Le Syndicat des Eaux d'Île-de-France alimente en eau potable 4 millions d'habitants de la banlieue de Paris à partir de trois usines de traitement d'eau de surface conçues et exploitées par son régisseur la Compagnie Générale des Eaux :
— Choisy-le-Roi, sur la Seine, d'une capacité de 800 000 m³/j, — Neuilly-sur-Marne, sur la Marne, d'une capacité de 600 000 m³/j, — Méry-sur-Oise, sur l'Oise, d'une capacité de 270 000 m³/j.
À moyen terme (en 2000), le SEDIF désire porter leur capacité journalière globale de 1 670 000 à 2 millions de m³/j.
L'usine de Neuilly-sur-Marne est actuellement en cours d’extension. Son débit nominal va être porté à 800 000 m³/jour par la construction d'une cinquième file de traitement d'une capacité de 200 000 m³/jour.
L'ensemble des ouvrages devant équiper cette file a fait l'objet d'études spécifiques pour optimiser leurs performances. Les recherches ont abouti, entre autres, à la mise au point d’un nouveau décanteur lamellaire fonctionnant sur le principe de la floculation lestée. Cet appareil, dénommé Actiflo (1), est le fruit de la collaboration d'OTV, du Syndicat des Eaux d'Île-de-France et de la Compagnie Générale des Eaux. Les techniques mises en œuvre résultent de la combinaison et de l'optimisation de technologies parfaitement maîtrisées de longue date par OTV :
— la floculation lestée au moyen de micro-grains de sable, appliquée à grande échelle sur les décanteurs Cyclofloc® (figure 1), — la décantation lamellaire, connue depuis de nombreuses années, ayant fait l'objet de multiples réalisations avec le décanteur Multiflo® (figure 3).
La combinaison de ces deux principes a permis de réaliser un ouvrage extrêmement compact autorisant de très grandes vitesses de décantation et une réduction drastique des temps de floculation. L'Actiflo, en effet, occupe une surface au sol quatre à cinq fois moins élevée qu'un clarificateur conventionnel, ce qui permet de sensibles économies de génie civil et une implantation aisée sur des terrains exigus ou mal commodes.
Huit minutes suffisent à la floculation et 20 minutes à la séparation des flocons. La vitesse de décantation (exprimée comme le rapport du débit horaire traversier à la surface libre de l’ouvrage) atteint ainsi 40 m³·h⁻¹·m⁻² et peut souvent être encore augmentée.
Ce résultat a été obtenu sans aucune concession à la qualité de l'eau décantée même dans les cas extrêmes d'eaux brutes très chargées ou, au contraire, très pauvres en matières en suspension.
Principe de fonctionnement
L'eau brute additionnée du coagulant pénètre dans le floculateur constitué par deux cuves en série, de section sensiblement carrée, équipées d’agitateurs électromécaniques (figure 2). La géométrie des hélices a été spécialement étudiée pour réaliser le meilleur transfert d’énergie à l'eau et le maintien en suspension du micro-sable.
Dans la première cuve de floculation, sont introduits du micro-sable d’une granulométrie d’environ 200 µm ainsi qu'un polyélectrolyte présentant les caractéristiques exigées pour le traitement des eaux potables. Dans ce premier compartiment, sous l'effet d'un brassage de l'eau rapide et vigoureux, et grâce au polymère, les particules en suspension s’agglutinent autour des grains de micro-sable et forment des flocons solides et lourds. Par ailleurs, l'énorme surface développée offerte par le micro-sable crée une zone importante de réactivité permettant de surmonter les difficultés de floculation souvent rencontrées en eau froide et (ou) peu chargée.
Il a été montré que la floculation lestée permettait, à rendement de clarification égal, d’appliquer un gradient de vitesse environ dix fois plus élevé qu’en floculation conventionnelle. La cinétique de floculation, fonction de la probabilité de collisions entre particules, est donc également plus élevée, permettant de limiter sensiblement le temps d’agitation et, en conséquence, le volume du floculateur.
Dans la seconde cuve de floculation se produisent la maturation et le grossissement du floc. Les conditions d’agitation, bien que plus modérées que dans le premier compartiment, y sont suffisantes pour maintenir la totalité du floc lesté en suspension. Ce mode de floculation est entièrement original : c'est, en effet, la première fois que l'on forme du floc lesté au moyen de mélangeurs dynamiques. L'utilisation de ce type de mélangeurs permet d’optimiser l’énergie communiquée au fluide (gradient de vitesse) indépendamment du débit d'eau transitant dans l'ouvrage. Cette technique a été soigneusement étudiée, et les différents paramètres qui interviennent dans le processus de floculation (forme et taille des mobiles d’agitation, vitesse de rotation et gradients de vitesse appliqués, nature et taux de traitement du polyélectrolyte) ont été déterminés de manière à obtenir un floc dense et homogène facile à décanter. Les flocons lestés ainsi générés présentent une densité très supérieure aux flocs classiques.
