Un décanteur à la pointe du progrès : le Superpulsator

Au printemps 1974, la capacité nominale de l'usine de la Société Lyonnaise des Eaux de traitement d'eau de surface de Vigneux-sur-Seine a été doublée (1 200 m³/h à 2 400 m³/h) grâce à la mise en service d’un nouveau type de décanteur dont la surface de décantation est la moitié de celle déjà en service.

La même technique a été employée pour doubler la capacité de l’usine de Morsang-sur-Seine, portée au niveau de 150 000 m³/jour en pointe, obtenus en deux tranches seulement, au lieu de trois prévues à l'origine.

ÉVOLUTION DES TECHNIQUES DE DÉCANTATION

L'amélioration des techniques de décantation à partir de la décantation statique a tout d’abord été rendue possible par l'utilisation de la décantation accélérée, qui consiste à provoquer l'agglomération des « flocs » entre eux afin d’en accroître la vitesse de chute et la cohésion. Les boues antérieurement formées permettent ainsi d'activer la floculation. Cette agglomération est réalisée de deux manières : soit par recirculation de boues, soit par passage de l'eau, additionnée du coagulant, au travers d'un lit de boues maintenues en suspension homogène.

C’est cette seconde voie qui a été retenue en 1955, lors de la mise au point du décanteur-floculateur Pulsator. Cet appareil permet d'obtenir un lit de boues homogène, non seulement sur toute sa surface, mais également sur sa hauteur.

Ainsi constitué, ce lit permet une utilisation optimale des réactifs, une agglomération parfaite des particules colloïdales et une véritable filtration des impuretés dans un milieu trois à cinq fois plus concentré que dans un décanteur à recirculation de boues. Plus de 160 000 m² de surface de Pulsator actuellement en service dans le monde entier, traitant plus de 500 000 m³/heure, attestent la qualité du procédé.

Cependant, la vitesse ascensionnelle de l'eau dans un Pulsator est limitée par la cohésion et la concentration des boues : quand on accroît trop la vitesse ascensionnelle on atteint la vitesse limite permise par la cohésion de la boue. Il y a rupture du lit de boues et l'efficacité du décanteur diminue. La vitesse de décantation qu'il est possible d'atteindre avec les décanteurs Pulsator dépend de l’eau brute, du traitement appliqué et du résultat que l’on recherche ; elle se situe entre 2,5 et 6 m/heure.

Avec le Superpulsator, il est possible d’atteindre une vitesse de décantation se situant entre 5 et 20 m/heure, en conservant une concentration du lit de boues au moins égale à celle du Pulsator fonctionnant dans sa plage d'utilisation normale. Là aussi, la vitesse maximale dépend de la qualité de l'eau brute, du traitement appliqué et du résultat recherché.

L'originalité du Superpulsator consiste en une batterie de plaques inclinées avec déflecteurs plongées au sein même du

lit de boues. Mais la technique consistant à introduire l'eau brute à la base des appareils de façon intermittente, par pulsation comme dans le Pulsator, est intégralement maintenue.

Si l'on observe la décantation de deux échantillons d'une même boue dans une éprouvette verticale et dans une éprouvette inclinée, on constate deux comportements très différents du système eau-matières en suspension (cf. fig. 1).

Dans l’éprouvette verticale, à partir du mélange eau-boues, initialement homogène, il y a tendance à l'apparition de deux phases, des particules de boues se rassemblant à la partie inférieure, tandis que l'eau surnage.

La séparation n'est obtenue qu’avec deux mouvements contraires, verticaux, descendant pour la boue, ascendant pour l'eau qui est chassée des boues. Ces deux mouvements se contrarient, ce qui provoque un ralentissement du tassement.

Dans l'éprouvette inclinée, par contre, on observe la décantation des particules de boues vers la génératrice inférieure de l’éprouvette, l'eau libérée se rassemblant vers la génératrice supérieure. Il se produit alors un glissement des boues vers la partie inférieure de l’éprouvette, l'eau libérée étant chassée vers la partie supérieure. La figure 2 donne la courbe de sédimentation observée dans chacune des éprouvettes.

Les vitesses atteintes par l'eau et les boues sont suffisamment fortes pour créer de véritables courants de densité, favorables d'une part à la séparation liquide-boues, d’autre part au brassage.

Le tassement des boues est ainsi obtenu beaucoup plus vite, cependant qu'un brassage est créé, favorable à la floculation, en augmentant les probabilités de rencontre des particules et des colloïdes non encore captés.

