des groupes de pompage. Les débits de relèvement sont réglés pour assurer une alimentation quasi-continue du bassin de stockage (Fig. 6). Pratiquement, les eaux de LOIRE, régulièrement alcalines, ne nécessitent pas de conditionnement préalable par Na₂CO₃. Par contre, la demande en chlore varie de 5 g/m³ (période hivernale) à 15 g/m³ (période estivale). Temps de contact total en conduite, en floculateur et en décanteur : 27 mn.

b) Coagulation : par sulfate d'alumine ou chlorure ferrique.

Dosage :

• — Al₂(SO₄)₃ : 30 à 50 g/m³
• — FeCl₃ : 20 à 30 g/m³

Le poste de dosage comprend :

• — un bac de préparation du sulfate d'alumine avec électroagitateur ;
• — un bac de stockage pour la solution préparée ou pour le chlorure ferrique concentré à 600 g/l. Le bac est dimensionné pour permettre une autonomie de marche au moins égale à 24 h en sulfate d’alumine : 150 l/h × 24 h = 3,6 m³ (50 g/m³ × 300 m³/h = 15 kg/h, solution à 100 g/l) ;
• — 2 pompes doseuses capables d'un débit variable de 0 à 220 l/h avec une pompe de secours installée (Fig. 7) ;
• — un ballon de mélange et d'homogénéisation. Capacité : 400 l par tranche de 150 m³/h.

c) Contacts :

le dimensionnement de la chambre correspond au débit d'eaux brutes de 150 m³/h. La disposition retenue permet d’intervertir les deux chambres :

• — vitesse ascensionnelle : 1,1 m/h
• — débit de recirculation admis : 25 à 30 m³/h
• — débit total admis : 175 à 180 m³/h
• — diamètre utile : 4,50 m
• — hauteur utile : 1,50 m
• — volume utile : 20 m³
• — temps de séjour théorique : 10 mn.

Le contact intime est assuré par un brassage lent qui préserve les flocs, l'énergie est apportée par l'eau introduite tangentiellement (Figures 8). On maintient dans les chambres de préparation une suspension homogène en boues qui facilite les

Remises en régime lors des arrêts éventuels. Un puisard d’une capacité de 2 m³ collecte les boues du séparateur que des pompes de recirculation aspirent à 50 cm du fond.

d) Floculation : par l’ERPAFLOC SAH, polyélectrolyte de synthèse de polarité anionique à haut poids moléculaire.

Dosage : 0,5 à 0,8 g/m³.

Le poste comprend :

• — un ensemble de préparation et de stockage. Volume de stockage :50 l/h × 24 h = 1 200 l, (0,8 g/m³ × 300 m³ = 240 g/h, solution à 0,5 %) ;
• — un poste de dosage par tranche de 150 m³/h. Débit de la pompe doseuse : 0 à 30 l/h.

L’injection du réactif est réalisée par la goulotte de liaison entre la chambre de contact et le séparateur à lamelles.

L’appoint d’eau propre pour la dilution du floculant est de 5 m³/h.

e) Séparation : par tranche de 150 m³/h. Chaque chambre de séparation comprend 10 cellules SERPAC (fig. 10 et 11). Chaque cellule est capable de clarifier 15 m³/h pour une surface d’entrée de 0,6 m², soit une vitesse de travail de 25 m/h et un temps de séjour de 10 min.

La chambre est constituée par :

• — une goulotte de répartition de l’eau coagulée et floculée ;
• — une zone de tranquillisation pour le grossissement des flocs formés ;
• — 10 cellules de séparation avec dispositif de secouage pour nettoyage intermittent des cellules.

— une zone de collecte et de concentration des boues sous les cellules ;

— une goulotte de reprise d’eau claire ;

— des vannes d’extraction automatique et de reprise de boues pour recirculation.

TAB. 3. — BILAN ANALYTIQUE DE L'INSTALLATION

Examen du 5/4/1977

D’après bulletin analytique du Laboratoire Départemental d’Hygiène de Loire-Atlantique.

Légende :

— Td : turbidité de l’effluent décanté évaluée par nb. de gouttes de mastic/50 ml.

— Th : turbidité de l'effluent homogène.

— ES : extrait sec du surnageant.

Note 1 : l’effluent I représente les eaux de LOIRE, l’effluent II est le mélange I + IV, les eaux admises dans le séparateur lamellaire étant préalablement additionnées de boues recyclées. L'effluent III correspond aux eaux prélevées juste au déversoir SERPAC, donc en amont des filtres à silex de sécurité.

L'extraction des boues excédentaires est évidemment fonction de la charge particulaire des eaux brutes. Le réglage hivernal prévoit des chasses automatiques programmées 1 mn/3 h soit < 0,1 m³/h, le réglage estival active l'extraction au rythme de 15 mn/30 mn soit 7,5 m³/h.

f) Filtration : trois doubles filtres à sable (Ø 2,00 m, charge filtrante : 5,5 t) exploités pour un débit de 180 à 200 m³/h reçoivent les effluents épurés. La vitesse de percolation atteint 8,8 m/h pour des séries granulométriques 25/50, 9/18 et 4/9 disposées en couches de 15 cm d’épaisseur (Fig. 12).

Conclusion :

Quelles sont les performances de cette installation ? Les garanties de résultat sont confirmées quotidiennement. Le débit d'eau industrielle de 300 m³/h exigé en toutes circonstances à partir d'eau de Loire est délivré conformément aux clauses contractuelles. La limpidité est assurée à 70 gouttes de turbidité, l'élimination de la fraction organique résiduaire se maintient entre 70 et 80 %, le pH est réajusté. Quant aux teneurs de matières en suspension ramenées à une concentration toujours inférieure à 10 mg/l, le rendement d’élimination est de l'ordre de 95 % (tabl. 3). Ces résultats de clarification sont obtenus en permanence au coût de conditionnement de 0,0230 F/m³. On notera en particulier le maintien de ces performances, débit et caractéristiques analytiques, durant la récente canicule de l’été et de l'automne 1976 qui accentua sévèrement l’étiage de la Loire.

A. Bénard et M. Maes.