N.D.L.R. — Cette étude, que nous sommes en mesure de publier grâce à l'obligeant concours de nos collègues de la Compagnie Française BASF, est la troisième d'une série sur le Rhin présentée par « L'EAU ET L'INDUSTRIE » et formant la trilogie suivante : I. — Le Rhin et l'approvisionnement public en eau potable par le Professeur Docteur H. Sontheimer, de l'Université de Karlsruhe (1). — Automatisation intégrale de la production d’eau potable pour la ville d’Amsterdam par deux ingénieurs de PHILIPS-EINDHOVEN : MM. F. Koot et H. A. Verhaeren (2). II. — La station d’épuration de BASF à Ludwigshafen par les cinq techniciens ci-dessus de BASF A.G. Ainsi, après avoir compris le rôle primordial du Rhin comme ressource en eau potable pour 20 millions de riverains, puis apprécié les remarquables réalisations d’automatisation de la ville d’Amsterdam qui boit cette eau du Rhin après des traitements appropriés, nous allons connaître un des plus grands efforts européens d'antipollution, effort qui a été réalisé pour protéger cette précieuse eau du Rhin...
INTRODUCTION
Les efforts intenses poursuivis depuis des années par BASF pour épurer ses eaux usées ont trouvé leur accomplissement dans la réalisation et la mise en exploitation de sa station d'épuration. Depuis décembre 1974 en effet, la question est réglée : toutes les eaux résiduaires de BASF ainsi que celles de la ville de Ludwigshafen sont épurées mécaniquement et biologiquement.
La présente étude se propose d’exposer les considérations qui ont présidé au choix du procédé, les travaux préparatoires et les dispositions prises au niveau de la construction. Les premiers résultats d'exploitation s’avèrent conformes à ceux de la station pilote. Ils confirment que le choix des procédés assure dans des conditions optimales l’épuration des eaux et la déshydratation des boues.
Cette station d'épuration représente un investissement et des frais d'exploitation importants. Mais elle contribue dans une mesure considérable à améliorer la qualité des eaux du Rhin et, d’une manière générale, l'environnement.
Le 18 décembre 1974, BASF lançait la mise en service, pour son complexe de Ludwigshafen, d’une grande station d’épuration chimico-biologique, d’une capacité de 6 à 7 millions d’équivalents-habitants. C’était l'aboutissement d’un programme d’assainissement étalé sur 10 ans.
Les principaux objectifs de ce programme avaient été :
- — la transformation du réseau unitaire de l'usine en réseau séparatif,
- — la construction de la station d’épuration,
- — et, en complément de ces mesures essentielles, toute une série de projets locaux dans les divers ateliers.
Le coût total de cet assainissement de la plate-forme industrielle de Ludwigshafen s'est élevé à 450 millions de DM.
La construction et le fonctionnement de la station d’épuration sont bien évidemment liés à la situation spécifique de l'usine de Ludwigshafen. De même, la conception de la station ne peut se comprendre indépendamment des recherches effectuées, des années durant, sur l'aptitude à l'épuration des eaux résiduaires. C’est pourquoi nous ferons précéder la description de la station de quelques indications sur l'usine elle-même et sur les recherches préliminaires.
(1) Voir « L'EAU ET L'INDUSTRIE » n° 11 - novembre/décembre 1976 - pages 25 à 32. (2) Voir « L'EAU ET L'INDUSTRIE » n° 11 - novembre/décembre 1976 - pages 33 à 38.
LE COMPLEXE CHIMIQUE DE LUDWIGSHAFEN
Créée il y a plus d’un siècle, en 1865, comme fabrique de produits chimiques, l'implantation BASF de Ludwigshafen est la plus grande plate-forme industrielle d'un seul tenant en Europe. Sur 581 ha, dans près de 1 500 bâtiments, on y trouve environ 300 fabrications différentes relevant principalement de la chimie des colorants, des plastiques, des fibres synthétiques, des engrais et de la pétrochimie.
En 1973, ce complexe a fabriqué plus de 5 000 produits, soit un tonnage global d’environ 6,2 millions de tonnes, dont 2,2 millions de tonnes de matières plastiques et 2 millions de tonnes d’engrais. Cette production a nécessité environ 3 millions de m³/jour d’eau à usage industriel, essentiellement des eaux de surface.
LE PLAN GÉNÉRAL D’ASSAINISSEMENT
C’est en avril 1964 que fut soumis aux autorités le plan général des mesures d'assainissement prises progressivement par BASF entre 1964 et 1974. Ce plan avait notamment pour bases les recherches préliminaires effectuées à la demande de BASF AG par l'Institut de Recherche et de Développement pour l’eau industrielle et urbaine et pour l’étude des déchets de Stuttgart. Dirigées par le professeur Herr POPEL, ces recherches concernaient l'aptitude à l’épuration des eaux résiduaires de l'usine (recherches faites sur pilote) et la séparation la plus rationnelle possible du réseau des canalisations de l'usine.
Pour réaliser dans le délai imparti l'assainissement de l'usine, y compris la construction d'une station d’épuration en état de fonctionner, il fallut prendre certaines mesures qui sont énumérées ci-après.
Réseau séparatif
Pour collecter et diriger sur la station d’épuration les eaux à traiter (soit 15 à 20 % du débit total des eaux usées) on a converti le réseau unitaire existant en un système pour les eaux à traiter et un autre pour les eaux à rejeter sans traitement. L'ancien réseau de 50 km de long fut ainsi porté à 84 km. À cela sont venus s’ajouter des travaux nombreux et parfois difficiles pour séparer les systèmes d’assainissement de tous les ateliers de fabrication.
Collecteur
On a installé le long du Rhin un collecteur de 4 000 m de long, de 200 x 200 cm de section, d’un diamètre allant jusqu’à 260 cm. Les tuyaux de 260 cm de long ont été fabriqués en polybéton et posés partiellement en précompression.
Les eaux à traiter, acides pour la plupart, sont réunies dans ce collecteur qui reçoit par ailleurs, grâce à deux canalisations, les eaux résiduaires de la ville de Ludwigshafen. Les eaux usées de l'usine subissent au préalable un traitement chimique (neutralisation) sur le terrain même de l'usine, selon un dispositif qui fait partie intégrante de la station.
Les eaux usées de la ville de Frankenthal et de la commune de Bobbenheim-Roxheim seront directement pompées à l’entrée de la station d’épuration, dès l'achèvement des travaux de raccordement.
Actuellement, les travaux préparatoires de raccordement, y compris ceux de la station de relèvement, sont en cours.
Neutralisation
La neutralisation des eaux résiduaires acides, provenant de BASF, avec des acidités parfois inférieures à pH 2, permet d’exploiter la station de relèvement et les conduites sous pression sans avoir à prendre des mesures dispendieuses contre la corrosion. De plus, elle protège le système de traitement des eaux usées contre des variations excessives du pH.
La neutralisation s’effectue à ciel ouvert, après l'arrivée du dernier rejet de BASF, mais avant la station de relèvement d’eaux résiduaires.
La cuve de mélange, que l'on trouve habituellement dans les postes classiques de neutralisation, est ici un tronçon de 150 m de long équipé de trois puisards de mesure de pH et de deux puisards permettant d’injecter le réactif de neutralisation. La construction d'une cuve de neutralisation d'une profondeur suffisante aurait entraîné des frais de construction beaucoup plus élevés, et soustrait à d’autres utilisations un terrain précieux en bordure du Rhin. Par ailleurs, cela aurait créé de nouveaux problèmes de dépôts des matières décantables.
Le dessin du tronçon de neutralisation est basé sur un travail de recherche de l’Institut mécanique des fluides et des barrages de l'Université de Karlsruhe. Pour réaliser le mélange intime du réactif de neutralisation et de l’eau usée, il a été installé aux puisards de dosage deux chutes, de 0,50 et 0,65 m.