L'observation de ce phénomène a conduit à la mise en place de plaques inclinées dans la zone du lit de boues. Les études ont été menées à la station pilote de Vigneux-sur-Seine, conjointement sur deux appareils :

• • une maquette plastique, permettant l'observation du phénomène et la détermination des caractéristiques de construction (fig. 3) ;
• • un pilote dont le débit (70 m³/h) a permis d'établir les caractéristiques pratiques de fonctionnement.

Si l'on observe un module lamellaire constitué de deux plaques parallèles et plongé dans un lit de boues, on constate que la vitesse de décantation rapide et le faible chemin que chaque particule de boue doit parcourir pour atteindre la paroi inclinée font que, très rapidement, il s’établit un courant de boues tout le long de la paroi inférieure. En glissant le long de la paroi inclinée inférieure, les particules de boues se déshydratent, s'agglomèrent entre elles et ainsi se concentrent. Par contre, il y a peu de contact entre le flux descendant de boues déjà floculées et le flux ascendant d'eau floculée au cours de la décantation.

L'originalité du système appliqué consiste à transformer chacun de ces décanteurs statiques élémentaires en floculateurs-décanteurs à voile de boues concentrées. Ce résultat a été obtenu en ajoutant à chaque élément lamellaire incliné des déflecteurs placés sous la paroi supérieure, comme le montre la figure 4.

L'eau brute, déjà partiellement floculée, arrive à la base d'un élément lamellaire et, au fur et à mesure qu'elle s'élève, il s'établit :

– un courant de boues floculées déjà décantées qui s'écoulent de haut en bas, le long de la paroi inférieure, tout en s'épaississant ;

– des courants tourbillonnaires créés par les déflecteurs qui provoquent la remise en suspension et un nouveau contact de ces boues déjà décantées avec l'eau en cours de floculation.

Ainsi, la floculation s'effectue en présence de boues déjà floculées à haute concentration, qui remplissent tout le volume des espaces lamellaires inclinés où le mélange et la recirculation interne sont entretenus par les déflecteurs. Ceux-ci jouent un rôle analogue à celui des chicanes d'un floculateur statique à chicanes, avec la différence fondamentale que, dans notre système, les vitesses sont suffisamment lentes pour éviter toute détérioration des flocs et pour que la floculation s'y effectue en milieu beaucoup plus concentré. La fréquence de rencontre des flocs est fortement accrue, d'où grossissement accéléré et réduction du temps de floculation. L'énergie provenant de la décantation de chaque particule est récupérée pour être utilisée au profit de la floculation.

Par ce dispositif, on se rapproche du floculateur idéal capable de concentrer des boues et, par conséquent, d'être en mesure de supporter des vitesses ascensionnelles élevées.

Le Superpulsator de Vigneux est constitué d'une cuve de décantation séparée en deux par le système de concentration et d'extraction des boues. La figure 5 donne un schéma de principe de l'appareil. La figure 6 représente l'une des cuves avec plaques en cours de montage.

Les caractéristiques dimensionnelles sont les suivantes :

Particularité de fonctionnement :

L'eau brute, additionnée des réactifs, est introduite par une tuyauterie à la partie supérieure d'une chambre étanche dite « chambre à vide » qui alimente, par sa partie inférieure, les réseaux de distribution d'eau brute dans le décanteur.

Le dispositif de pulsation consiste en un ventilateur qui met en dépression cette « chambre à vide », provoquant une montée du niveau de l'eau ; un contacteur à flotteur agit sur une vanne de mise à l'air libre, ce qui permet la vidange de la « chambre à vide » vers le réseau de répartition.

La répartition de l'eau est réalisée à partir de la base de la chambre à vide par un canal de distribution placé sous le concentrateur. Ce canal alimente un réseau de tuyauteries perforées, régulièrement espacées, qui répartissent parfaitement l'eau sur toute la surface du radier du décanteur. Ces tuyauteries sont visibles sur la figure 6. Le dimensionnement du canal de distribution d'eau brute et des tuyauteries inférieures est tel que, compte tenu de la charge géométrique importante disponible dans la chambre à vide, les écarts entre les débits élémentaires des trous de répartition demeurent très faibles. Aucun autre décanteur ne permet d'obtenir une aussi bonne répartition hydraulique.

Le mélange « eau brute coagulée – boues déjà floculées » s'élève verticalement en filets parallèles, dans la zone libre de plaques située au-dessus des tuyaux inférieurs, et alimente d'une façon égale l'ensemble des plaques disposées à la partie supérieure de cette zone. Les « tranquillisateurs », qui étaient utilisés dans le Pulsator, peuvent donc être supprimés (se reporter à la figure 6).