L'eau floculée est ensuite dirigée vers le décanteur lamellaire, où l'optimisation de la géométrie des lamelles, jointe à la très bonne aptitude à la décantation du floc produit par l’étage de floculation, autorise des vitesses de décantation très élevées sans sacrifier l'obtention d'une très bonne qualité d’eau décantée. Le surnageant est recueilli en sortie des lamelles pour être dirigé vers l’étape de filtration. Les boues lestées se déposent sur le radier du décanteur. Elles sont
ensuite collectées et pompées pour être traitées dans un circuit de recyclage du micro-sable par hydrocyclone. Sous l'action de l’énergie cinétique, le micro-sable est débarrassé des matières en suspension pour être restitué en sous-verse et recyclé en tête de l’ouvrage, tandis que les boues sont évacuées en surverse. La collecte des boues peut mettre en œuvre des trémies vidangées gravitai-
Tableau 1 : Performances de l’Actiflo® : comparaison avec les décanteurs existants.
| Type d’ouvrage | RECIRCULATION | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| — | — | — | — | — | — | |||||
| TRADITIONNEL | VOILE DE BOUE | RECIRCULATION DE BOUES | FLOC LESTE | |||||||
| Caractéristiques | Couloir 1 étage | Couloir 4 étages | Avec lamelles Multiflo | Sans lamelles | Avec lamelles | Sans lamelles | Avec lamelles | Sans lamelles | Avec lamelles | Cyclofloc Actiflo |
| Floculateurs | séparé | séparé | séparé | intégré | intégré | séparé | séparé | intégré | séparé | |
| Temps de séjour en floculation (mn) | 40 | 40 | 15 à 20 | 15 à 20 | 10 à 12 | 8 | 40 à 60 | |||
| Vitesse de décantation au sol (m²·m⁻²·h⁻¹) | 1 à 1,5 | 4 à 6 | 9 à 10 | 2 à 3 | 3 à 5 | 18 à 20 | 8 | 40 à 60 | ||
| Qualité eau décantée MES (mg/l) | 3 à 5 | 2 à 5 | 3 à 5 | 4 à 5 | 3 à 5 | 2 à 5 | 2 à 5 | 3 à 5 | 2 à 5 |
MES (mg/l) — EAU DÉCANTÉE
Turbidité — EAU DÉCANTÉE
Turbidité (NTU) — 100 m³/h
Fig. 6 : Redémarrage de l’Actiflo.
rement à intervalles programmés (ouvrages de faible taille) ou un raclage en continu (décanteur de grande capacité).
Performances
L’ensemble des paramètres critiques a été déterminé et optimisé sur un pilote de 100 m³/h alimenté en eau de Marne. Le bon fonctionnement des filtres pilotes alimentés par l’eau décantée produite a permis de s’assurer de la compatibilité du procédé avec l’étage de filtration.
L’exploitation de ce pilote pendant 18 mois a permis de vérifier le comportement du décanteur avec des types d’eau très différents. En particulier, lors d’une crue exceptionnelle de la Marne survenue au mois de décembre 1988, la charge habituelle en matières en suspension de l’eau brute a été multipliée par 10 et a atteint 500 mg/l en pointe, ce qui pour ce cours d’eau constitue un record. Le décanteur pilote était alors testé à la vitesse de 60 m²·m⁻²·h⁻¹ (figure 4). Dans ces conditions, et pendant toute la durée de la crue, la teneur résiduelle en matières en suspension dans l’eau décantée est toujours restée inférieure à 6 mg/l. Pour une charge moyenne (environ 50 mg/l) et toujours à la vitesse de 60 m²·m⁻²·h⁻¹, les teneurs en MES dans l’eau décantée demeurent toujours inférieures à 5 mg/l, la turbidité s’établissant autour de 1,5 NTU (figure 5). Ces résultats sont en tous points comparables à ceux enregistrés à l’usine de Neuilly-sur-Marne, avec des floculateurs traditionnels et des décanteurs couloirs.
Au début de l’été, un développement d’algues a parfois lieu, provoquant une augmentation du pH de l’eau à traiter. Ce phénomène génère une perturbation des réactions d’agrégation. Même pendant ces périodes délicates, l’eau produite par le pilote reste similaire à celle de l’usine.
Outre le suivi des opérations, une série de simulations a été effectuée : de nombreux essais ont permis de vérifier que l’agitation en phase de floculation réalise une mise en suspension parfaite du floc lesté. D’autre part, les forces de cisaillement induites par l’agitation suffisent à remettre en suspension un éventuel dépôt de sable. Les essais ont été réalisés avec une quantité supérieure à la masse de micro-sable en recirculation.
Comme le montre la figure 6, le redémarrage est une opération très simple et très rapide. Le régime stationnaire est obtenu une heure après la remise en service. D’autre part on peut noter que les variations de régime n’ont qu’une très faible incidence sur la qualité de l’eau produite.
Conclusion
L’Actiflo se caractérise par une extrême compacité, la meilleure des appareils existants (tableau 1).
La structure de l’ouvrage, de forme parallélépipédique, facilite son implantation et simplifie les travaux de génie civil.
Son aptitude à intégrer les variations rapides de charge de l’eau brute (ou de régime) est excellente en raison du rapport toujours très élevé micro-sable/MES.
L’absence de voile de boue et les faibles temps de séjour dans l’appareil permettent des redémarrages aussi fréquents que nécessaire et une mise en régime très rapide. Le caractère totalement inerte du matériau recirculé n’induit aucune accumulation incontrôlée d’éléments polluants. Enfin, pour faciliter les opérations d’entretien et les visites de contrôles, une attention particulière a été apportée à l’accessibilité des éléments constitutifs, spécialement des turbines de floculation et du circuit de micro-sable.
* Omnium de Traitement et Valorisation. ** Compagnie Générale des Eaux. *** Syndicat des Eaux d'Île-de-France. (1) Brevet OTV/SEDIF.
