Après avoir présenté différents types de pompes utilisées dans les bâtiments, le problème de leur rayonnement acoustique sur site tel qu'il se pose à leur constructeur est succinctement évoqué. Les principales sources de bruits et vibrations d'un groupe électrogène sont décrites, ainsi que les moyens d'essais correspondants mis en ?uvre par Salmson. Un exemple d'étude expérimentale est résumé.
Le traitement des effluents urbains par temps de pluie est un sujet très actuel en France, tant au niveau des recherches qu'au niveau de la maîtrise d'œuvre.
Différentes techniques de traitement ou de stockage des effluents excédentaires générés par temps de pluie ont été mises en œuvre à cet effet, mais leur coût financier, leurs emprises, leur entretien ou leur rendement médiocre (si toutefois on a pris la peine de l'évaluer) conduisent à leur rechercher des alternatives plus séduisantes.
* Bureaux d'Études Réunis de l'Est, 71, rue du Prunier, 68000 Colmar. Tél. 89 41 21 80 – Fax 89 23 65 08.
Cette réflexion nous a amenés à proposer au syndicat Wikiru, maître d'ouvrage, la construction d'un séparateur à effet Vortex à l'exutoire de l'un des bassins versants. C'est ainsi qu'a été réalisé, à Ruelisheim (Haut-Rhin), au lieu-dit « Notre-Dame du Chêne », situé à quelques 10 km au nord de Mulhouse, le premier et jusqu'à présent le seul séparateur fonctionnant sur ce principe en France. En service depuis juillet 1992, il traite les effluents urbains excédentaires issus d'un réseau de type majoritairement unitaire.
Une telle solution de remplacement au traitement pluvial classique (bassin de rétention ou décanteur) permet d'obtenir, à efficacité comparable, des coûts d'investissement plus faibles, ou gradués dans le temps. La séparation Vortex peut assurer l'ensemble du traitement pluvial sur un site, ou constituer un maillon de la chaîne.
Les essais du séparateur Vortex
Le concept de la séparation par effet Vortex « lent » a été mis au point en 1985 et 1986 dans le laboratoire hydraulique d'UFT (Umwelt- und Fluid-Technik, Dr H. Brombach GmbH, Bad Mergentheim, Allemagne). Cette technique consiste à concentrer les matières séparables au centre du Vortex, et non à l'extérieur comme dans certains autres procédés se réclamant du même principe, les conditions de vitesse des eaux n'étant pas les mêmes dans les deux cas.
Sa première mise en application en grandeur réelle a été marquée par la construction de deux séparateurs en acier (figure 1) installés sur le réseau d'assainissement de la commune de Tengen, en Allemagne (en service depuis juin 1987).
Cette réalisation, cofinancée par le Ministère de l'Environnement du Bade-Wurtemberg, a donné lieu à un suivi scientifique confié au Prof. H. Hahn, de l'Université de Karlsruhe. Voici un extrait de ses conclusions :
“Lors des événements pluvieux, on a pu constater une concentration des effluents arrivant directement à la station d'épuration (débits « conservés ») bien supérieure à celle observée à la surverse du séparateur.
Ce comportement peut être apprécié par un facteur de concentration défini par le rapport :
Concentration du débit conservé/Concentration de l'eau déversée, qui varie en moyenne entre 1,7 et 2,1, selon le paramètre considéré.
Le rendement et la séparation des matières solides se situe entre 72 et 80 %, et pour la DCO entre 70 et 78 %; cette valeur est comparable à l'efficacité que l'on peut attendre d'un bassin d'orage dimensionné sur les mêmes bases.
Les résultats obtenus permettent de conclure que l'installation remplit les conditions d'un traitement satisfaisant des eaux pluviales issues d'un réseau unitaire.
Le facteur de concentration des séparateurs pourrait toutefois être amélioré de façon significative en prenant l'une ou l'autre des mesures suivantes :
À la suite de ces conclusions relativement optimistes, le Syndicat Wikiru a décidé de remplacer, dans le cadre de son projet pluriannuel d’assainissement, le bassin d’orage classique (transit à connexion latérale) initialement prévu, par un séparateur Vortex (figure 2).