Comme réactif de neutralisation, en raison des frais de neutralisation mais également de considérations de cinétique de réaction et de techniques de mesure et de régulation, on a choisi la chaux vive (CaO). Elle est transformée et hydratée en lait de chaux à 20 %. Ce lait de chaux est ensuite dilué à une teneur de CaO de 10 % puis pompé par des canalisations de ceinture vers les deux puisards de dosage du tronçon de neutralisation.
L'incorporation de lait de chaux à l'eau résiduaire est régulée par mesure de pH. En cas normal, la neutralisation est effectuée sur un seul étage, c'est-à-dire que le dosage de lait de chaux n’a lieu que dans le premier des deux puisards de dosage. En cas de panne on peut intervenir immédiatement dans le processus de neutralisation grâce au deuxième étage.
Station de relèvement
Après neutralisation, les eaux usées passent en chute libre, à 6,50 m environ en-dessous du niveau du sol, dans la station de relèvement. Elles sont alors refoulées vers la station d’épuration.
Le système de raccordement à la station d’épuration se compose de deux canalisations sous pression en béton projeté, de valeur nominale 1 600 MW, disposées parallèlement sur 3 500 m et débouchant dans l'ouvrage d’entrée de la station d’épuration. Pour pallier les coups de bélier, les deux tuyaux sous pression sont équipés chacun d’un évent de 50 m³ environ. Le poste de relèvement est dimensionné pour un débit maximum de refoulement de 12 m³/s. Il est équipé de 5 pompes à roue hélicoïdale, dont une de secours, de chacune 3 m³/s pour une hauteur maximale de refoulement de 26,2 m.
Afin d’assurer un parfait brassage des eaux à la partie inférieure des chutes provenant du tronçon de neutralisation, on doit maintenir dans le collecteur, pendant le fonctionnement des pompes, un niveau d'eau correspondant à l'écoulement naturel.
Cet ajustement indispensable du volume d'eau (entrant et sortant) du poste de relèvement est réalisé grâce à des pompes, et par régulation de leur vitesse de rotation : la commande des pompes est réglable entre 350 et 600 tours/mn. Grâce à un montage en cascade, on peut réguler simultanément jusqu’à 3 vitesses de pompes. Un dégrilleur grossier, à écartement de 60 mm entre barreaux, protège les pompes des débris grossiers susceptibles de les obstruer.
Mesures prises localement
À côté de ces dispositions générales pour réaliser l'épuration des eaux résiduaires de BASF, on prit aussi d’autres dispositions intérieures.
Dans les divers ateliers pour diminuer la charge polluante, on y eut recours chaque fois que ces mesures permettaient une élimination des matières polluantes plus économique que le recours à la station-même d’épuration de l’usine :
En particulier, on a pris les mesures suivantes :
1. Incinération des eaux résiduaires acides et alcalines de la fabrication de l’anolon. Ces eaux usées à pollution organique et à haute concentration sont brûlées en partie à la station centrale d’incinération des déchets et résidus, et en partie dans la station d’incinération propre aux eaux résiduaires alcalines.
2. Opérations sur les eaux usées de la synthèse d’oxo-C₁₂. Dans ce cas, on a pu libérer une phase organique en acidifiant les eaux résiduaires, la séparer et la brûler dans l’installation centrale d’incinération.
3. Récupération des déchets sulfuriques. L’acide sulfurique à haute concentration perdu dans de nombreuses fabrications (en particulier celles des colorants) est d’abord concentré dans un atelier spécial de l’usine, puis on en sépare le SO₂ à partir duquel on refait de l’acide sulfurique. Grâce à ces mesures de recyclage on a obtenu une diminution substantielle de l’emploi de réactifs de neutralisation.
Station-pilote
Il fallut ensuite vérifier les résultats des expériences de laboratoires, et ceci fut réalisé dans une station-pilote de 20 000 équivalents-habitants, en assurant la reproductibilité des propositions techniques de solutions. La construction et l’exploitation de ce pilote ont permis de définir les procédés et les bases de dimensionnement de la station d’épuration elle-même.
Commencée en 1969, la construction de la station-pilote a coûté 2 millions de DM. Elle a été mise en exploitation le 1ᵉʳ décembre 1970. Elle est encore utilisée actuellement pour des mesures expérimentales et de contrôle, ainsi qu’à des fins de comparaison avec la station industrielle.
LA STATION D’ÉPURATION
Recherches préliminaires d’un processus d’épuration.
Les projets de stations d’épuration pour des usines chimiques en général, et pour de grandes usines chimiques en particulier, nécessitent de nombreuses recherches préliminaires, compte tenu de la diversité des productions, car les procédés d’épuration connus doivent être adaptés cas par cas.
Entre 1961 et 1965, BASF a fait procéder à des recherches préliminaires : l’Institut de Recherche et de Développement pour l’eau industrielle et urbaine et pour le traitement des déchets de Stuttgart (Directeur : Professeur POPEL) a étudié à petite échelle technique les possibilités d’épurer les eaux résiduaires de l’usine.
À partir de 1970, les recherches furent poursuivies sur la station-pilote afin d’élaborer des conditions techniques d’épuration de ces eaux résiduaires et des données relatives au procédé d’épuration. Les principaux résultats de ces recherches doivent être rapidement mentionnés car ils sont nécessaires pour comprendre la conception technique de la station.
Pour épurer biologiquement de façon satisfaisante les eaux résiduaires de l'usine, il n’est pas nécessaire d’y ajouter des eaux domestiques. Le taux d’épuration à atteindre est une réduction de DBO₅ de 90 à 95 %. À peu près 70 % du carbone organique peut être éliminé.
Les expériences préliminaires avaient montré que la formation d'une boue activée ayant une bonne aptitude à la floculation peut être gênée par une présence en trop grand nombre de bactéries filamenteuses.
On a aussi observé ailleurs (1) que, pour obtenir une boue activée floculant bien, la présence de matières en suspension était nécessaire, dans une proportion correspondant à la quantité de boue et lui servant de support. Ceci conduit, dans les expériences à petite échelle, à ajouter des matières en suspension aux eaux usées. C'est ainsi que, dans la station pilote, la décantation primaire fut réduite à un débourbage grossier avec un temps de séjour de 12 mn et une vitesse ascensionnelle de 10 m³/m²·h. L’apport continuel de matières en suspension (environ 5 ml/l ou 100 g/l) dans le bassin d’aération conduisit à une boue activée floculant très bien avec, en pilote et depuis 1970, un indice de Mohlmann d’environ 50 ml/g. Nous obtenons ainsi une décantation excellente aussi bien dans le décanteur secondaire que dans les épaississeurs.
La teneur en nitrate des eaux résiduaires de BASF (max. 100 à 200 mg/l) est due à l'emploi d’acide nitrique, d’une part comme oxydant dans la synthèse des produits organiques, d’autre part pour la fabrication d’engrais nitrés. L’élimination des nitrates par dénitrification microbienne est donc nécessaire dans le bassin d’activation :
2 NaNO₃ + 10 H₂ → N₂ + 4 H₂O + 2 NaOH
On peut ainsi éviter des accidents d’exploitation qui se produiraient si les bactéries de la boue activée décomposaient les nitrates dans la décantation secondaire, l’azote libéré faisant alors flotter la boue déjà décantée.
(1) Se reporter à la conception de la station d’épuration de Vienne-Blumental (Autriche), 100 000 équivalents-habitants, en aération prolongée (eau domestique avec forte proportion d'eau industrielle), due à M. le Professeur V. D. EMDE de Vienne. Voir « EAU ET L'INDUSTRIE » n° 8 – juin/juillet 1976 – pages 28 et suivantes.
