Le rendement épuratoire d'une unité de traitement des effluents par boues activées peut être amélioré par la mise en ?uvre d'un équipement d'aération. L?optimisation du fonctionnement de ces équipements implique une parfaite connaissance des interactions en jeu. Celles-ci sont complexes et nécessitent de s'appuyer sur des calculs, voire des techniques de modélisation sophistiquées, pour optimiser le rendement des équipements dans un cadre donné.
Réalisé par , Technoscope
En France, le traitement biologique des eaux usées municipales est réalisé dans 56 % des cas par des procédés basés sur le principe des boues activées. Il repose sur l'utilisation de l’activité bactérienne pour la dégradation de la matière organique présente dans les eaux usées. Cette opération est menée en présence ou en l'absence d'oxygène.
En présence d’oxygène, les bactéries digèrent la pollution carbonée qui se trouve au sein de l'effluent. Pour optimiser l’échange, la présence d’oxygène dans le bassin d’aération est indispensable. Celle-ci est apportée soit par aération, soit par oxygénation à l’oxygène pur. La plupart des équipements actuellement en service sont basés sur l'aération, l’oxygène pur étant plutôt réservé au traitement de cas particuliers ou ponctuels (surcharge passagère ou encore sous-dimensionnement).
En aération, les rampes permettent d’oxygéner le milieu et les agitateurs favorisent le transfert d’oxygène en assurant le brassage du milieu. Si ces deux équipements sont essentiels pour les bassins à boues activées, leur implantation doit être optimisée pour accroître le rendement tout en réduisant la consommation énergétique du process qui peut représenter à lui seul près de 60 % du coût énergétique de la station d’épuration.
Accroître les performances du traitement
L’oxygénation du milieu est directement liée à la qualité de l'aération. Les travaux entrepris depuis une quinzaine d’années par le Cema-
greffé, avec le soutien des chercheurs d’OTV, du Cirsee, de Lyonnaise des Eaux et de Stereau ont été présentés voici tout juste un an au congrès de l’ASTEE d’Aix-les-Bains en Savoie (voir EIN N° 274 page 37 et suivantes). « Ces travaux ont mis en évidence des points essentiels comme l’importance d’allier aération et circulation pour optimiser le traitement », explique Wladimir Scriabine, Responsable produits agitation-aération chez ITT Flygt. « Pour favoriser l’échange, il doit y avoir une vitesse minimale de circulation. Cette vitesse est liée au débit d’air en fonction du débit surfacique et de la profondeur. Elle doit être calculée au cas par cas. Il n’y a pas de vitesse standard et la valeur donnée dans les appels d’offres est trop souvent sous-évaluée. » Pour dimensionner correctement les équipements, il faut tenir compte de nombreux paramètres, notamment la forme et la profondeur du bassin, le comportement hydrodynamique de l’effluent. Ainsi, avec l’augmentation du foncier qui favorise la construction de bassins de plus en plus compacts, il n’est plus rare de rencontrer des bassins de profondeur pouvant atteindre 8 m à 8,5 m. Si l’on y prend garde, le système d’aération-agitation engendre une vitesse ascensionnelle très importante conduisant à un mauvais échange entre la bulle d’air et l’effluent. Celui-ci s’accompagne d’un effet de retour en surface du courant. « Dès que nous dépassons six mètres, nous installons deux niveaux d’agitateurs pour limiter ces problèmes », explique Wladimir Scriabine, « il faut que l’écoulement hydraulique en sortie des raquettes soit stabilisé et que la vitesse horizontale soit supérieure ou égale à la vitesse ascensionnelle. Dans le cas contraire, nous ne pourrons pas vaincre les courants de convection verticaux (Spiral-flow) qui sont générés en amont et en aval des raquettes. »
Pour mieux concevoir leurs installations, les équipementiers mettent en œuvre des outils de modélisation complexe.
La modélisation, une aide à la décision
Les logiciels de modélisation facilitent la prise en compte de la forme et de la taille du bassin. Ils aident à trouver la meilleure implantation pour les aérateurs et les organes de brassage. En les appliquant aux différentes étapes du traitement, on cherche à obtenir de meilleures performances en optimisant la forme des bassins et l’implantation des équipements d’aération et de brassage.
