L'agitation a été pendant longtemps une technique basée sur l'empirisme et sur des essais sur pilote à petite échelle. Depuis quelques années, il existe des moyens scientifiques et informatiques performants (tels que Phoenics( ou Fluent(), qui permettent d'analyser précisément l'hydrodynamique d'une cuvée agitée et de prévoir le résultat d'un système d'agitation. Ces moyens sont, aujourd'hui, disponibles pour déterminer une solution optimale dans un procédé de traitement d'eau qui, au demeurant, contribue à la qualité du niveau de traitement recherché des eaux résiduaires.
Chaque station de traitement d’eau est conçue pour élaborer, à son stade final, une eau traitée qui doit satisfaire, soit à des critères sanitaires dictés par son utilisation ultérieure, soit à des paramètres de dépollution selon des contraintes imposées par le milieu récepteur.
Chaque filière de traitement fait appel à des procédés spécifiques avec la mise en œuvre de réactions biologiques ou biochimiques ou encore purement chimiques qui, pour la plupart, sont mises en œuvre dans des cuves de capacités plus ou moins importantes, dont les volumes sont calculés avec précision pour atteindre les objectifs recherchés.
Ces ouvrages, d’une capacité prédéterminée, constituent, avec l'eau à traiter et des additifs éventuels, de véritables réacteurs biochimiques qui exigent que toutes les conditions soient remplies pour fonctionner de façon optimale.
Dans la plupart des cas, l’agitation de ces « liquides », plus ou moins concentrés en matières organiques, peut devenir un facteur limitant. C’est pourquoi, la bonne maîtrise de l’agitation dans de tels ouvrages contribue à l’efficacité du procédé de traitement.
Cette fonction d’agitation, d’apparence banale et systématique, devient finalement complexe et très importante. Elle se caractérise par des critères hydrauliques et mécaniques mais aussi par des paramètres physiques des liquides à agiter, selon l’étape du traitement à satisfaire.
Sans vouloir être exhaustifs au niveau de chaque procédé de traitement, il est cependant possible de distinguer différentes fonctions d’agitation pouvant être rencontrées dans une filière de traitement.
Principales fonctions d’agitation rencontrées dans une station d’épuration
Fonction de mélange ou d'homogénéisation
Il s‘agit de mélanger un ou plusieurs liquides miscibles avec ou sans matières en suspension (MES), pour rechercher une uniformité des caractéristiques physiques telles que la concentration en MES, viscosité, température, pH, etc. Prenons l’exemple du mélange d’effluents bruts, de boues activées, de liqueurs mixtes, de boues en cours de digestion ...
Fonction de remise ou de maintien en suspension de particules solides dans un liquide
Dans ce cas, l’objectif d’agitation est la mise en vitesse de la suspension pour atteindre des vitesses de circulation supérieures aux vitesses de décantation des solides. C’est particulièrement le cas dans les fosses de dépotage ou de matières de vidange ou encore dans les ouvrages de stockage de boues de nature et de composition diverses.
Fonction de circulation
Cette fonction s’adresse principalement aux bassins d’aération qui présentent des formes hydrauliques étudiées pour assurer une mise en vitesse
homogène des boues activées, sur toute la section et dans tout le volume, afin d’améliorer le transfert d’oxygène dissous tout en évitant le dépôt des matières décantables.
Fonction de dispersion
Pour cela, il faut mettre en œuvre une agitation intense avec un taux de cisaillement élevé pour entraîner une variation des caractéristiques physiques du liquide ou de la suspension (viscosité, concentration en MES, masse volumique...). C’est le cas de la préparation de polymères, de polyélectrolytes, de chlorure ferrique...
Fonction de floculation
C’est une fonction propre aux traitements physico-chimiques qui correspond à un mélange de faible intensité de l’effluent pour favoriser la formation de flocs par agglutination de colloïdes après l’addition de polymères.
Pour chacune de ces fonctions, le choix de l’équipement d’agitation est guidé par des critères hydrauliques résultant de l’action du mobile d’agitation sur la nature et les paramètres physiques du liquide à agiter.
Principe de fonctionnement d’un agitateur submersible
De par sa conception, l’agitateur submersible crée un puissant flux hydraulique dans le volume de la cuve par concentration des flux radial et tangentiel dans le flux axial, au niveau du mobile d’agitation.