Le séparateur du Wikiru
Le bassin versant amont alimentant la station d’épuration comprend trois types d’urbanisation :
- • une grande cité minière où les coefficients d’imperméabilisation sont très faibles et le réseau d’assainissement unitaire très étendu,
- • un lotissement avec un coefficient d’imperméabilisation d’environ 0,40,
- • une petite zone artisanale.
L’ensemble se situe en zone rurale périurbaine, précision qui a son importance quant à l’analyse des pollutions pluviales qui y prennent leur origine. Cette zone présente la particularité de posséder un petit secteur de réseau séparatif.
La pente générale du réseau amont est très faible (inférieure à 5 mm/m).
L’une des particularités du bassin versant est qu’il se trouve dans une zone d’affaissements miniers qui se sont produits après la pose du réseau et ont entraîné une élévation du niveau de l’eau à l’exutoire. Une telle situation dans la plaine d’Alsace, déjà peu pentue, a conduit à créer des conditions hydrauliques relativement contraignantes : très faible vitesse, mise en charge générale du réseau et, par conséquent, très forte sédimentation par temps sec, tout particulièrement dans le collecteur de transport.
Ce site est alimenté par deux collecteurs unitaires munis chacun d’un déversoir d’orage « primaire », et débouchant sur un déversoir dit « critique ». De façon simplifiée, les déversoirs primaires permettent d’alimenter l’installation de traitement pluvial de façon aussi uniforme que possible (ce qui est impératif dans ce cas, contrairement à celui des seuls ouvrages de stockage).
En aval est admis un débit « critique » (c’est-à-dire à traiter). Le débit excédentaire est rejeté au milieu naturel par l’intermédiaire de clapets installés sur un seuil, à bavette en élastomère.
Les effluents à traiter sont ensuite admis au déversoir appelé « critique », ce qui permet de séparer le débit conservé (à diriger vers la station d’épuration) de celui destiné à être conduit au séparateur Vortex.
Le débit conservé passe au travers d’un siphon de régulation et de mesure avant de rejoindre le collecteur intercommunal. Le débit critique déversé passe dans un tronçon de tranquillisation de 1 500 mm de diamètre, débouchant tangentiellement dans le séparateur.
Cette alimentation tangentielle et laminaire provoque un mouvement circulaire contrôlé dans cet ouvrage cylindro-conique de 10 m de diamètre, induisant lui-même un vortex central.
Ce dernier concentre ainsi une grande partie des matières décantables dans son centre. Une cloison siphoïde cylindrique permet la rétention des flottants.
Le déversement se fait par-dessus un seuil circulaire situé entre la cloison siphoïde et le déflecteur-seuil de trop-plein. La vidange de cet ouvrage s’effectue dans le fond et au centre de l’ouvrage (effluent concentré) dans une station de relevage raccordée au collecteur intercommunal.
Le fonctionnement de l’ensemble est entièrement autonome et surveillé, soit localement par console automate, soit à partir du superviseur installé à la station d’épuration.
Le volume utile du séparateur est d’environ 270 m³ pour une surface imperméable de 21 ha en situation future, ce qui tient compte de la remarque du Pr Hahn concernant l’adjonction d’un bassin de rétention du premier flot de rinçage ; en effet :
- • d’une part, le volume retenu est plus important que celui requis pour le traitement du débit critique,
- • d’autre part, il y a lieu de tenir compte du volume du collecteur de transport.
Le volume spécifique brut (séparateur uniquement) est de 12 m³/ha ; le volume spécifique corrigé (séparateur + collecteur de transport) atteint 28 m³/ha, valeur tout à fait courante.
Ce « surdimensionnement » a néanmoins un effet secondaire quelque peu gênant dans le cadre du suivi de cet ouvrage, le séparateur déversant moins fréquemment (ce qui ne peut qu’être bénéfique au milieu récepteur), d’autant plus que l’exutoire se trouve souvent en charge en même temps que le réseau. Nous sommes cependant dans des conditions relativement standard pour la plaine d’Alsace ; il est donc important de ne pas retenir les sites à étudier en fonction des commodités qu’ils peuvent offrir.
Intégration de l’acquisition des données dans la conception
Pour réaliser cette opération, un soin particulier a été apporté à l’équipement du site en capteurs, en régulation de débit et en moyens de prélèvement, afin de faciliter le suivi de l’ouvrage en vue d’en apprécier l’efficacité, comme en témoigne l’exemple suivant.