Après avoir tenté, tant au laboratoire qu’en pilote, d’éliminer les nitrates dans la première tranche non aérée d'une activation en deux temps, on a essayé, dans la station-pilote, de les éliminer par dénitrification dans un système unique d’activation. Pour cela on a étagé l'apport d’oxygène : alors que le bassin d’aération revêtait auparavant la forme d’un fossé d’activation, le chenal ouvert présentait désormais une zone pauvre en oxygène. En introduisant les eaux chargées en nitrate dans cette dernière zone, on éliminait pratiquement totalement les nitrates des eaux résiduaires. En réglant l’apport d’oxygène grâce aux aérateurs plus ou moins immergés, on adaptait automatiquement l’importance de l’étage de dénitrification à la charge en nitrates.
Bassin versant et dimensionnement
En même temps que BASF, la ville de Ludwigshafen se vit tenue de soumettre ses eaux usées, jusqu’ici immédiatement rejetées dans le Rhin, à une épuration mécano-biologique. La mise en commun des eaux résiduaires était donc une solution rationnelle, tant sur le plan de la technique que du point de vue de l’aménagement du territoire. En raison de la composition et de la quantité de ses eaux résiduaires, BASF AG se chargea du projet et de la construction de la station d’épuration. Le bassin versant de la station d’épuration s’étend au total sur 3 350 ha. Les débits d’eaux usées ayant permis d'établir le dimensionnement de la station sont rassemblés dans le tableau 1. La capacité d’épuration biologique est dimensionnée pour une charge de 375 tonnes de DBO₅ par jour. Le projet englobe une possibilité d’extension à 450 tonnes de DBO₅ par jour.
Les nitrates contenus dans les eaux à traiter proviennent presque exclusivement de BASF et peuvent varier entre min. 21 t/j et max. 79 t/j de charge en oxygène nitrique.
La quantité de boue de décantation primaire et de boue en excès est de 320 t/j de matière sèche, en moyenne, avec un maximum de 380 t/j.
L’avant-projet
La station-pilote fut mise en exploitation fin 1970, mais il fallut attendre l’achèvement d'un cycle annuel pour obtenir des données significatives sur la technique à appliquer et les dimensions à donner à la station.
Dans l’avant-projet, il fallut donc respecter un calendrier très contraignant pour effectuer les vérifications et comparer les variantes d’exécution dans le délai imparti.
Début 1972, sur la base des premiers résultats de la station pilote, plusieurs firmes furent invitées à présenter un avant-projet technique.
Tableau 1. Débits d’eaux usées retenus pour le dimensionnement de la station
| Débit de temps sec | Débit de temps sec | Débit de temps de pluie | |
|---|---|---|---|
| moyen (m³/s) | maximum (m³/s) | maximum (m³/s) | |
| BASF AG | 6,3 | 7,5 | 10,9 |
| Ville de Ludwigshafen | 0,8 | 0,8 | 1,1 |
| Villes de Frankenthal et de Bobenheim-Roxheim | 0,5 | 0,5 | 0,9 |
| Total | 7,6 | 8,8 | 12,9 |
le traitement des eaux usées, y compris une proposition pour le traitement des boues. On ne disposait pas d’un temps suffisant pour établir chaque fois des projets mûris et détaillés. À cet égard, on devait considérer qu’au début 1972 BASF AG ne pouvait encore fournir aucun devis-programme parfaitement établi en vue de trouver un processus d'épuration. Pour opérer une sélection parmi les avant-projets et procédés proposés par plusieurs entreprises, la seule voie possible était d’utiliser les connaissances constamment améliorées grâce à la station-pilote et de poursuivre nos propres travaux.
La vérification des projets sur le plan technique fut effectuée par trois experts, en collaboration avec les spécialistes de BASF et de la ville de Ludwigshafen. Les experts furent M. Jäger, ingénieur de Mannheim, et MM. Pöpel et Rüffer, respectivement professeurs Dr-ing. de Stuttgart et de Hanovre.
Fin 1972, sur la base du procédé de traitement élaboré par BASF, le projet fut confié au Bureau d’Ingénierie Dwars, Heederik en Verhey B.V. (DHV) à Amersfoort (Pays-Bas). Le traitement de l’eau usée passait en priorité, d'autant plus que le procédé technique de traitement des boues n’était pas totalement au point lorsque la commande de projet fut passée à DHV.
les lignes directrices du projet
Pour l'exécution technique de la station d’épuration, comme pour le choix du procédé, outre les considérations habituelles des frais d’investissement et d’exploitation supportables, il fallait respecter les lignes directrices suivantes :
- — Haut degré de disponibilité La conception et le dimensionnement de la station devaient prévoir des unités en réserve, de façon à assurer la continuité de l’exploitation même en cas de panne d'une partie de l’installation. Les machines et dispositifs mis en œuvre devaient être du matériel éprouvé.
- — Flexibilité Chaque étape du processus devait pouvoir s’adapter aux variations considérables, tant quantitatives que qualitatives, des eaux usées.
- — Possibilités d’extension La conception et la réalisation de la station devaient permettre des extensions éventuelles pour un débit plus important ou une variation de la composition des eaux usées, ou encore, le cas échéant, des processus de traitement supplémentaires.
- — Nuisances Les nuisances provenant des odeurs ou du bruit devaient être réduites autant que possible et respecter scrupuleusement les prescriptions légales.
- — Respect des délais Le calendrier préalablement fixé devait être respecté. Ceci s’appliquait également aux décisions de caractère technique.
l'exécution des travaux
Terrain
Dès 1968-1969, on avait effectué une première étude d’organisation de la station. Le terrain sur lequel on envisageait alors de construire la station se situait entre la limite nord de l’usine et l’autoroute fédérale.
Des sondages et des examens de terrains avaient déjà été entrepris. Mais la station d’épuration dut céder la place au projet de construction du port du Land. Il fallut donc se tourner vers l’intérieur du pays, où une surface de 26 ha était encore disponible, limitée toutefois par un projet de zone industrielle, le projet du port, l'autoroute et l'usine BASF.
En outre, il fallait préserver la « fenêtre verte » : l'accès du public au Rhin. Ce terrain était largement insuffisant pour y construire la station. On manquait de possibilités de dégagement sur le terrain de BASF ou sur le terrain communal. Ainsi, en 1972, l'incertitude fondamentale quant au lieu retardait encore l’établissement du projet et la construction de la station.
Il ne restait comme alternative que le terrain situé aux abords de Frankenthal, au nord de l'autoroute fédérale Mannheim-Sarrebruck. Dans cette zone, BASF ne possédait qu’un terrain de 16 ha. Il fallut donc prendre, pour les premières bases du projet, un terrain en partie fictif.
On ne commença à effectuer les reconnaissances de terrain qu’entre mi-juin et août 1972. Le résultat des recherches de mécanique des sols était cependant incomplet, seul le terrain de BASF étant accessible à cette époque.
C'est le 12 décembre 1972 que l'administration municipale de Frankenthal autorisa la construction de la station d'épuration sur le terrain de 100 ha, au nord de l’autoroute Mannheim-Sarrebruck, répondant ainsi aux exigences des autorités compétentes en matière d'eau, au niveau le plus élevé du Land. Une autre acquisition de terrain put être rapidement menée à bonne fin, de sorte que, le 18 décembre 1972, on disposait d'un terrain suffisant pour commencer la construction.