Ces logiciels sont aujourd’hui utilisés chez Anjou Recherche. L’entreprise a développé ses propres outils de modélisation à partir de logiciels comme Fluent (code CFD Computer Fluid Dynamics) dont la vocation première était le marché de l’aéronautique. Cet outil de base a été adapté par Veolia Water. « Nous pouvons modifier la forme des bassins et l’implantation des différents équipements pour étudier les contraintes de cisaillement, l’hydrodynamique de l’effluent de façon à obtenir les meilleures performances », sou-
Modèle hydraulique pour optimiser les bassins biologiques aérés
Sachant que l'aération représente près de 60 % du coût énergétique d'une station d’épuration, l’amélioration des performances permet une réduction substantielle des coûts de construction (par une diminution du volume des bassins) et des coûts d'exploitation (par un abaissement de la dépense énergétique). Pour atteindre ces objectifs, Veolia Water a lancé des travaux de thèse et post-doctoral pour développer des outils mathématiques de modélisation hydrodynamique par mécanique des fluides afin de prédire et d'optimiser les performances des bassins à boues activées. Cette étude est complexe car elle met en œuvre des interactions multiples, c'est-à-dire solide (particules), gaz (bulles d’air) et liquide.
Dans un premier temps, ces modèles ont été validés par des mesures de vitesse de l'eau et de transfert d’oxygène sur des unités pilotes et réelles. Une fois validés, ces outils donnent accès à l'ensemble des variables locales (vitesse, taux de présence du gaz, concentration de l'oxygène dissous) et ceci en tout point du procédé sans limite de taille et de condition de fonctionnement de l’unité. Les bassins simulés vont de 7,5 m³ à plus de 10 000 m³. Cette analyse permet de visualiser des zones de décantation ou des zones déficientes en oxygène, par exemple. L'objectif est alors de proposer des solutions pour réduire, voire éliminer ces zones mortes. Aujourd’hui ces travaux sont modélisés aussi bien lors de la phase de dimensionnement et de choix des équipements que lors de la réhabilitation.
Hervé Suty, Directeur d’Anjou Recherche, précise : « Tous ces modèles, une fois corrélés avec les mesures réalisées sur les différents pilotes du groupe ainsi que sur des installations réalisées, ont permis de mieux comprendre certains phénomènes comme les flux turbulents de l'agitation en phase d’aération, ou encore de prouver le non-respect des lois de similitude. Ils nous permettent de travailler sur les contraintes aux limites, ce que nous ne pouvions pas faire avec les calculs manuels. Aujourd'hui, nous savons optimiser les équations de Bernouilli au niveau d'un réacteur et la technique de modélisation déterministe nous a permis de beaucoup progresser. »
D’autres entreprises font appel à la modélisation, comme Air Liquide, qui s'est engagée dans un partenariat scientifique qu'elle a conclu avec le Laboratoire de Génie Chimique de Toulouse et la société Milton Roy Mixing (MRM), un fabricant de matériels de traitement de l'eau. Ces recherches ont porté sur l’optimisation d'un système d’oxygénation pour le traitement des effluents. Les travaux de modélisation du Laboratoire de Génie Chimique de Toulouse – conduits par Martine Poux, Rodolphe Sardeing et Catherine Xuereb – ont permis d’optimiser les performances hydrauliques et de transfert d’oxygène de l'appareil Turboxal. « Cet équipement a fait l'objet d'une modélisation CFD en trois dimensions et en régime transitoire avec la prise en compte du mouvement de l’hélice dans un maillage mobile », ont expliqué les intervenants de l’Air Liquide lors de la conférence sur « l’optimisation du dopage à l’oxygène et du comportement hydrodynamique d'un bassin de traitement biologique des eaux usées grâce à la modélisation en mécanique des fluides » aux dernières « Journées information Eaux de Poitiers » en septembre 2004. Ce modèle a ensuite été simplifié pour ne retenir que les composantes axiales, radiales et circonférentielles, modèle calé à partir des données techniques fournies par le constructeur, c’est-à-dire les dimensions du panache d'eau recueillies sur un bassin industriel. Aujourd’hui, le Turboxal se positionne comme technique innovante pour l'environnement ; à ce titre, il a été primé par l'Ademe lors du dernier salon Pollutec 2004.
Un dopage à l’oxygène...