Pendant la phase de vidange rapide de l'eau « stockée » dans la chambre à vide, une énergie hydraulique importante est dissipée à la sortie des trous des tuyauteries inférieures de distribution d'eau brute. Des jets, d'une vitesse maximale de 4 m/s, assurent un brassage énergique de l'eau brute avec ses réactifs, une mise en suspension des éléments plus lourds ayant déjà tendance à décanter et une homogénéisation parfaite au niveau du radier du décanteur.

Floculation.

Après que le mélange ait été effectué, l'eau coagulée pénètre dans le lit de boues. Ce lit de boues est constitué par le floc ayant absorbé les matières en suspension ou en fausse solution dans l'eau brute. En entrant dans le lit de boues, cette eau coagulée commence à floculer au contact des boues déjà formées, dont la présence accélère le processus de floculation.

Zone des Plaques.

C'est ici qu'intervient le réseau de plaques parallèles inclinées à 60° sur l'horizontale et placées perpendiculairement au concentrateur (figure 5). Il forme un ensemble de canaux inclinés alimentés, chacun au même débit, grâce à la parfaite équirépartition par le réseau de distribution inférieur. Chaque plaque, sur sa face inférieure, est équipée de déflecteurs qui servent à la fois de supports et d'organes créateurs des mouvements tourbillonnaires lents dont il a été parlé plus haut (cf. figure 4) et qui constituent l'un des principes de base du procédé. Ils assurent ainsi la recirculation interne des boues floculées et épaissies dans la totalité de l'espace entre plaques.

Les plaques à déflecteurs permettent de maintenir une concentration élevée des boues du lit de boues, environ 2 fois plus forte que celle d'un Pulsator ne comportant pas de plaques et fonctionnant à la même vitesse. Le mélange, la coagulation et la floculation s'effectuent sur une hauteur verticale de 3 mètres, ce qui représente un temps de contact de 12 à 25 minutes suivant la vitesse ascensionnelle pratiquée.

La floculation totale obtenue à la partie supérieure du lit de boues, comme dans le Pulsator, évite l'utilisation d'un dosage de coagulant supérieur à celui de l'essai de floculation et permet de réduire à sa valeur minimale le taux d'ions métalliques liés au coagulant (Al+++ Fe+++) dissous dans l'eau décantée.

Dans l'optique d'un traitement ne recherchant pas une eau décantée de la meilleure qualité possible, le permet de fonctionner à grande vitesse ascensionnelle avec dosage réduit de coagulant, grâce à l'efficacité de son système de floculation.

La concentration élevée du lit de boues, qui peut atteindre jusqu'à 50 % en volume, permet au de jouer le rôle d'un véritable filtre à impuretés, avantage majeur des décanteurs à lit de boues fortement concentrées de grande hauteur.

Cette compacité du lit de boues est à la base du processus permettant l'augmentation de la vitesse de décantation, et l'originalité du système est d'obtenir ce résultat sans alourdissement artificiel excessif du bloc, cet alourdissement conduisant à des inconvénients notoires d'exploitation et de maintenance.

Concentrateur de boues.

Le volume des boues tend évidemment à augmenter du fait des impuretés apportées par l'eau brute et les réactifs introduits. Aussi, le niveau supérieur du lit de boues est-il limité par déversement dans la zone du concentrateur où ne s'exerce aucune poussée due à la vitesse ascensionnelle. Les boues en excès peuvent donc s'y concentrer avant d'être extraites par des purges automatiques intermittentes. On peut voir le concentrateur de boues à l'extrémité droite de la figure 6. À Vigneux, le dispositif d'extraction des boues est réalisé par siphon.

Un excès de purge des boues n'a aucun effet sur la concentration du lit de boues alors que cet inconvénient est manifeste dans le cas des décanteurs équipés de purges au sein du lit de boues.

La reprise d'eau décantée est réalisée de façon identique à celle des Pulsator, par un réseau de goulottes noyées.

L'utilisation du dispositif d'extraction des boues par siphon permet également d'effectuer un lavage hydraulique du radier du lorsque l'on veut procéder à son nettoyage.