Organisation de l’ensemble de la station
Le calcul du niveau des différents ouvrages était primordial, en particulier pour les forts débits. La perte de charge à l'intérieur de la station était d’environ 4,5 m. On procéda à une étude d’optimisation entre les frais de pompage de l’eau usée et les travaux, en tenant compte du niveau des plus hautes eaux du Rhin et du niveau de la nappe phréatique. Sur la base du rapport optimum, on fixa le niveau de l’eau dans l’ouvrage d’entrée de manière que l’eau sortant de la station d’épuration ne soit pompée par la station de relèvement que dans les périodes de hautes eaux du Rhin. On calcula le niveau des eaux profondes au moyen des valeurs obtenues par la mécanique des sols et on le compara aux mesures faites sur le terrain de l’usine.
Cette façon de voir paraissait justifiée car la direction principale du flux d’eau souterraine, en provenance du massif de la Haardt à l'ouest, est orientée perpendiculairement au Rhin. Au voisinage de la rive du Rhin, la surface de l’eau souterraine correspond aux niveaux de l’eau du Rhin à un décalage dans le temps près.
Le fond des ouvrages est situé dans la zone soumise aux variations de niveau de l’eau souterraine. C’est aussi pour cette raison qu’il était nécessaire de relier les ouvrages entre eux non par des canaux à surface libre, mais par des canalisations en tuyaux. Ces canalisations souterraines de 1 600 à 2 000 mm de diamètre en béton projeté déterminèrent essentiellement le déroulement du projet et de la construction de la station.
Malgré la très grande surface des unités de construction on choisit de rabattre la nappe par des puits isolés. Au moyen de 109 puits on put abaisser le niveau de la nappe de 4 m au maximum. Le débit maximum par puits fut limité par le Service hydraulique à 100 l/s. Après les travaux, on a conservé quelques puits, afin de pouvoir vider les bassins en cas de panne ou de révision, sans devoir attendre l’abaissement correspondant du niveau de la nappe.
Comme on pouvait s’y attendre, les recherches de mécanique des sols ne révélèrent pas de caractéristiques susceptibles de gêner la fondation. Il n'y eut que quelques zones où l’on dut remplacer certains sols.
Tous les ouvrages purent être construits avec des fondations relativement légères. La disposition des bâtiments est représentée sur la figure 1.
DESCRIPTION DE LA STATION D’ÉPURATION
Épuration mécanique, traitement préliminaire
Deux canalisations sous pression, d'une valeur nominale de 1 600 NW amènent l'eau usée dans l’ouvrage d’entrée de la station
Eindicker : épaississeurs.
Doppelwellen Kontaktwerk : ouvrage de contact à double mélangeur.
Wirbelschichtverbrennungsofen : fours à lits fluidisés.
FeCl₃ Dosierstation : poste de dosage FeCl₃.
FeCl₃ Rührbehälter : citernes d’agitation à FeCl₃.
Hochdruckschlammpumpe : pompe à boue à haute pression.
Frischluftgebläse : soufflante d’air froid.
Kalkdosierstation : poste de dosage de la chaux.
Einspritzkühler : refroidisseur à injection.
Aschedosierstation : poste de dosage des cendres.
Filterpresse : filtre-presse.
Elektrofilter : électrofiltres.
Doppelwellenmischer : mélangeur à double vis mélangeuse.
Trogkettenförderer : transporteurs à chaînes.
Aschenüberschussbehälter : conteneurs de cendre en excès.
Filterkuchenbrunckner : silos à gâteau de filtration.
d'épuration, où elle passe dans deux dessableurs et un poste de dégrillage (voir figure 2).
Les matières en suspension > 5 mm se déposent dans les dessableurs de 2 × 6,00 × 2,50 m ; les matières solides sont retenues dans les quatre grilles de 2,40 m chacune, où l’écartement entre les barreaux est de 20 mm. Si cela s'avère nécessaire ultérieurement, il est possible de construire un cinquième dégrilleur. Les produits extraits mécaniquement sont comprimés dans une presse spéciale équipée pour un débit de 5 m³/h. Ils sont ensuite transportés en containers à la décharge de l'usine.
L'ouvrage de répartition I, d'une profondeur de 9,40 m, vient immédiatement derrière le grillage. Les eaux usées sont également réparties entre les quatre débourbeurs grossiers.
Les débourbeurs grossiers sont constitués par des bassins circulaires, dont les caractéristiques sont les suivantes :
diamètre intérieur d = 29 m profondeur au bord t = 3,00 m surface O = 660 m² volume V = 2 443 m³
Ces débourbeurs retiennent les sables d'une granulométrie supérieure à 0,2 mm ainsi que les matériaux boueux à décantabilité semblable, qui pourraient se déposer au cours des traitements ultérieurs. Les matières flottantes sont également séparées des eaux usées. On a renoncé volontairement à séparer les matières solides plus fines afin de les utiliser comme support d'une boue activée floculant bien dans le bassin d’aération suivant.
Les débourbeurs grossiers sont équipés de ponts racleurs de 15 m de long, mus par des moteurs électriques de 0,55 kW de puissance situés en leur extrémité. Les roues sont en polyuréthane d'une dureté Shore de 70° et ont 645 mm de diamètre. Les seuils de déversoirs en bordure du bassin sont en résine polyester renforcée fibres de verre.
La boue raclée au milieu du débourbeur est envoyée dans le silo à boue annulaire ; elle est alors extraite par deux postes de relèvement à vis d’Archimède et dirigée sur trois calibreurs à sable. Il s’agit là de calibreurs Dorr, à progression pendulaire, dans lesquels le sable de granulométrie supérieure à 1 mm (et donc susceptible de gêner le traitement de la boue) est séparé et extrait sous forme de matériau sec. Il est porté en décharge. La bourbe désablée s’écoule vers le poste de relèvement de boue primaire. Là, elle est pompée en même temps que la boue en excès provenant du traitement biologique et dirigée vers les épaississeurs. Les matières flottantes extraites du débourbage grossier sont séparées de leur eau dans deux dégraisseurs et portées à l'incinération.
Les parois extérieures de ces quatre bassins ont été réalisées en soutènement d’angle. Des joints les traversent tous les 10 m, en tenant compte du coffrage et des reprises de bétonnage. Les parois se trouvent ainsi garanties contre la fissuration, tout en gardant une proportion admissible d’éléments métalliques. Le fond, d’une épaisseur de 12 cm, a été exécuté en béton alvéolaire, par plages de 7 m × 7 m.
Épuration biologique
— Bassin d’aération
L’eau usée prédébourbée mécaniquement est reprise dans l’ouvrage de répartition 2 et dirigée sur cinq bassins d’aération. L’eau usée est alors soumise au traitement biologique selon le procédé des boues activées. La concentration en DBO₅ de l’eau usée est réduite de 90 à 95 % pour atteindre 40 mg/l et moins. Les dimensions principales d'un bassin sont :
- - longueur totale = 122,20 m
- - largeur totale = 115,30 m
- - volume = 58 700 m³
- - profondeur utile maxima tₘₐₓ = 4,50 m
- - profondeur utile minima tₘᵢₙ = 4,00 m
Grâce à la construction de parois de séparation (cf. figure 3) on a établi dans les bassins rectangulaires un système de méandres et de canaux de 10 m de large et de 4,25 m de profondeur moyenne : il s’agit là du système DHV. Le mélange de boue activée et d’eau usée traverse le bassin en circulant le long de ces méandres.
[Figure : Représentation schématique d’un bassin d’aération Z arrivée d’eau usée. R retour des boues. S sortie de l'effluent. Aérateur Ø 3 660 mm — moteurs 110/55 kW — 1 485/380 tours/minute. Aérateur Ø 3 660 mm — moteurs 110 kW — 1 485 tours/minute. Aérateur Ø 8 060 mm — moteurs 160 kW — 1 488 tours/minute.]Pour introduire l'oxygène nécessaire, on a installé à chaque extrémité de chicane des turbines d’aération qui assurent en même temps la circulation dans le bassin et la turbulence nécessaire pour obtenir un mélange homogène de boue activée et d’eau usée.