Cette technique d’agitation, qui résulte de la théorie du jet, met à profit le phénomène de « friction » entre le flux ainsi créé et la masse de liquide qui résiste à sa mise en vitesse en donnant naissance à des flux secondaires très importants.
Cet effet de jet est la résultante de la quantité de liquide propulsée, par unité de temps, dans la section balayée par le mobile d’agitation en rotation. Cette quantité de liquide, ainsi pompée, est caractérisée par le débit de pompage. Par ailleurs, ce jet, ainsi mis en œuvre, a un effet d’entraînement sur le liquide environnant qui est quantifié par le débit induit. Le résultat de ce double effet correspond au débit de circulation engendré par l’agitateur au sein de la cuve.
Sur le plan de l'hydrodynamique, l’agitateur submersible imprime, au cours de son fonctionnement, une quantité de mouvement sur le liquide et les particules solides qui sont, à l’origine, stagnantes.
En conséquence, les forces requises, mesurées pour le déplacement du liquide ou de la suspension stockés dans la cuve, doivent être supérieures à la résistance élastique de mise en mouvement du liquide pour dépasser le seuil d’écoulement.
Ces notions d’hydraulique et de mécanique des fluides peuvent être ramenées au calcul de la force de réaction engendrée par une hélice sur le liquide stagnant. Cette force de réaction est équivalente à la poussée axiale (F) exercée par l’hélice de l’agitateur. Le mouvement initial du volume peut être défini par la formule :
F = τA = Kη ρ · μ²
La valeur de cette poussée est principalement fonction de :
- • la nature du liquide,
- • son comportement rhéologique,
- • ses caractéristiques physiques,
- • la forme et dimensions de la cuve,
- • la vitesse de circulation au radier.
La poussée s’exprime alors comme une fonction de la contrainte de cisaillement du liquide à sa mise en mouvement, par rapport aux frictions hydrauliques exercées par le liquide sur les parois de la cuve, et à laquelle il faut intégrer les caractéristiques du liquide à agiter.
Pour les agitateurs de la série 4600, l’action hydrodynamique est encore renforcée par la présence d’un concentrateur de flux autour de l’hélice qui augmente l’effet de jet et améliore les rendements d’agitation de l’ordre de 15 % tout en limitant les vortex de surface ou de fond.
En présence de liquides concentrés, ou visqueux, ce concentrateur est prolongé d’une à deux fois le diamètre de l’hélice afin d’éviter les courts-circuits hydrauliques en extrémité d’hélice et renforcer l’effet de jet.
Détermination d’une solution d’agitation
Nous l’avons vu, l’agitation est un terme générique qui englobe bien des acceptations. Or, pour calculer une solution d’agitation, il est primordial de connaître l’objectif d’agitation qui est recherché pour sa mise en œuvre dans le procédé, afin d’identifier correctement la fonction requise et les critères hydrauliques indispensables aux calculs. La géométrie, les dimensions de l’ouvrage, sont bien entendu capitales ainsi que les contraintes de mise en place ou encore les obstacles éventuels à la circulation hydraulique au sein du volume. Nous avons vu qu’une agitation efficace résultait de la répartition optimale des contraintes de cisaillement et des flux apparents dans la cuve, pendant une période de temps donné.
Par conséquent, le positionnement et l’orientation de l’agitateur, dans la cuve, sont essentiels pour distribuer le flux de circulation suivant le profil de la cuve avec le minimum de pertes hydrauliques.
Enfin, la nature et les caractéristiques du liquide à mettre en œuvre sont tout aussi essentielles pour déterminer, d’une façon scientifique, un système d’agitation.
À l’issue de l’invention de l’agitateur submersible, en 1977, notre société s’est donné rapidement les moyens scientifiques pour maîtriser l’hydrodynamique d’une cuve agitée à l’aide de puissants logiciels de mécanique des fluides, tels que Phoenics® et Fluent®, et des équipements de mesures des écoulements des champs de vitesses tridimensionnels par vélocimétrie laser à effet Doppler.
Associé à une expérience internationale, il a été possible de concevoir et de développer un logiciel expert dénommé Mids pour déterminer la meilleure solution d’agitation à mettre en œuvre à partir des données du cahier des charges et des résultats attendus.
En partant des données du cahier des charges, ce logiciel détermine, à partir de cinq niveaux de calculs hydrauliques menés en parallèle, la poussée axiale nécessaire pour atteindre le résultat d’agitation escompté.