Après vidange de la cuve elle-même, il reste sur le radier une partie des boues qui formaient auparavant le lit de boues. Il suffit alors d'ouvrir partiellement l'arrivée d'eau brute. Une partie de celle-ci s'écoule vers le fond de la chambre à vide par déversement à partir du débouché de la tuyauterie d'eau brute. Cette partie sert au rinçage de la chambre à vide,

du canal de distribution d'eau brute et des tuyauteries inférieures. Une autre partie de l'eau brute est introduite dans le tuyau général d’évacuation des extractions. La mise en service du système de pulsation et sa connexion avec la tuyauterie de mise sous vide permet l'amorçage des siphons d'extraction de boues qui débitent dans la tuyauterie générale d’évacuation en direction du concentrateur. Celui-ci se déverse sur le radier du décanteur, d'une hauteur de 3 mètres, entraînant les boues restées au fond vers un caniveau de vidange situé le long du mur opposé du décanteur.

En outre, on peut procéder facilement à l’inspection du fond du décanteur. Il suffit de sortir une seule plaque (elles sont facilement amovibles et légères) pour avoir accès à la partie inférieure où l'on dispose d'une hauteur suffisante pour éventuellement finir le nettoyage par rinçage au jet si on le juge nécessaire.

RÉSULTATS D’EXPLOITATION

a été mis en fonctionnement pendant l'été 1974, sans aucun arrêt de l’installation de Vigneux, malgré tous les problèmes que pose le raccordement d'un décanteur à une installation existante.

En même temps, les filtres Aquazur T ont été modifiés et équipés définitivement pour que le sable soit remplacé par du charbon actif granulé. Il faut noter que le nombre de filtres n'a pas été augmenté, ce qui a eu pour effet de faire passer la vitesse de filtration de 5 m/h à 10 m/h.

Le débit nominal de l’installation est de 1200 m³/h, ce qui correspond à une vitesse réelle de décantation (ramenée à la surface occupée par les plaques) de 8 m/h. Le débit maximal atteint, pendant l'été 1974, a été de 1650 m³/h, soit une vitesse réelle de décantation de 11,3 m/h.

Taux de traitement

La dose de coagulant (sulfate d'aluminium) appliquée a été la même que la dose de coagulant appliquée au Pulsator. Il n'y a d’ailleurs qu’un système de dosage pour le coagulant, l'eau étant séparée en deux (vers d'une part et vers les Pulsator d'autre part), après l'injection du coagulant. Cette dose a été ajustée par le Service de Contrôle de la SLEE, en fonction de la qualité de l'eau brute, et a varié de 40 à 70 g/m³.

L'adjuvant utilisé est la silice activée. Les doses employées ont varié entre 1,8 et 3,6 g/m³ en fonction de la qualité de l'eau brute, et tout particulièrement de la température de l'eau brute qui a varié de 5 à 25 °C. La dose maximale de silice correspond au mois de décembre, lorsque l'eau est relativement froide et que la floculation est rendue difficile par suite de la présence, dans l'eau brute, de produits inhibiteurs de la floculation provenant des rejets des industries sucrières. Cependant, la dose de silice activée a été identique sur les deux types d’appareil.

La préchloration s'effectue au moyen de chlore gazeux, et la dose est réglée de telle façon que l'on obtient un chlore résiduel libre de 0,6 g/m³. Cependant, le temps de contact étant environ la moitié du temps de séjour dans les Pulsator, on constate toujours un chlore résiduel plus important dans l'eau décantée (0,6 g/m³) que dans l'eau décantée du Pulsator (0,4 g/m³). Cette forte dose de chlore libre résiduel est nécessitée par la filtration sur charbon actif qui suit la décantation.

Démarrage de l’appareil

La figure 7 donne l’évolution de la turbidité de l’eau décantée et du pourcentage de boue moyen dans l’appareil au démarrage de l’installation, appareil vide de toute boue. Les conditions de l’essai étaient les suivantes :

température de l’eau brute : 12 °C  
taux de traitement :  
sulfate d’aluminium : 60 g/m³  
silice activée : 2 g/m³  
chlore : 6 g/m³

On constate que l’eau décantée s’est stabilisée à 2,25 UJ après 3 heures de fonctionnement, les filtres étant mis en fonctionnement à ce moment-là. Le pourcentage de boue s’est stabilisé après 5 heures de fonctionnement. On obtient donc un démarrage rapide de l’appareil.

La figure 8 résume les résultats obtenus lors d'un démarrage de l'appareil après un arrêt de 8 heures. On constate également une stabilisation très rapide de l'appareil 1 h 30 après le démarrage ; la turbidité et les matières en suspension de l'eau décantée marquent une pointe lors de la première heure de fonctionnement, alors que la dose d'Al total (dissous et floc résiduel) de l'eau décantée reste relativement constante.

