Différents systèmes pour l'enrichissement en oxygène de l'eau souterraine sont à disposition, et utilisés depuis longtemps déjà dans les usines de production d’eau (1). Selon le cas, le choix du procédé le mieux approprié est influencé par les données locales, les coûts d'investissement et d’exploitation. Pour l’aération des eaux souterraines dans les puits, Sulzer a mis au point un nouveau système d'aération intensive, au moyen de mélangeurs statiques disposés dans un réacteur d’aération, breveté dans la plupart des États industrialisés (2), et installé pour la première fois pour l'alimentation en eau de la ville de Zurich. Ce système, ainsi que les résultats obtenus, sont décrits ci-après.
L’AÉRATION DES EAUX SOUTERRAINES
Pour l'introduction de l’oxygène dans l’eau, l’interface ou la surface utile est déterminante, de même que son renouvellement quantitatif ; une installation d'aération fonctionnera d'une façon plus rentable, d’autant plus que ces caractéristiques seront importantes.
Deux techniques d'aération fondamentales, mais d'un autre genre, seront ainsi différenciées. Dans le procédé ainsi nommé « aération à l'air libre », on s'efforce de mettre en contact l'eau, si possible en fines gouttelettes, avec l'air ambiant. Les deux premières figures nous indiquent à ce propos des applications en Suisse. La première montre l'aérateur annulaire, déjà en service, de l'usine de pompage « Schachen » de l'alimentation en eau de la ville de Lyss, et la seconde représente l'aération en cascade, installée dans la station de pompage « Grünfeld », de l’alimentation en eau de la commune de Jona.
Par ailleurs, les deux figures 3 et 4 représentent le principe de « l'aération fermée », en service dans la station de pompage des eaux souterraines « Wuhr » de l’alimentation en eau de Frauenfeld. La figure 4 représente un tuyau en béton entourant la zone d'aération du puits. La figure 3 représente l'introduction d'air dans l'eau. Afin d’atteindre, si possible, une grande surface de contact, et dans le cas d'aération fermée, il est indispensable de répartir l'air dans l’eau sous forme de fines bulles.
Entre les puits de dimensions suffisamment importantes et ceux qui sont subdivisés en une zone d'aération et une zone de prélèvement, la préférence sera accordée à l'aération fermée. Ceci a pour avantage que l'eau ne devra être pompée qu'une seule fois.
LE NOUVEAU SYSTÈME D'AÉRATION DANS LE PUITS
La figure 5 représente le principe de construction de l'aération intensive. Le puits est donc réparti en trois zones :
La section circulaire montre dans sa partie inférieure la zone d'admission pour les eaux souterraines non aérées, qui arrivent au-dessus du tuyau horizontal de captage dans le puits.
L'anneau supérieur représente la zone de dégazage.
La zone de prélèvement est située au centre, d'où les pompes aspirent du puits les eaux souterraines enrichies par l'oxygène et libérées des gaz insolubles.
Les zones d’admission et de dégazage de la section extérieure du puits sont séparées l'une de l'autre par une plaque horizontale. De cette façon, une circulation forcée des eaux sera assurée sur les réacteurs d'aération montés sur cette plaque.
Un réacteur d’aération se compose d'un tuyau à section circulaire ou carrée dans lequel sont incorporés des éléments mélangeurs statiques Sulzer, ces derniers étant également brevetés dans le monde entier. L'eau, ainsi que l'air introduit au moyen de compresseurs, les traversent de bas en haut.
Par un travail de recherche et de développement très coûteux, chaque paramètre est mis au point et minutieusement contrôlé, afin de garantir une interprétation optimale des réacteurs d'aération, eu égard à leurs dimensions.
L'AÉRATION DES EAUX SOUTERRAINES DE ZURICH-HARDHOF
Le service des eaux de la ville de Zurich attribua à Sulzer la commande pour la première exécution du nouveau système d’aération intensive dans un des puits d'eau souterraine à Zurich-Hardhof.
Pour une capacité de pompage de 1 850 m³/h, trois réacteurs ont été installés dans le puits. Ils possèdent une section d’écoulement carrée de 0,49 × 0,60 m et une hauteur utile de 1,8 m (fig. 6). La profondeur de construction des réacteurs donne l'assurance que la capacité totale de pompage est atteinte, même lors d'un abaissement maximal du niveau de la nappe phréatique.