L'évolution des normes de rejet et l'augmentation des besoins impliquent souvent de recourir à des techniques complémentaires pour le traitement des surcharges temporaires de pollution. L'injection d'oxygène pur, directement dans les bassins de traitement des eaux, peut être une solution au problème. Elle permet d’accélérer le processus naturel d’épuration bactériologique de l'eau. Développé depuis deux ans par Air Liquide, le Turboxal permet d’injecter jusqu’à 140 kg d’oxygène par heure dans tous types de bassins traitant des rejets liquides en milieux industriels ou urbains. Conçu comme un équipement mobile, sa rapidité de mise en œuvre permet notamment de répondre aux variations de la demande des stations d’épuration. « Notre équipement est particulièrement adapté au traitement de fortes pollutions saisonnières comme dans les industries de l’agro-alimentaire, de la chimie ou encore des zones touristiques. Il apporte aussi une solution épuratoire pendant les périodes de travaux sur les bassins des STEP », explique Nathalie Chramosta, Chef de marché Eaux et Environnement chez Air Liquide.
Chez Air Products, le procédé Oxy-Dep
Apporte une solution à l’abattage de la DCO et au traitement du NTK (pollution azotée). Il peut être proposé de pair avec un bassin réalisé sur mesure.
MESSER !
Cette option a été mise en place sur une station d’épuration communale, dimensionnée pour une charge de 2 000 EH qui a vu sa charge atteindre des valeurs comprises entre 6 000 et 8 000 EH. Cette surcharge entraînait de nombreux dysfonctionnements avec notamment l’apparition d’odeurs nauséabondes, une mauvaise décantabilité des boues (apparition de bactéries filamenteuses) et un rendement épuratoire fortement dégradé. La mise en place d’un système pompe – Venturi extérieur au bassin, permettant l’injection d’oxygène pur, a permis de répartir au mieux l’apport d’oxygène tout en facilitant les opérations de maintenance.
Ce bassin d’aération est conçu pour travailler sur des concentrations en MES importantes et s’adresse de fait aux industries rencontrant ce problème : industries agro-alimentaires (abattoirs), papetières et chimiques. Une pompe est placée dans le bassin et aspire l’eau pour la diriger vers un mélangeur d’oxygène pur. L’Oxy-Dep assure un apport spécifique de 5 kg d’oxygène pur par kilowatt d’électricité consommé par la pompe. Le convergent-divergent optimise le mélange eau-oxygène. Celui-ci est ensuite réparti par des éjecteurs liquide-liquide en fond de bassin, assurant ainsi un brassage optimal de l’eau suroxygénée avec celle du bassin. L’équipement est piloté à partir d’une mesure d’oxygène dissous.
L’Oxy-Dep VSA, qui comprend un générateur d’oxygène monté sur un châssis, a été retenu par Courchevel pour augmenter de près de 30 % la capacité de sa station de traitement afin de faire face au pic de la période estivale. Elle peut ainsi absorber la totalité de ses eaux usées et respecter les normes de rejet tout au long de l’année, y compris pendant la haute saison touristique. Le principe du générateur d’oxygène sur site permet à la commune de s’affranchir des contraintes de livraison d’oxygène liquide par camion-citernes, justement difficile en hiver, au moment crucial.
Le Solvox V de Linde Gas assure une fonction similaire. Cet équipement est particulièrement adapté pour le traitement des bassins de faible profondeur. Il est constitué d’une pompe immergée à rendement hydraulique élevé, d’un distributeur assurant la répartition de l’eau à faible teneur en oxygène en flux séparés, de tubes Venturi avec des buses d’injection biphasiques spécialement dimensionnées pour le transfert d’oxygène sous forme de micro-bulles et de tuyaux mélangeurs pour une distribution régulière de l’eau enrichie en oxygène.
« La conception du système d’oxygénation, son dimensionnement et l’adaptation de chaque composant permettent une répartition précise de l’eau aspirée à faible teneur en oxygène pompée dans les différents jets », souligne Stefan Dullstein, ingénieur applications chez Linde Gas. « La dissolution régulière d’oxygène sous la forme de micro-bulles, grâce aux buses biphasiques dans les différents jets ainsi que le rejet des effluents enrichis en oxygène, garantissent un rapport idéal entre le rendement et la capacité effective. »
De son côté, Messer propose deux gammes permettant un dopage à l’oxygène au moyen d’un ensemble pompe-Venturi susceptible, selon les cas, d’être immergé ou non dans les bassins.
… ou à l’air pour compléter l’épuration biologique
Sur les bassins et les lagunes, des systèmes d’aération à l’air peuvent aussi être utilisés pour améliorer le traitement. De nombreux équipements sont proposés sur le marché qui…
combinent ou non aération et brassage via différents dispositifs. KSB, Flygt, Landia, Caprari et Salmson disposent chacun d'une offre étoffée en matière de brassage. ABS, Aqualor, Europelec avec Aquadisc ou Aquatube, Flygt avec sa gamme Sanitaire® ou encore IFU avec son Kombimix proposent des diffuseurs fines bulles basés sur différentes techniques. Leur capacité de transfert d'oxygène est intéressante même si la technique est handicapée par des phénomènes de colmatage entraînant des pertes de charge.