Changement de régime

La souplesse d'emploi des décanteurs est un problème important en exploitation. On vient de voir que le fonctionnement en « tout ou rien », c'est-à-dire avec arrêt complet de l'appareil et démarrage à débit nominal, permettait l'obtention rapide d'une eau de bonne qualité. De nombreux essais ont été effectués afin de déterminer les consignes optimales d'utilisation de la station. On a constaté qu'une variation de débit par tranche de 25 % du débit nominal permet une stabilisation rapide des résultats.

C'est ainsi que lors d'un essai effectué à un moment où la température était de 12 °C et avec un traitement comprenant 50 g/m³ de sulfate d'alumine et 2 g/m³ de silice activée, les résultats suivants ont été obtenus :

Après une pointe de turbidité dont la durée est d'environ 20 mn, et dont la valeur maximale se situe, en valeur relative, à environ 50 % au-dessus de la turbidité obtenue en régime continu, l'appareil se stabilise donc rapidement ; 30 mn dans le premier cas correspondant à un passage de 0,75 Q à Q débit nominal et 40 mn dans le cas du passage de 1,25 Q à 1,35 Q. Il est bien évident, dans ce dernier cas, correspondant à une surcharge au-delà du débit nominal, que les variations de débit doivent être effectuées par paliers plus rapprochés que dans le cas où l'on se situe en dessous du débit nominal.

Filtration

Le débit de l'installation de traitement de Vigneux étant très variable, par suite de la capacité limitée de stockage d'eau traitée, il est impossible de donner des valeurs exactes sur la durée de vie des filtres de l'installation. Cependant, l'étude statistique du nombre de lavages des filtres, et le fait que chacune des deux batteries de cinq filtres de l'installation est alimentée, soit par l'eau décantée des deux Pulsator, soit par l'eau décantée du Superpulsator, permettent de dire que la durée de vie des filtres est identique dans les deux cas. Le volume d'eau filtrée par m³ de filtre est donc le même et la perte d'eau par lavage est aussi limitée dans un cas que dans l'autre.

On peut d'ailleurs remarquer que le problème de la perte d'eau au lavage des filtres est un faux problème, le recyclage de ces eaux de lavage en tête du décanteur pouvant être réalisé très facilement.

Les réalisations

Les performances du Superpulsator ont suscité immédiatement un grand intérêt, tant pour le traitement d'eaux potables qu'en traitement industriel d'eaux « de procédé ». Alors que les demandes de brevet datent de 1972 et 1973, les Superpulsator en service ou en construction représentent un débit horaire traité de près de 60 000 m³ tant en France qu'à l'étranger.

Les débits unitaires traités vont de 80 m³/h à 1 000 m³/h. C'est d'ailleurs dans ce dernier cas, à Frimmersdorf en Allemagne, que le record de vitesse ascensionnelle a été atteint, puisque la qualité de l'eau brute, chargée en carbonate de calcium, et la possibilité d'utiliser des polyélectrolytes, ont conduit à une vitesse ascensionnelle de 17,5 m/h. Les résultats sont excellents, avec une teneur de l'eau décantée en matières en suspension dont la valeur moyenne est de 2 mg/l. Il est probable que les 20 m/h seront bientôt atteints.

Pour sa part, la SLEE a réalisé avec l'extension de la station de Vigneux (débit nominal 1 200 m³/h, débit maximal traité à 1 650 m³/h) et l'extension de la station de Morsang dont le débit nominal est de 2 200 m³/h, avec un débit maximal traité de 3 300 m³/h.

On peut en outre signaler l'avantage considérable qu'a de pouvoir être utilisé dans les installations dont on prévoit, à moyen terme, une extension. Dans un premier temps, on construit sans l'équiper de plaques prévues dans le lit de boues. Il fonctionne alors comme un Pulsator normal. La mise en place des plaques peut ensuite être réalisée au moment de l'extension, et le débit traité peut alors être doublé sans extension de la surface construite et sans ouverture d'un second chantier de génie civil. Il s'agit uniquement d'un équipement complémentaire dont le montage est extrêmement rapide.

CONCLUSION

En conclusion, il apparaît que le principe du qui combine la floculation-décantation lamellaire et l'effet du lit de boues, conduit à un appareil fiable, susceptible de hautes performances qui en font un appareil à l'avant-garde de la technique. La présence des plaques (dont on remarquera le large espacement par rapport à celui adopté en décantation lamellaire habituelle) dans le lit de boues donne à cet appareil une stabilité considérable et une souplesse d'emploi exceptionnelle, par comparaison avec les autres décanteurs disponibles sur le marché. Il permet de traiter toute la gamme des eaux brutes dont on dispose pour produire de l'eau de consommation ou de l'eau « de procédé ».

Y. RICHARD.