Mesure du débit conservé
Les débits sont relativement faibles, et une conduite de 200 mm de diamètre suffit amplement à les évacuer. Compte tenu de ce diamètre, nous avons adopté une technique de mesure de flux, au travers d’un débitmètre électromagnétique installé en siphon. Cette installation permet d’éviter le colmatage des électrodes qui sont situées dans un axe horizontal médian perpendiculaire à l’axe de la conduite, et ne sont donc que très peu en contact avec les particules grasses susceptibles de s’y déposer (généralement présentes dans la partie supérieure de l’écoulement). Cette configuration est également insensible aux poches d’air qui pourraient se former dans le siphon ou du moins y transiter.
Un tel siphon installé en réseau unitaire, même convenablement dimensionné, est sujet à des sédimentations, en particulier lors de longues périodes de temps sec. Afin d’éviter son colmatage total ou partiel, il est précédé d’un dispositif de rinçage comportant une pompe accélératrice s’alimentant par un premier piquage en amont et refoulant dans le second en aval du premier. La pompe fonctionne par intermittence (par exemple 1 minute tous les 1/4 d’heure) et crée un puissant mouvement hydraulique en forme de spirale, qui nettoie le siphon.
Ce siphon de mesure permet également la régulation dynamique du débit conservé, par l’intermédiaire d’une vanne-guillotine motorisée, particulièrement utile pour la future gestion automatisée du couple réseau-station.
Archivage automatique des données
Le site a été pourvu d’un système de télétransmission, de traitement et d’archivage des données enregistrées pendant le fonctionnement du dispositif.
La liaison entre le site du séparateur Vortex et le superviseur basé à la station d’épuration de Ruelisheim est permanente, du type Liaison Spécialisée, afin de permettre des pas d’archivage très courts (une minute), indispensables pour la saisie de phénomènes du type « rinçage ». Les données sont archivées automatiquement sur streamer sous forme d’un fichier journalier de valeurs analogiques et binaires au pas de une minute.
Le superviseur, outre la surveillance générale du site, est précieux pour l’annonce d’un événement hydrologique imminent, ce dernier étant détecté par la montée en eau dans le déversoir critique. Le report des informations se fait par l’intermédiaire
d'un boîtier « Operator Texte », dispositif qui donne beaucoup de souplesse à ce genre de suivi.
Les prélèvements
Les prélèvements ont toujours été le maillon sensible dans la chaîne de l'acquisition des données en matière d'assainissement. Autant les mentalités avaient bien intégré les difficultés des mesures, autant la problématique du prélèvement a rarement suscité l'intérêt des chercheurs. Ainsi, il est aujourd'hui très difficile de comparer les différentes sources de données entre elles, car elles ne sont pas issues d'une méthodologie de prélèvements uniforme. Cet aspect explique bien des désaccords dans le milieu.
La manipulation
Le site a donc été équipé dès sa conception d'un local souterrain éclairé et ventilé, et comprenant tous les équipements nécessaires aux opérations :
- • une prise d'eau potable,
- • des étagères recevant les flacons de prélèvements,
- • un évier au-dessus duquel sont disposées toutes les arrivées des pompes de prélèvement ainsi que les arrivées gravitaires, avec robinet d'arrêt,
- • une console de commande et de visualisation des paramètres de fonctionnement de l'ensemble de l'installation (hauteurs, débits, signalisation, données de fonctionnement),
- • des hublots étanches permettant la surveillance visuelle du déversoir critique et du regard de jonction.
Ce local est alimenté par trois pompes de prélèvement de type broyeuse, placées aux emplacements a priori représentatifs :
- • déversoir critique (alimentation du séparateur),
- • déversoir de traitement du séparateur,
- • vidange du séparateur.
Ce dispositif permet à une personne isolée de réaliser des prélèvements pendant un épisode pluvieux, à des endroits représentatifs, au sec, sans se déplacer et en toute sécurité.