Aération Hardhof
Tableau I
Puits A avec 1 compresseur — Résultats analytiques.
| temps | 9,45 | 12,15 | 15,15 | |||
| état | non-aéré | aéré | non-aéré | aéré | non-aéré | aéré |
| température °C | 12,1 | 12,1 | 12,2 | 12,2 | 12,2 | 12,2 |
| extinction-UV λ 254 nm | 0,7 | 0,8 | 0,8 | 0,6 | 0,7 | 0,6 |
| turbidité λ 420 nm | 0,04 | 0,02 | 0,04 | 0,04 | 0,02 | 0,02 |
| conductibilité (20 °C) μS/cm | 293 | 292 | 294 | 293 | 296 | 294 |
| pH | 7,72 | 7,78 | 7,78 | 7,85 | 7,75 | 7,75 |
| ΔpH | -0,03 | +0,01 | -0,01 | +0,10 | +0 | +0,01 |
| peH (20 °C) | 7,75 | 7,77 | 7,79 | 7,78 | 7,75 | 7,76 |
| teneur en oxygène O₂ mg/l | 5,65 | 7,05 | 5,65 | 7,70 | 5,45 | 7,05 |
| saturation en oxygène % | 55 | 79 | 55 | 78 | 53 | 79 |
| azote nitrique NO₃-N mg/l | 0,855 | 0,86 | 0,89 | 0,875 | 0,85 | |
| acide carbonique libre CO₂ mg/l | 15 | 7,5 | 7,4 | 6,4 | 6,5 | 6 |
| dureté totale (TH) °fH | 15,9 | 15,8 | 16,5 | 16,8 | 16,5 | 16,6 |
| dureté carbonatée (TAC) °fH | 14,4 | 14,3 | 14,6 | 14,7 | 14,7 | 14,4 |
| dureté carbonatée après CaCO₃ °fH | 14,4 | 14,4 | 14,8 | 14,4 | 14,6 | 14,4 |
| dureté calcique °fH | 13,3 | 13 | 13,6 | 13,8 | 13,7 | 14 |
| dureté magnésique °fH | 2,6 | 2,8 | 2,9 | 3,0 | 2,8 | 2,6 |
| oxydants mg/l | — | 0,012 | — | 0,016 | — | 0,014 |
Tableau II
Aération Hardhof – Puits A avec 2 compresseurs — Résultats analytiques.
| temps | 8,45 | 11,30 | 14,30 | |||
| état | non-aéré | aéré | non-aéré | aéré | non-aéré | aéré |
| température °C | 13,3 | 13,6 | 13,1 | 12,9 | 13,1 | 12,8 |
| extinction-UV λ 254 nm | — | — | 0,8 | 0,8 | 0,8 | 0,8 |
| turbidité λ 420 nm | 0,06 | 0,06 | 0,04 | 0,04 | ||
| conductibilité (20 °C) μS/cm | — | 291 | 293 | 296 | 294 | |
| pH | 7,74 | 7,78 | 7,72 | 7,74 | 7,69 | 7,76 |
| ΔpH | -0,03 | +0,01 | -0,02 | +0,01 | -0,04 | +0,07 |
| peH (20 °C) | 7,77 | 7,79 | 7,74 | 7,75 | 7,73 | 7,78 |
| teneur en oxygène O₂ mg/l | 6,10 | 7,75 | 5,7 | 8,7 | 5,55 | 8,50 |
| saturation en oxygène % | 62 | 77 | 57 | 87 | 56 | 84 |
| azote nitrique NO₃-N mg/l | — | 0,84 | 0,825 | 0,86 | 0,84 | |
| acide carbonique libre CO₂ mg/l | 16 | 12 | 8,2 | 13 | 14 | |
| dureté totale (TH) °fH | 16,6 | 16,3 | 16,2 | 16,3 | 16,6 | 16,6 |
| dureté carbonatée (TAC) °fH | 14,2 | 14,3 | 14,6 | 14,5 | 14,5 | 14,4 |
| dureté carbonatée après CaCO₃ °fH | 14,6 | 14,5 | 15,2 | 14,9 | 14,5 | 14,3 |
| dureté calcique °fH | 13,4 | 13,6 | 13,7 | 13,7 | 13,6 | 13,8 |
| dureté magnésique °fH | 3,2 | 2,7 | 2,5 | 2,6 | 3,0 | 2,8 |
| oxydants mg/l | — | 0,011 | — | 0,007 | — | 0,02 |
Tableau III
Aération Hardhof
Puits A avec 3 compresseurs
Résultats analytiques
| temps | 8 h 30 | 11 h 30 | 14 h 30 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| état | non-aéré | aéré | non-aéré | aéré | non-aéré | aéré |
| température (°C) | 13,2 | 12,6 | 12,8 | 12,6 | 12,8 | 12,6 |
| extinction-UV E 254 nm | 0,8 | 0,8 | 0,9 | 0,7 | 0,9 | 0,8 |
| turbidité E 420 nm | 0,08 | 0,08 | 0,06 | 0,06 | 0,04 | 0,04 |
| conductibilité (20 °C) (µS/cm) | 293 | 293 | 294 | 293 | 294 | 294 |
| pH | 7,78 | 7,78 | 7,66 | 7,77 | 7,71 | — |
| ΔpH | — | +0,01 | +0,05 | −0,07 | +0,09 | — |
| pHeq (20 °C) | 7,75 | 7,65 | 7,66 | 7,77 | 7,68 | — |