De son côté, Biotrade propose l'Hydrodyn série F qui possède un hydroéjecteur immergé en inox associé à une pompe submersible en construction fonte ou inox de marque KSB pour installation en fond de bassin. Dans sa version de surface, l'Hydrojecteur-S assure l'aération dans les bassins et les lagunes. Placés sur une rampe alimentée par une pompe de surface, ils assurent à la fois l'aération et le brassage. Des équipements de ce type ont été installés pour le dopage du bassin aéré de la station de la Roquette à Vic-sur-Aisne, en complément des turbines existantes et en remplacement des turbines défectueuses. Flygt propose aussi en location des systèmes composés de pompe + hydroéjecteur (Groupe Flo-Get) en version mobile, d'une mise en œuvre facile. Salmson offre une autre solution avec le système d'aération Rotox, aérateur avec pompes immergées pour les eaux usées. Il est installé en fond de bassin, sans modification de génie civil, tuyauterie ou accessoire hydraulique. Le Rotox permet d'équiper les profondeurs comprises entre 2,5 et 4 mètres. Cet appareil, décliné en 7 modèles, est adapté à tous types d'installations lorsque l'unité arrive à saturation ou lors de la maintenance du système d'aération habituel. De son côté, ABS propose son Venturi-Jet, une gamme composée de 8 modèles susceptibles d'être installés sur tous types de bassins, pleins ou vides. Le Venturi-Jet peut être également utilisé pour nettoyer les bassins d'orage et assurer une pré-aération qui permettra de réduire la charge polluante se dirigeant sur la station. Avec Oxyflow, Caprari propose également un système composé d'un hydroéjecteur immergé, constitué d'un tube aspirant l'air en surface accouplé à une pompe : un système simple mais fiable et efficace, construit pour tourner 24 heures sur 24. Initialement destiné à l'oxygénation des bassins de stockage et de traitement d'effluents, il peut être mis en œuvre pour réoxygéner des étangs ou plans d'eau.
En matière d'aération de surface, l'offre est tout aussi abondante. Spécialisé dans ce domaine depuis plus de 25 ans, TMI, qui figure parmi les leaders du secteur, propose des aérateurs de surface, fixes ou flottants, assurant simultanément l'oxygénation, le mélange effluent/boue et le maintien en suspension. Jean-Louis Saussac est directeur commercial chez TMI. Il explique : « L'aération de surface est une méthode rustique mais qui reste incontournable dans bien des cas grâce à son efficacité, sa flexibilité, son faible coût et sa maintenance très réduite ». TMI propose des aérateurs de surface fixes (de 1,1 à 75 kW) constitués d'un groupe d'entraînement et d'une turbine à vitesse lente en rotation à la surface du liquide. « La conception de ces turbines – des pales minces soudées sur un moyeu – assure une valeur élevée de transfert d'oxygène ainsi qu'une bonne mise en suspension des boues », assure Jean-Louis Saussac. « Réalisées en acier au carbone, les turbines sont entraînées à vitesse lente par un réducteur de vitesse déterminé, avec un facteur AGMA élevé ». TMI propose également.
une large gamme d’aérateurs flottants, utilisés essentiellement en lagunes ou lorsque les travaux de génie civil sont onéreux, voire impossibles. Leur conception est identique aux aérateurs fixes. Seul le principe d'installation diffère. Un moto-réducteur, calculé avec un facteur AGMA élevé entraîne à vitesse lente une turbine en surface du liquide. Lorsque l'apport en oxygène n’est pas un critère primordial (moins de 1,1 kg d’O₂/kW) des aérateurs à vitesse rapide peuvent être utilisés. Ils sont constitués d'une turbine à vitesse rapide à l'intérieur d'une tuyère.
Isma propose de son côté depuis plusieurs années les aérateurs à vis hélicoïdales Fuchs, qui assurent une aération efficace en générant une circulation horizontale de l'effluent. Bien adaptés pour l'aération et le brassage en lagunage et bassins à boues activées, leur robustesse est reconnue. Ils ne nécessitent pas d’entretien et sont économes en énergie. Plus de 6.000 appareils sont en service sur plus de 2.000 sites depuis 1970.