Choix et aménagement du site de prélèvement
L'analyse de la configuration générale du réseau amont montre que le collecteur de transport commence par stocker au moins 160 m³ avant de permettre un déversement au niveau du déversoir critique (570 m³ lorsque le collecteur est plein). Ainsi, le premier pic de rinçage est basé sur ce volume de 160 m³, ce qui, à l'échelle de ce petit bassin versant, représente une hauteur nette de précipitation non négligeable, soit entre 1 et 2 mm en situation actuelle selon la durée de la pluie.
Le prélèvement à l'entrée du séparateur Vortex, effectué après la lame déversante, ne permet pas d'apprécier au mieux le pic de rinçage, très atténué dans ce cas.
Nous avons donc procédé à des réaménagements permettant de saisir plus finement ce premier flot au point de vue qualitatif :
- • augmentation du débit admis par le siphon,
- • prélèvement dans le siphon par la pompe accélératrice après aménagement d'un circuit parallèle.
Dans ces conditions, tant que le déversoir n'est pas en action, nous prélevons dans le siphon. Par contre, dès qu'il y a déversement, le prélèvement s'effectue en aval de ce dernier.
Mode de prélèvement
Dans l'étude du fonctionnement d'un réseau d'assainissement par temps de pluie (par exemple pour l'observation d'un éventuel effet de rinçage), l'utilisation du préleveur automatique ne paraît pas être la technique appropriée : en effet, si l'on compte suivre toute la durée de l'événement hydrologique, le pas de temps minimal dans la programmation du préleveur ne peut guère descendre en dessous du quart d'heure (ce qui permet de couvrir environ six heures). Même en indexant la programmation par rapport au débit, la brièveté des phénomènes de First et de Last Flush (souvent inférieure au quart d'heure) interdit leur saisie complète.
D'autre part, l'utilisation de préleveurs en effluents chargés implique toujours un risque important de dysfonctionnement (encrassement, mauvais remplissage des flacons, batteries, ennui mécanique). C'est pourquoi nous avons opté pour un prélèvement manuel à des fréquences variables se situant entre le début et la fin de l'événement.
La prise d'échantillon, lors d'un événement pluvieux, s'effectue dans le local de prélèvement, où les quatre points de prélèvement sont centralisés.
Cette méthode permet aussi de saisir immédiatement des paramètres physico-chimiques tels que pH, température, et particulièrement la conductivité, qui donne une indication relativement fiable sur la part d'eau pluviale contenue dans l'effluent.
Conservation
Pour bon nombre de paramètres, la conservation des échantillons influe sur la fiabilité des résultats d'analyse. Le local de prélèvement étant entièrement enterré, il offre une température ambiante relativement faible et constante. Par ailleurs, un réfrigérateur, situé dans le laboratoire mobile, permet de stocker un nombre suffisant de flacons.
À ce titre, le vieillissement au regard de la DCO, des MES et de la sédimentation fractionnée a fait l'objet d'une étude particulière dans le cadre du suivi du Vortex, afin d'évaluer son impact sur les résultats.
Validation
Une pompe peut modifier les caractéristiques d'un effluent, en particulier la décantabilité en fonction des granulométries (réduction dimensionnelle de certaines particules, association de bulles d'air, …). Ce dernier paramètre ayant un impact direct sur le dimensionnement des ouvrages de traitement pluvial, nous avons prévu une validation de ce type de prélèvement par un deuxième, manuel cette fois. La différence entre les deux méthodes n'est toutefois pas aussi importante que l'on pouvait le supposer, comme en témoigne la figure 7.
Efficacité de l'ouvrage
L'agence de l'eau Rhin-Meuse, l'un des financeurs de cette installation, a proposé la réalisation d'un suivi du fonctionnement de cet ouvrage afin, d'une part, d'en évaluer l'efficacité et la transposabilité sur d'autres sites, et d'autre part d'acquérir de nouvelles données concernant les caractéristiques de la pollution générée par temps de pluie dans les réseaux d'assainissement unitaires.
C'est ainsi que s'est créé, avec le concours du syndicat Wikiru, un partenariat à vocation scientifique, regroupant : l'Agence de l'eau Rhin-Meuse, les Bureaux d'Études Réunis de l'Est, l'École Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement de Strasbourg, la Région Alsace, et la société Umwelt-Fluid-Technik – Dr Brombach. L'ensemble de ces partenaires participent au financement de l'opération. Ses résultats feront l'objet d'une prochaine communication.