| teneur en oxygène O₂ (mg/L) | 5,3 | 9,75 | 5,35 | 9,45 | 5,35 | 9,40 |
| saturation en oxygène (%) | 53 | 97 | 53 | 94 | 53 | 93 |
| azote nitrique NO₃-N (mg/L) | 0,845 | 0,845 | 0,86 | 0,855 | 0,88 | 0,855 |
| acide carbonique libre CO₂ (mg/L) | 5,9 | 5,5 | 8,4 | 8,2 | 7,2 | 1,2 |
| dureté totale (TH) (°fH) | 16,4 | — | 16,9 | 16,3 | 16,3 | 16,2 |
| dureté carbonatée (TAC) (°fH) | 14,7 | 14,5 | 14,3 | 14,5 | 14,8 | 14,5 |
| dureté carbonatée après CaCO₃ (°fH) | 14,6 | 14,4 | 15,3 | 14,9 | 15,0 | 14,7 |
| dureté calcique (°fH) | 13,5 | — | 13,5 | — | 13,5 | 13,5 |
| dureté magnésique (°fH) | 2,9 | — | 3,4 | — | 2,8 | 2,7 |
| oxydants (mg/L) | — | 0,007 | — | 0,012 | — | 0,010 |
L'entrée des réacteurs est alimentée par trois compresseurs montés en parallèle, produisant chacun 158 m³ d’air par heure. Les compresseurs nécessaires seront mis en service en fonction de la concentration en oxygène de l’eau brute.
RESULTATS ANALYTIQUES
Dès la fin des travaux de montage et de mise en service, le personnel du service des eaux exécuta des mesures analytiques dans les conditions normales d’exploitation. Les résultats sont représentés sur les tableaux I à III.
En se basant sur ces résultats, le calcul de vérification de la constante de transfert de matière a été fait, afin de confirmer, pour cette station, les valeurs de base prises au stade du projet.
DETERMINATION DE LA CONSTANTE DE DIFFUSION
La détermination de la constante de diffusion Kₐ permet une comparaison du transfert d’oxygène de différents systèmes d’aération. Elle se détermine par calcul, suivant l’équation :
Vf Cs − C₀
Kₐ (h⁻¹) = —— · ln —————
(1 − ε) VR Cs − Ct
signification des termes :
Vf : débit d’eau en m³/h,
VR : volume du réacteur en m³,
ε : gaz « hold-up »,
Cs : saturation en oxygène de l’eau à la température de l’expérience, en g/m³,
C₀ : teneur en oxygène de l’eau avant l’aération, en g/m³,
Ct : teneur en oxygène de l’eau après l’aération, en g/m³.
Les résultats de cette détermination sont résumés dans le diagramme de la figure 7. La valeur élevée de Kₐ témoigne de l’excellent transfert d’oxygène du système d’aération intensive.
PERTE DE CHARGE DANS LE RÉACTEUR
Perte de charge et quantité d’air nécessaire signifient coûts d’énergie et dépenses ; c’est la raison pour laquelle la mise au point exacte de ces deux paramètres est déterminante pour la rentabilité. Le calcul de la perte de charge à une phase dans le réacteur est donné par l’équation suivante :
ε · D · w² · L
Δp = 5 × 10⁴ ——————— (kPa)
dₕ
Signification des termes :
Δp perte de charge en kPa,
f coefficient de frottement,
D densité du fluide en kg/m³,
w vitesse laminaire moyenne basée sur le tuyau vide en m/s,
dₕ diamètre hydraulique des éléments mélangeurs statiques en m,
L longueur du mélangeur en m.
Les valeurs calculées à partir de cette équation donnèrent une perte de charge d’environ 10,4 kPa.
Tableau IV
Aération Hardhof - Puits A
Perte de charge dans les réacteurs d'aération.
| nombre de compresseurs en service | 1 | 2 | 3 |
|---|---|---|---|
| (eau et air) kPa | 10,59 | 10,40 | 9,52 |
Les mesures faites dans la station, par passage d'un courant à deux phases (air et eau) dans le réacteur, ont donné les résultats résumés dans le tableau IV.