Chaque bassin est équipé de vingt-deux turbines d’aération Simcar, dont :
- * onze de 160 kW et de 4 050 mm de diamètre,
- * onze de 110 kW et de 3 660 mm de diamètre.
On peut ainsi enclencher ou déclencher les turbines à volonté, pour adapter l’apport d’oxygène à la charge polluante, afin d’obtenir une dégradation biologique optimale. En faisant varier le seuil de déversement du bassin, et donc la profondeur d’immersion des turbines, on peut en outre adapter l’apport global d’oxygène aux variations de longue périodicité de la charge polluante. Un système de régulation est en cours d’expérimentation. La régulation est fonction de la teneur en oxygène mesurée en quatre endroits différents du bassin d’aération. Onze aérateurs au moins doivent fonctionner constamment pour maintenir la vitesse de courant minima nécessaire et empêcher la démixtion de l'eau usée et de la boue activée.
Pour limiter les investissements en appareils de mesure et de régulation, seul un bassin a été équipé complètement en appareils mesurant l’oxygène, la teneur en matières solides et le niveau des mousses. Il sert de bassin conducteur. Une connexion automatique avec les autres bassins règle l’enclenchement simultané de tous les aérateurs. En cas de panne du bassin conducteur, le relais est assuré, mais pour un temps limité, par un bassin conducteur de secours.
Les appareillages d’aération situés avant l’arrivée de l’eau usée permettent de fixer la teneur en oxygène dans le chenal carrousel. Des turbines d’aération permettent de ménager un tronçon sans oxygène dont la longueur est fonction de la charge en nitrates des eaux arrivant dans la station (tronçon de dénitrification). Dans cette zone d'entrée, on procède d’abord à la dénitrification bactérienne des eaux usées, selon le système expérimenté dans la station-pilote. Au cours de cette dénitrification, une partie du flux de pollution organique, correspondant à la quantité d’oxygène nitrique éliminée, est déjà dégradée. Les eaux usées passent ensuite directement dans l'autre partie du chenal, où s'effectue, sans apport d’oxygène, la dégradation aérobie du reste du flux de pollution.
La concentration optima de boue activée dans le bassin d’aération est de TSᵣ = 4,5 kg de matières solides par m³.
Elle est régulée en exploitation normale. La fraction organique est de OTS = 3,2 kg/m³.
La charge de DBO₅ n’est pas notablement diminuée au cours du débourbage grossier et doit donc être traitée dans sa quasi-totalité au cours de l’activation. Compte tenu d’une pollution calculée de 375 t/jour de DBO₅, la charge volumique est de 1,28 kg de DBO₅/m³/jour et la charge massique organique de 0,4 kg de DBO₅ par kilogramme de matière organique et par jour.
Le temps d’aération, calculé sur la base du débit par temps sec, est de 11,5 heures.
La détermination du tracé des bassins d’activation a été effectuée en fonction des facteurs suivants :
— la garantie fournie par le système des fossés d’obtenir une dilution suffisante de l’eau introduite par le mélange eau usée + boues activées en circulation (rapport minimum de dilution : 1/14) ;
— adaptation simple du volume de la partie du bassin travaillant en dénitrification à la fraction de nitrates introduits ;
— la grande profondeur admissible pour les bassins ;
— et la souplesse d’approvisionnement en oxygène, grâce à la possibilité d’installer ultérieurement, en cas de besoin, des turbines d’aération plus importantes.
Le flux sortant vers le décanteur secondaire peut être réglé en fonction du flux entrant, grâce à un système de seuil de déversoir à hauteur réglable, de 2 × 10,00 m.
Grâce à ce seuil, le niveau de l’eau dans le bassin d’aération est maintenu automatiquement à une hauteur optimale pour l’exploitation, indépendamment du débit d’entrée. Les postes de transformation sont installés approximativement au milieu des bassins, pour maintenir une longueur de câblage aussi faible que possible. Un long calcul des efforts dynamiques a montré que, lorsque la vitesse de rotation des turbines est de 30 tours/min, l’ensemble des parois conductrices des canaux, des passerelles de service et des bassins pleins d’eau n’entre pas en résonance.
Les cinq bassins d’aération sont, pour ce qui est de la technique de construction, bâtis selon les mêmes principes que les débourbeurs grossiers. La présence d’un joint entre les parois et les fondations (ces dernières étant épaisses de 40 cm) a contraint à renforcer la dalle du sol par une voûte en bordure du joint. Les reins de cette voûte ont été bétonnés contre des plaques de styropor expansé, afin de permettre une certaine déformation de la dalle (résistance à la rupture).
Décanteurs secondaires
À la sortie des bassins d’aération, le mélange boue activée + eau usée passe dans des ouvrages de répartition pour être dirigé, pour chaque bassin, sur deux décanteurs secondaires. On s’est ménagé la possibilité de placer, pour chaque bassin d’aération, un troisième décanteur secondaire si cela s’avérait nécessaire.
La construction des décanteurs secondaires correspond à celle des débourbeurs grossiers. L’effluent épuré est extrait par une goulotte de déversement en béton armé préfabriqué. Cette goulotte, démontable, repose sur des consoles en béton précontraint préfabriqué, encastrées dans la paroi extérieure.
Les dix décanteurs secondaires sont des décanteurs circulaires dont les caractéristiques sont les suivantes :
| diamètre : 57 m |
| profondeur en bordure : t₁ = 2,3 m |
| surface : Ω = 255 m² |
| volume : V = 7 900 m³ |
Dans les décanteurs secondaires, la boue activée est séparée par sédimentation de l’eau usée biologiquement épurée ; l’eau usée épurée ne doit pas contenir plus de 0,3 ml/l de matières décantables. En application des essais de décantation poursuivis dans la station pilote avec l’effluent du bassin d’aération, la vitesse ascensionnelle qᵥ pour le débit par temps sec fut fixée à 1,0 m³/m²·h et le temps de séjour à 3,10 h. La place et les possibilités de raccordement ont été prévues, comme indiqué ci-dessus, pour adjoindre à chaque bassin d’aération un troisième décanteur secondaire en supplément en cas de surcharge des décanteurs existants.
La boue décantée est continuellement raclée sur le fond par un racleur qui l’évacue dans le cône à boue placé au milieu du bassin, d’où elle est extraite par un collecteur de boue qui la conduit à la station de pompage des boues de retour. Les cinq ouvrages de répartition en amont des décanteurs secondaires sont reliés par une canalisation régulatrice qui fait office de répartiteur linéaire. En cas de panne d’un bassin d’aération ou d’un décanteur secondaire, les eaux usées correspondantes peuvent être réparties sur l’ensemble des autres décanteurs secondaires par l’intermédiaire du répartiteur.
L’effluent épuré est rejeté par émissaire vers le Rhin, par la station de relèvement de hautes eaux. Dans cet ouvrage, le rejet a lieu gravitairement en cas de niveau normal des eaux du Rhin. Pour le relèvement de l’eau en cas de crue, on a installé quatre pompes à hélices, chacune d’un débit de 3,5 m³/s pour une hauteur de relèvement de 8 m.
Station de pompage des boues de retour
La station de pompage des boues de retour est équipée pour un débit de boue correspondant, au maximum, à 1,5 fois le débit de temps sec, c’est-à-dire pour un taux de recyclage allant jusqu’à 150 %, rapporté au débit de temps sec.
Cinq vis d’Archimède d’un diamètre de 2 800 mm, chacune d’un débit de 2,15 m³/s pour une hauteur de relèvement de 4,10 m, pompent la boue de retour dans l’ouvrage de répartition 3 ; elles sont régulées en fonction de la mesure du débit d’eau brute. Dans l’ouvrage de répartition, la boue est répartie en cinq flux et directement recyclée par des canalisations de retour dans les cinq bassins d’aération. L’emplacement pour installer une sixième pompe est déjà prévu.