Il reste ensuite au technicien à sélectionner l’équipement d’agitation qui satisfait aux contraintes du procédé et de l’installation parmi les modèles d’agitateurs proposés par ce logiciel. L’utilisation de ce logiciel nécessite la connaissance parfaite des données physiques et rhéologiques du liquide à agiter, qui sont prises en compte successivement dans le déroulement des calculs hydrauliques. Dans certains cas, ces données de base sont inexistantes, soit par méconnaissance du liquide à agiter qui n’est pas encore élaboré, soit par l’absence de mesures physiques. Dans ce cas, il faut avoir recours à des analyses préliminaires pour appréhender les données indispensables aux calculs d’agitation.
Le laboratoire d’agitation
Les connaissances et les expériences accumulées dans le domaine de l’agitation submersible, au cours de ces nombreuses années, tant en France qu’à travers le monde, ont permis à la société d’établir son propre laboratoire d’agitation.
Ce laboratoire est conçu pour :
- • réaliser des études d’analyses physiques et de rhéologies des liquides à agiter dans le cadre de projets d’agitation,
- • mettre en évidence et mesurer des résultats d’agitation sur modèles physiques (vitesse d’écoulement, temps de mélange, puissance dissipée…),
- • dispenser les connaissances lors de stages portant sur l’agitation dans le cadre de la formation continue.
Le laboratoire d’analyses physiques et rhéologiques
Ce laboratoire a un rôle primordial dans la caractérisation physique des liquides à agiter dans le cas où il est impossible de disposer de ces données pour l’étude d’une solution d’agitation. Pour cela, nous devons disposer d’un échantillon (1 à 2 litres) qui devra souvent être représentatif de plusieurs centaines de mètres cubes.
Dans le cas de prélèvement sur site, il est indispensable d’être particulièrement vigilant sur le mode de prélèvement et d’apporter toutes les indications nécessaires à la nature de l’échantillon. Dans d’autres cas, il faut reconstituer un échantillon, le plus représentatif possible, en laboratoire, à partir de composants chimiques, suivant les indications fournies pour l’étude.
Ce laboratoire est équipé de tout le matériel nécessaire pour :
- • séparer par filtration les solides des liquides,
- • mesurer la masse volumique des
– déterminer la concentration en matières sèches par étuvage à 105 °C ;
– connaître le pH afin d’apprécier les matériaux de l’agitateur ;
– mesurer la vitesse de décantation des particules solides.
Il comprend également un poste d’analyse rhéologique équipé d’un rhéomètre, qui permet de :
– tracer le rhéogramme (courbe de variation du taux de cisaillement en fonction du gradient de vitesse) du liquide afin de déduire sa nature : newtonien, plastique, dilatant ;
– connaître la variation de la viscosité apparente,
η_app = T / G
où : T : taux de cisaillement G : gradient de vitesse
– connaître la limite d’écoulement du liquide à diverses concentrations (seuil d’écoulement).
Cette limite définit la contrainte minimum à fournir pour mettre en mouvement le liquide. C’est une donnée capitale qui permet, en plus, de dimensionner l’agitateur capable de remettre en suspension des particules qui ont décanté et qui présentent entre elles une forte cohésion. Elles créent ainsi une zone de liquide à forte limite d’écoulement.
D’autres types d’analyses, telle qu’une granulométrie laser, peuvent être réalisées dans des laboratoires extérieurs, si besoin est.
Exploitation des données
Toutes les données collectées sont transmises sous la forme d’un rapport détaillé mais surtout elles sont utilisées avec le logiciel Mids. En effet, il existe une possibilité avec ce logiciel de définir de nouveaux liquides à partir de leurs caractéristiques physiques et rhéologiques. Ainsi, le logiciel peut fonctionner avec des données fiables pour un dimensionnement le plus proche possible de l’optimum.
Essais sur modèles physiques
Dans les cas les plus délicats : dimensions de cuve hors du commun, forme très complexe, viscosité ou concentration extrême, ou encore pour de nouvelles applications, il est possible de procéder à des essais sur modèles physiques.Le laboratoire est déjà équipé d’un certain nombre de cuves modulaires permettant de mieux appréhender un projet, mais il est possible de construire, à la demande, des maquettes représentatives de projets précis afin d’avoir la certitude d’obtenir les meilleurs résultats à l’issue de ces essais.
Le logiciel Automix®
Le positionnement des agitateurs est un facteur qui fait varier considérablement le résultat final d’agitation.