L'AÉRATION À FINES BULLES
Pour des buts de comparaison, des aérateurs-diffuseurs ont été étudiés, dont la profondeur d'immersion supportait 6 à 8 m sous le niveau de l'eau. Le diagramme 8 montre la valeur Kₐ atteinte en fonction de la quantité d’air introduite. La plus haute constante de diffusion obtenue a été à peu près 40 h⁻¹ (3).
Compte tenu de la forme du puits et d'une couche d'eau de 6 à 8 m, l'introduction d'air nécessaire était de 650 m³/h, afin d’augmenter la teneur en oxygène dans l'eau du puits de 53 % à 97 % (tableau comparatif 3). Ceci signifie qu’environ un tiers d'air supplémentaire est nécessaire pour obtenir les mêmes résultats que ceux donnés par le réacteur d'aération.
COMPARAISON ÉCONOMIQUE
Dans la station de Zurich-Hardhof, une étude économique comparative des deux systèmes d’aération a été faite, afin d’obtenir une élévation de la teneur en oxygène de 53 % à 97 %.
a) aération à fines bulles.
quantité d'air nécessaire ............ 650 m³/h
profondeur d'immersion des diffuseurs 6,0 m ce
variation moyenne du niveau .......... 3,0 m ce
perte de charge des diffuseurs ...... 0,3 m ce
pression atmosphérique moyenne nécessaire 9,3 m ce
ce = colonne d'eau
b) aération avec réacteurs.
| quantité d'air nécessaire .......... 474 m³/h |
| hauteur de construction des réacteurs 1,8 m |
| variation moyenne du niveau ......... 3,0 m CE |
| perte de charge des réacteurs ....... 0,95 m CE |
| pression atmosphérique moyenne nécessaire ... 5,75 m CE |
Ces valeurs donnent pour l'admission d’air un rapport de puissance de :
n = (650 × 9,3) / (474 × 5,75) = 2,22.
La puissance nécessaire des compresseurs montés à Zurich-Hardhof est de 3 × 6,3 kW. Si l'on admet, pour les moteurs de commande, un rendement de 85 %, la demande inférieure d'énergie nécessaire aux réacteurs se détermine comme suit :
N_inf = (3 × 6,3 × 2,22 − 3 × 6,3) / 0,85
= 27,12 kW.
En opposition avec les diffuseurs, la perte de charge des réacteurs occasionne un abaissement du niveau de l’eau dans le puits et, par ce fait, une demande d’énergie supérieure sera nécessaire pour le pompage.
Si l'on admet un rendement de pompage de 82 % et un rendement des moteurs de 87 %, pour une capacité de refoulement de 1 850 m³/h, il résulte une demande d'énergie supplémentaire de :
N_suppl. = 1 850 × 0,95
-----------------------------
3,6 × 10² × 0,82 × 0,87
= 6,71 kW.
Avec le système d'aération intensive Sulzer, la demande spécifique d'énergie sera alors la suivante :
N_inf = 27,12 − 6,61
--------------
1 850
= 11,10⁻³ kW/m³.
Pour la détermination de l’économie des frais totalisés de courant K, il a été tenu compte des valeurs ci-après :
| capacité de refoulement annuel ..... 16 millions de m³ |
| frais de courant ................... 0,1 fr. s./kWh |
| durée d'amortissement .............. 15 ans |
| intérêt sur capital ................ 6 % |
| annuité ............................ 10,3 % |
K = 16 · 10⁶ × 11 · 10⁻³ × 0,1
100
10,3
= 170 000 fr. suisses
Cette économie des frais de courant de 170 000 francs suisses témoigne de la rentabilité du système d'aération par réacteurs. À cela s’ajoute l’impossibilité pratique de bouchage des éléments mélangeurs, ce qui facilite considérablement la surveillance de la station.
CONCLUSION
Le nouveau système d'aération des eaux souterraines dans les puits apporte, en plus des avantages techniques du procédé, une diminution considérable des frais d'énergie, particulièrement lorsqu’une introduction d’oxygène élevée est requise. Ceci s'est vérifié remarquablement dans la pratique. Pour l'alimentation en eau de la ville de Zurich, trois puits sont déjà en service, alors qu'un quatrième se trouve en phase d'achèvement.
BIBLIOGRAPHIE
1. J. TYLMANN. — Stations modernes d’alimentation des eaux souterraines. Revue Technique Sulzer. Tirage à «Pro Aqua 1969».
2. P. BRUHLHART. — Vorrichtung zur Belüftung von Grundwasser in Brunnen, Brevet CH N° 595 516.
3. J. GNIESER, H. BISCHOFBERGER. — Rapport inédit, Sulzer 1979.