Boue en excès
La boue en excès correspond à la quantité de boue activée produite en excédent au cours de la dégradation microbienne des composés organiques. Elle doit quitter le cycle d'activation et passer de la station de pompage des boues de retour pour le poste de relèvement de la boue en excès. Sa teneur en matières solides est d’environ 1 %. Elle est pompée par deux vis d'Archimède de 900 mm de diamètre, d'un débit maximum de 0,33 m³/s, et dirigée en même temps que la boue primaire dans cinq épaississeurs.
Caractéristiques des épaississeurs :
- diamètre : Ø = 52,5 m - profondeur en bordure : tᵣ = 2,5 m - surface : Ø = 2800 m² - volume : V = 7800 m³
Dans ces cinq épaississeurs, la boue en excès passe de 1 % de matières solides à environ 5,5 % ; la charge superficielle est de l’ordre de 30 kg/m²/j. Dans la station-pilote, les épaississeurs par sédimentation équipés de bras de raclage s’étaient révélés comme la méthode d'épaississement la plus sûre sur le plan de l’exploitation et la plus économique. Le surnageant retourne à la station de pompage de boue de retour. La boue épaissie part au traitement des boues. Pour ces bassins circulaires d’épaississement, les principes de construction indiqués précédemment restent valables. Un puisard situé sous les épaississeurs abrite les pompes d’extraction placées directement dans le cône à boue. On évite ainsi le danger d'obstruction qu’auraient présenté de longues conduites d’aspiration.
Possibilités d’extension et réserves
L’agencement dans l’espace des installations de traitement des eaux résiduaires sur le terrain de la station d'épuration a été prévu de telle manière que les bassins d’aération puissent être augmentés d'une sixième unité pour atteindre une capacité de dépollution de 450 t de DBO₅ par jour. Les débourbeurs grossiers peuvent être augmentés de deux unités, les décanteurs secondaires de huit unités et le nombre des épaississeurs porté à huit bassins. Lors de la construction des ouvrages de répartition et des conduites de liaison, on a tenu compte des liaisons correspondant à ces extensions.
Dans le partage de chaque étage de traitement en bassins, on a choisi chaque fois d’avoir au moins quatre unités (débourbeurs grossiers). Ainsi, en cas de mise hors service d’un bassin en raison de panne ou de travaux d’entretien normaux, les bassins restants peuvent, au prix d'une certaine surcharge, assurer le service du bassin hors service. Afin de ne pas mettre aussi hors exploitation les décanteurs secondaires qui suivent le bassin hors service, on a assuré leur découplage (mentionné précédemment), grâce à une
conduite de compensation. Cette conduite est fermée par une vanne en service normal et peut être mise en service rapidement en cas de panne.
Traitement des boues
Dans le traitement des boues on réduit la quantité de boue primaire et de boue en excès qui arrive sur la station par déshydratation mécanique et par incinération. Ainsi il ne reste à mettre en décharge que la fraction inerte de la matière sèche des boues et, le cas échéant, les adjuvants de filtration qui ont été ajoutés. Dans le traitement des boues de la station d’épuration de BASF, on utilise pour le conditionnement des floculants chimiques minéraux, chlorure ferrique et chaux, qui peuvent être remplacés en tout ou partie par leur propre cendre. La déshydratation a lieu en filtres-presses.
Pour l'incinération du gâteau de filtration déshydraté, d'une siccité de 40 à 55 %, sont installés des fours à lits fluidisés. Les essais d'incinération conduits dans le four à lit fluidisé de la station pilote ont montré qu’à part la séparation des poussières en électrofiltre, aucune mesure d’épuration supplémentaire des gaz de fumée n’est nécessaire pour respecter les prescriptions imposées par l’Administration en matière de pollution.
Conditionnement et déshydratation
Le traitement de la boue s’effectue en parallèle sur cinq unités de conditionnement où l'on procède au dosage de chlorure ferrique, de lait de chaux et de cendre à titre d’adjuvants de filtration. La boue est à cet effet extraite du cône des épaississeurs par des pompes à hélices et pompée à travers des réservoirs fermés munis d’agitateurs de 0,7 m³, dans lesquels on peut injecter, en cas de besoin, du chlorure ferrique sous forme de solution à 40 % (4 à 6 kg par m³ de boue).
Elle arrive ensuite dans les mélangeurs à double vis (7 m³) dans lesquels on la mélange intimement avec du lait de chaux à 20 % (environ 15 kg de chaux par m³ de boue) et de la cendre provenant des silos à cendre placés au-dessus (jusqu’à 176 kg maximum de cendre par m³ de boue).
La taille des mélangeurs ayant jusqu’ici fait leurs preuves dans ce type d'utilisation est l'élément qui a déterminé le nombre des unités de conditionnement, et donc le nombre des épaississeurs.
En cas de mise hors service d’un mélangeur, ou d'une installation de dosage de chaux ou de cendre, chacune des unités de conditionnement peut être remplacée par une sixième unité de secours.
Des canalisations de trop-plein relient les mélangeurs à double vis aux ouvrages à double agitateur situés en dessous. Ces derniers sont également équipés d’agitateurs horizontaux afin d’empêcher la démixion de la boue conditionnée. Les agitateurs, en forme de demi-coquilles juxtaposées, sont constitués d’éléments en béton préfabriqués. Les agitateurs sont reliés les uns aux autres, mais peuvent également être isolés, et servent de réservoirs tampons entre le pompage continu, sous les épaississeurs, et la déshydratation non continue dans les filtres-presses.
L'expérience a montré que, pour déshydrater la boue, il faut une surface de filtres de 6 000 m² environ. Pour obtenir cette surface il fallait six filtres-presses à 150 plateaux de 2 × 2 m et un septième en secours. Le nombre des réservoirs tampons correspond à celui des filtres-presses pour que chaque filtre, en cas de panne à l'intérieur du groupe des réservoirs tampons à agitateurs, ne puisse être exploité qu’avec un réservoir tampon et que la mise hors service d’un réservoir tampon n’arrête qu'un filtre-presse.
Le filtre-presse à plateaux de 2 × 2 m peut être considéré, tant sur le plan de sa construction que sur celui de son exploitation, comme deux presses dans un cadre commun. Les plateaux sont divisés par une nervure médiane, à chaque moitié est allouée une pompe et une citerne tampon sous pression. Un filtre-presse de cette taille représente une innovation mais le risque pouvait être pris. Comparativement à la presse classique de 1,5 × 1,5 m, les itinéraires du filtrat ne sont pas beaucoup plus longs et la charge mécanique est plus faible grâce à la nervure médiane. Les plateaux ont également été coulés en fonte. L’alimentation de la presse est assurée par des pompes à piston d'un débit maximum de 50 m³/h. Pour accélérer et régulariser l‘alimentation en boue, des réservoirs tampons sous pression sont couplés à la presse. Pendant la filtration, la boue y est comprimée sous une surpression de 15 bars et elle se décharge dans la presse au début du cycle de filtration suivant. Sous une pression de filtration en fin de cycle de 15 bars, la siccité de la boue déshydratée (gâteau de filtration) atteint 40 % avec un conditionnement au FeCl₃ et à la chaux, et jusqu’à 55 % lorsqu’on ajoute de la cendre.
Après filtration, le gâteau est jeté dans les silos en béton placés sous la presse, dont la capacité est celle d’une charge. L'extraction
du gâteau hors des silos se fait par des extracteurs à chaînes à auge de 1 m de large (50 t/h). Les extracteurs peuvent fonctionner simultanément jusqu’à concurrence de trois à la fois et déversent le gâteau de filtration dans le transporteur collecteur de 200 t/h placé transversalement devant la ligne des silos. De là, le gâteau est amené par deux nouveaux transporteurs dans des silos à gâteau, qui servent de réserve-tampon pour l’incinération. La mise en silos est réglée par la mesure du niveau de remplissage des silos à gâteaux.