Les agitateurs submersibles mis en place sur des systèmes de guidage multi-directionnels sont conçus pour s’adapter à toute géométrie de cuves. La bonne implantation est celle qui permet le développement complet du flux créé par l’agitateur au sein du liquide. Cette circulation globale est initiée par l’agitateur qui agit comme un « moteur hydraulique », en transmettant une poussée hydraulique capable de mettre en mouvement tout le volume. Le positionnement des agitateurs submersibles suit des règles bien précises qui ont été déterminées à l’aide d’études informatiques d’hydrodynamique. Des logiciels tels que Fluent permettent, avec une bonne modélisation de la poussée générée par l’agitateur, de représenter une simulation tridimensionnelle des écoulements dans la cuve.
Grâce à ces modélisations avancées, la société a mis au point un logiciel de positionnement des agitateurs qui permet, en fonction des informations transmises par Mids, de tracer une cuve à l’échelle avec l’orientation et le positionnement des agitateurs. Ce logiciel permet de fournir rapidement des plans clairs et compréhensibles, qui illustrent parfaitement la solution d’agitation retenue.
Vérifications des performances sur site
Compte tenu du rôle primordial que remplit l’agitation dans une filière de traitement des eaux, il est recommandé de vérifier les performances d’agitation par rapport aux objectifs fixés, afin que l’agitation ne soit pas le paramètre limitant dans l’obtention du niveau de traitement recherché.
Parmi les mesures de paramètres d’agitation les plus faciles à mettre en œuvre sur une station d’épuration, on peut citer :
– les mesures de vitesse de circulation, qui permettent de vérifier les vitesses moyennes d’écoulement dans la section transversale de l’ouvrage pour s’assurer que les vitesses sont supérieures aux vitesses de décantation des matières organiques et qu’elles sont suffisantes pour combattre partiellement les courants de convection verticaux (spiral flow) afin de favoriser l’amélioration du transfert d’oxygène. Ces mesures sont, en général, réalisées à l’aide d’un micro-moulinet ou encore avec l’utilisation d’un capteur acoustique ou par induction magnétique ;
– pour les mesures de l’homogénéité d’un mélange ou d’une suspension, il s’agit de s’assurer de la bonne homo-
généité du mélange miscible ou de la suspension (liquide/solide) dans tout le volume du bassin et de l’absence de court-circuit hydraulique entre le flux d’arrivée et de sortie. Pour cela, nous proposons de vérifier la bonne distribution des matières en suspension (MES), par la mesure de la teneur en matières sèches (MS). Nous préconisons donc le prélèvement d’échantillons représentatifs, à différents niveaux, sur le plan vertical et en différents emplacements, répartis d’une façon homogène dans l’ouvrage et qui sont ensuite analysés au laboratoire.
Une autre mesure peut éventuellement être envisagée en suivant, en différents points, l’évolution du potentiel d’oxydo-réduction à l’aide de sondes Redox. Ce type de mesure est beaucoup plus facile à mettre en œuvre sur site par rapport à la précédente. En revanche, elle ne représente que partiellement la bonne efficacité de l’agitation.
Enfin, il est possible d’envisager des mesures du temps de mélange. Pour cela, la méthode par prélèvement d’échantillons est assez efficace mais reste contraignante. L’utilisation de sels dissous ou de traceurs, tel que le chlorure de lithium par exemple, introduits à l’entrée de l’ouvrage, permet de suivre leur distribution à l’intérieur du volume ainsi que leur variation de concentration à la sortie.
Cette dernière méthode, efficace et précise pour mesurer l’efficacité d’un système d’agitation dans un réacteur, est souvent difficile à mettre en œuvre dans les conditions réelles d’une station d’épuration en fonctionnement, mais elle a déjà fait ses preuves.
Sans avoir pu aborder sous tous ses aspects les paramètres qui contribuent à une bonne agitation, il faut savoir qu’il existe maintenant des moyens efficaces, tant techniques que scientifiques, pour déterminer et caractériser les performances d’un système d’agitation, avec la possibilité de vérifier les résultats sur site. Nous avons vu, également, que les performances d’un agitateur submersible étaient étroitement liées aux conditions hydrauliques proposées, à l’ouvrage et à sa forme. C’est pourquoi, il faudrait que les solutions d’agitation à mettre en œuvre, dans une station d’épuration, soient engagées dès l’établissement des projets de Génie Civil, afin de réaliser des stations de plus en plus performantes, tout en optimisant l’investissement et les coûts d’exploitation.