L’agitateur d’Oloide convient également pour l’aération de grand volume. Cet équipement de 75 kg refoule 750 m³ par heure sur plus de 100 mètres. L'innovation réside dans la mise en œuvre d'un mouvement de cinétique d'inversion. Le corps de l'appareil comporte deux axes d'entraînement munis de fourches qui tournent en sens contraire l'une de l'autre à des vitesses variables. De ce fait le courant créé est doux, multidirectionnel, rythmique et pulsatoire. Utilisé comme agitateur, cet équipement remonte le liquide depuis le fond et le renvoie ensuite presque horizontalement sous la surface. Les couches de surface riches en oxygène sont ramenées vers le fond et de nouvelles couches pauvres en oxygène peuvent à leur tour être enrichies. Le liquide est ainsi brassé et homogénéisé sans affouillement des sols et des berges. L’appareil peut être utilisé en fonction mixte d'agitation et de brassage, il double pratiquement le transfert d'oxygène naturel, apportant 8 à 12 grammes d'O₂ par m² de plan d'eau par jour. Il peut aussi être jumelé à des aérations traditionnelles (à fines bulles, à disques par injection, turbine etc.). Le mouvement créé augmente la durée de séjour des bulles dans le liquide et distribue l'oxygène dans tout le volume : il augmente ainsi les performances du matériel en place et élimine les zones mortes.
D’autres solutions sont proposées avec les aérateurs de Faivre. Ce spécialiste de l’aération propose toute une gamme d’aérateurs dont les turbines rapides “Flowpulse” de 1,5 à 22 kW et les turbines déprimogènes “Hydropulse” provoquant un courant horizontal (1,5 à 4 kW) permettant l'aération et le brassage des bassins, évitant ainsi toute stratification des effluents et des plans d’eau, tout en améliorant le processus de biodégradation des matières organiques et en éliminant les mauvaises odeurs. De son côté, Flygt propose des turbines de fond (type Flymarator) qui sont notamment utilisées pour le traitement biologique des lisiers, avec une particularité hydraulique : une roue en inox avec un revêtement chromage dur et un plateau de diffusion en fonte au chrome assurent une bonne résistance à l'abrasion.
SCM Tecnologie propose avec les familles SC et SC/L, une gamme complète d’aérateurs submersibles auto-aspirants jusqu’à 7,5 m de profondeur et capables d’aérer des bassins jusqu’à 17 m de diamètre. Au total, plus de 30 modèles sont disponibles dans des puissances de 1,5 à 55 kW. ABS dispose également d'une offre étoffée avec ses aérateurs submersibles TA système Frings, qui peuvent être installés en stationnaire ou en installation flottante. Ils sont constitués d’une turbine en forme d'étoile montée directement sur l'arbre moteur, d'un diffuseur monté de façon annulaire ainsi que d’une tuyauterie d’aspiration d’air. La turbine tourne au centre du diffuseur, engendre une dépression et de ce fait, aspire automatiquement de l’air par le biais de la tuyauterie. L’eau s’écoule simultanément au travers de la turbine, est mélangée avec l’air et propulsée à l’extérieur au travers des canaux du diffuseur où l’air est fractionné en très fines bulles.
Les aérateurs submersibles Tsurumi - distribués en France par la CE2A - sont également souvent utilisés en système d'appoint d'aération lorsque celle-ci se révèle insuffisante dans des bassins d’ERI surtout. Ils sont appréciés pour leur robustesse, leur longévité, leur maintenance réduite et leur extrême simplicité d'installation et d'utilisation. En effet, la plupart du temps, il n'est pas nécessaire de modifier ni le génie civil, ni les systèmes d'aération qui sont déjà en place, qu’ils soient de surface ou de fond. La mise en place de 45 aérateurs se fait en moins d'une journée. La grande capacité de brassage des aérateurs Tsurumi permet un bon transfert de l'oxygène contenu dans l'air auto-aspiré par l'appareil dans l'effluent. Il est possible d'atteindre des coefficients alpha élevés (0,80 à 0,90). CE2A a développé par ailleurs un flotteur qui peut s’utiliser en un ou plusieurs exemplaires afin de pouvoir y adapter aérateurs submersibles, pompes submersibles ou de surface, agitateurs, etc...
De la même façon, Landia conçoit depuis près de 50 ans des agitateurs et aérateurs pour les stations d’épuration urbaines et industrielles. Le système Air-Jet, un équipement utilisé dans le secteur agricole et industriel, réalise simultanément l’aération et le brassage des eaux, des effluents et des boues dans les bassins d’épuration.