Un deuxième système transporteur, parallèle au premier, peut être utilisé en secours. Des vannes supplémentaires aux points de déchargement permettent un agencement aussi souple que possible des transporteurs à chaque voie de transport.
Tous les transporteurs de gâteau sont des transporteurs à chaînes à auge fermés avec revêtement de basalte. Pour éviter les odeurs, l’air des transporteurs et des silos à gâteau de filtration est aspiré et conduit à l’incinération par des soufflantes à air froid.
Le conditionnement et la déshydratation ont lieu dans un bâtiment composé de deux étages qui abrite également l’installation préparant le lait de chaux et la station d’air comprimé. Le stockage de FeCl₃, avec des installations de dosage et de mélange, est installé dans un bâtiment séparé.
Incinération de la boue
Le gâteau de filtration est brûlé dans trois installations d’incinération. Chaque installation est desservie par un silo à gâteau de 400 m³ comme réserve de combustible. Un extracteur tournant sur le fond de chaque silo extrait le gâteau hors du silo au moyen de deux vis. Deux transporteurs à chaînes à auge conduisent le gâteau, depuis les vis jusqu’à deux puits de chargement refroidis à l’eau, situés au sommet de la chambre à feu du four, d’où il tombe directement, c’est-à-dire sans autre système d’arrêt, sur le lit fluidisé. Ces transporteurs sont donc soumis à la faible sous-pression de la chambre à feu.
Dans le lit fluidisé de sable de quartz, dont la granulométrie est comprise entre 0,5 et 2 mm, s’effectue l’incinération du gâteau de filtration à des températures de 600 à 800 °C. Les matières solides (cendre, sable) ne peuvent quitter le lit fluidisé que lorsque par érosion, elles ont été réduites à une taille permettant leur évacuation sous forme de fumée. La vitesse des gaz de fumée a été choisie de manière que les particules entraînées séjournent dans la chambre à feu et dans la chambre de post-combustion qui la suit, respectivement 1 et 1 seconde.
L’exigence d’une combustion complète des particules solides est satisfaite par une température minima de 800 °C dans la chambre à feu ou dans la chambre de post-combustion. Les gaz de fumée qui quittent le four à une température de 800 à 900 °C réchauffent l’air de combustion à au moins 500 °C dans le préréchauffeur d’air à contre-courant où les gaz de fumée se refroidissent à une température de 350 °C environ.
Lorsque le pouvoir calorifique du gâteau de filtration est suffisant, l’incinération a lieu en autocombustion. La température de la chambre de post-combustion est alors maintenue à 900 °C. À cet effet, on peut injecter de l’eau dans le lit fluidisé au moyen de trois injecteurs d’eau froide. Lorsque le pouvoir calorifique est trop bas, on met en route jusqu’à 6 injecteurs à fuel agencés autour du lit fluidisé et servant de brûleurs d’appoint.
Le sol métallique pourvu de tuyères est composé de cinq segments étagés. Au niveau du segment médian, le plus profond, le sable en excès est extrait par une vis. Chaque tuyère du sol est réglable en hauteur.
Les gaz de fumée qui quittent le préréchauffeur d’air à environ 650 °C doivent voir leur température abaissée à la température d’exploitation des électrofiltres, soit 350 °C. Le refroidissement des gaz de fumée s’effectue dans un refroidisseur où 10 buses vaporisent de l’eau de rivière sous une vaporisation de 25 bars. Les 10 buses peuvent être démontées séparément en cours d’exploitation, nettoyées et, le cas échéant, changées.
La cendre la plus grossière arrivant au refroidisseur tombe à l’état sec dans l’extracteur du refroidisseur du fait de la diminution de vitesse des gaz, puis est conduite au transporteur à chaînes à auge situé en-dessous.
L’élimination des poussières, dont la teneur passe de 170 g/m³N à 0,150 g/m³N, s’effectue dans un électrofiltre. La teneur en poussière des gaz de fumée épurés est surveillée en continu. Les gaz épurés sont rejetés dans l’atmosphère par une cheminée de 48 m de hauteur.
Pour le conditionnement de la boue, on n’utilise de préférence que la cendre fine de l’électrofiltre. La cendre de l’électrofiltre est donc extraite et transportée séparément de la cendre grossière du refroidisseur à vaporisation.
Les transporteurs sont cependant dimensionnés en débit de telle manière qu’en cas de panne d’un de ceux-ci, les fractions de cendre grossière et fine puissent être prises en charge par l’un deux.
Pour le transport de cendre on obtient donc la même garantie de réserve (100 %) que pour celui des gâteaux de filtration. Les transporteurs de cendre sont reliés à la mise en dépression des électrofiltres pour éviter autant que possible les sorties de poussière.
La cendre grossière et la partie de cendre fine inutilisée pour le conditionnement sont conduites à trois silos de cendre en excès de 160 m³ chacun, d’où elles sont reprises et humidifiées par vis (25 t/h) de manière à être transportées en décharge par camions.
L’unité d’incinération et l’ensemble des transporteurs construits sur des charpentes en acier constituent des installations à ciel ouvert.
Services généraux
L’automatisme et la surveillance de l’ensemble de la station d’épuration (traitement de l’eau usée et des boues) s’effectuent depuis une cellule de mesure centralisée, construite entre le bâtiment de conditionnement et celui d’exploitation. Le bâtiment d’exploitation de trois étages contient les laboratoires, les équipements sociaux et les bureaux d’administration. La maintenance technique de la station est assurée par les ateliers centraux de B.A.S.F., A.G. Pour les réparations les moins importantes, on a construit un atelier annexe et un dépôt de pièces détachées sur le terrain de la station d’épuration.
Tableau 2. Ventilation du coût de la station d’épuration
Millions de D.M.
| Frais d’investissement | Traitement de l’eau usée | Traitement de la boue | Services Généraux | Total |
|---|---|---|---|---|
| 104 | 76 | 20 | 200 | |
| Génie civil | 65 % | 13 % | 92 % | |
| Machines, appareillage | 27 % | 69 % | 7 % | |
| Électrotechnique, techniques de mesures et de régulation | 8 % | 18 % | 1 % | |
| Total | 100 % | 100 % | 100 % |
Coût
Les frais de construction de la station d’épuration se montent à 200 millions de D.M. Le tableau 2 illustre la ventilation de ce montant entre le traitement de l’eau usée, de la boue, et les services généraux (conciergerie, voies, bâtiment d’exploitation, centrale énergétique, ateliers, etc.).
En outre, le tableau indique la part revenant aux principaux postes y compris les coûts d’ingénierie et de montage. Les frais d’exploitation, à l’exclusion de l’amortissement et des intérêts, se montent à environ 41 millions de D.M. par an. Cette dépense est due à peu près pour moitié aux frais d’énergie ; à cet égard, il y a lieu de considérer que la puissance électrique appelée maxima est de 22 MW.
Calendrier prévisionnel
Pour l’étude, la construction et la mise en exploitation, on disposait d’un délai d’à peine deux ans, délai que de nombreux spécialistes estimaient trop court pour la réalisation du projet. Au début de l’étude, il y avait encore trop d’incertitudes dans le détail de toutes les disciplines et branches de l’entreprise pour pouvoir justifier la dépense supplémentaire d’un P.E.R.T. Un calendrier prévisionnel d’ensemble sous forme d’un diagramme de barres indiquait les dates-clés et les recoupements nécessaires à la coordination d’ensemble. Un grand nombre de calendriers prévisionnels particuliers, établis par spécialité et fixant les travaux et les échéances, complétait le calendrier prévisionnel d’ensemble.
À côté des réunions de détail de bureau et de chantier furent conduites pendant tout le temps de l’étude et de la construction, à peu près mensuellement, des réunions communes d’étude des délais avec toutes les parties intéressées au projet, pour vérifier les dates essentielles et les recoupements en fonction du calendrier prévisionnel d’ensemble.
En plus d’une quarantaine de participants étaient toujours invités les représentants de la ville de Ludwigshafen et de l’administration locale ou du Service des Eaux de Neustadt/Weinstrasse. La possibilité fut ainsi donnée aux autorités chargées de la surveillance des travaux d’être tenues informées en permanence de leur avancement.
Cette façon de surveiller les délais d’exécution fut largement justifiée par de nombreuses incertitudes qui ne furent levées qu’au cours de l’exécution du projet, ainsi que par les modifications continuelles de l’étude, des livraisons et de l’exécution de la construction.
Un tableau a représenté, sous forme simplifiée et très condensée, le calendrier des constructions de génie civil et du montage des machines. Il en ressort que pour la réalisation dans les délais des différentes parties des installations, aussi bien dans le traitement de l’eau usée que dans celui de la boue, le calendrier prévisionnel était décisif pour les travaux de construction. Il a donc fallu établir rapidement les spécifications et les commandes des équipements mécaniques, des appareillages, des dispositifs de mesures et des équipements électrotechniques.
Dans la mesure où les appareils correspondants ne pouvaient être montés dans les détails, il fallait choisir un plan d’exécution des travaux qui puisse s’adapter aux diverses alternatives de procédé ou d’appareillage.
ORGANISATION
Le projet « station d’épuration » a été traité par B.A.S.F., comme la construction d’une grande usine de chimie. C’est pourquoi on prit dans ce cas-ci le schéma d’organisation habituellement utilisé par B.A.S.F. Le projet se déroula, dès la construction des installations, en collaboration étroite avec le Département Protection de l’Environnement et Sécurité du Travail, indicateur de procédés et ultérieurement exploitant de l’installation, avec les ateliers et avec le Service des Achats Techniques, tous appartenant aux Services Techniques de B.A.S.F.
Les accords contractuels avec le bureau d’études D.H.V. comprenaient un principe d’organisation, mais devaient être adaptés au déroulement technique des travaux pendant leur exécution, ce qui était avantageux pour les deux parties.
La responsabilité de toutes les études et de tous les travaux d’exécution, de même que celle du calendrier prévisionnel d’ensemble et du relevé des dépenses incombait contractuellement à D.H.V. et à l’ingénieur de projet de B.A.S.F.
Les divisions de constructions spécialisées telles que celles de Techniques de Construction, Construction de Machines et d’Appareils, Électrotechnique ainsi que Techniques de Mesure et de Régulation étaient responsables du choix des entreprises, de la conformité de l’exécution, de la construction et de la livraison dans les délais des parties relevant de leur compétence. Elles furent appuyées dans cette tâche par le Service des Achats Techniques dans le cadre habituel.
La surveillance des travaux de construction fut assurée par la Division Exploitation de Génie Civil de B.A.S.F. Le montage des équipements mécaniques fut exécuté par la Division Exécution de la Construction d’Installations.
À certains moments, 850 ouvriers travaillaient sur le chantier. En outre, des ateliers spécialisés de B.A.S.F. ont collaboré au niveau de l’étude, de la fabrication, du montage, et du contrôle de qualité de la pose et de la soudure des canalisations de polyéthylène.
PREMIERS RÉSULTATS D’EXPLOITATION DE LA STATION D’ÉPURATION
Dans la station d’épuration, les procédés mis au point dans la station-pilote ont été appliqués à une échelle 500 fois plus grande. Dans certains cas, il a fallu multiplier par 50 la capacité des divers appareillages, selon le nombre d’unités de traitement choisi. C’est pourquoi il a parfois été nécessaire d’apporter des modifications techniques à des procédés éprouvés.
L’influence qui en résulte sur le fonctionnement des installations n’est pas chiffrable. On ne peut l’évaluer que dans l’exploitation de la station. La mise en route de la station d’épuration s’est effectuée pas à pas, d’après un plan de mise en route préparé de longue date. Un nouvel étage de traitement n’était mis en route que lorsque l’étage précédent s’était révélé pleinement satisfaisant dans son fonctionnement au cours des essais. C’est dans ces conditions qu’on lança, le 3 juillet 1974, la station de neutralisation, première partie de l’installation.
Les travaux effectués pour installer la régulation de la neutralisation à la chaux en un étage et la résolution des difficultés de démarrage habituelles prirent environ deux mois.
Le 4 septembre, on commença alors les essais d’exploitation de la station de relèvement d’eau usée et le 1ᵉʳ octobre on pompa pour la première fois l’eau usée dans la canalisation sous pression longue de 3,5 km conduisant à la station d’épuration, et celle-ci fut mise en route.
La mise en route de la station d’épuration s’accomplit en trois étapes. Dans une première étape, en octobre, on démarra la partie située dans la zone d’entrée de la station, avec le prétraitement mécanique de l’eau usée.
Début novembre, deuxième étape, ce fut la mise en route, selon un programme fixé à l’avance, de la tranche biologique du traitement. Dans les premiers jours de cette mise en route, on ensemença l’eau usée dans les bassins d’aération avec de la boue en excès de la station pilote de B.A.S.F., en vue d’accélérer la formation d’une boue activée adaptée à l’eau usée à traiter.
Des travaux indispensables, destinés à améliorer le système de répartition contraignirent à exploiter la tranche biologique, au début de la mise en route, avec un débit faible d’eau usée et une charge volumique d’environ 0,5 kg DBO₅/m³/jour. Cependant, on atteignit dès le 25 novembre la concentration désirée de 4,5 kg/m³ de matière solide des boues, et à partir du 26 novembre, de la boue en excès fut extraite des bassins d’aération.
Ainsi étaient réunies les conditions pour commencer les essais d’exploitation réguliers d’épaississement et de traitement de la boue dans le cadre de la troisième étape de mise en route.
Depuis la mise en route de la station de neutralisation, la consommation de chaux, initialement évaluée à 50 t CaO/jour, a souvent été
largement dépassée. Cependant, le pH d’entrée à la station d’épuration s’est toujours jusqu’ici maintenu dans une zone de faible alcalinité. Depuis la mise en route de la station d’épuration, la neutralisation et la station de relèvement travaillent de façon continue, et pratiquement sans problème.
Dans le débourbage mécanique primaire de la station d’épuration, d’après les résultats obtenus jusqu’ici, le sable et les bourbes les plus grossiers sont éliminés de façon satisfaisante, y compris jusqu’à une granulométrie inférieure au seuil critique. Les quelques difficultés rencontrées, concernant uniquement l’extraction des boues, ont été résolues grâce à certaines modifications relativement simples.
Dans le fonctionnement de la tranche biologique du traitement, dès la mise en route se dessina une bonne concordance avec l’évolution des expériences de mise en route poursuivies au tout début de l’affaire, à la section Eau Usée de l’École Polytechnique. Les recherches microscopiques sur la boue activée montrèrent qu’au début de la mise en route intervenait un développement rapide des bactéries libres, qui reculait à vue d’œil à partir du treizième jour d’exploitation avec le début de formation de flocs de zooglée. À la fin de la mise en route, la boue activée contenait des ciliés sessiles et mobiles et accusait une très bonne décantabilité avec un indice de Mohlmann de 50 ml/g. Elle correspond, de par sa structure et son activité respiratoire, à la boue du bassin d’aération de la station pilote.
Cinq semaines seulement après la mise en exploitation de la station biologique, on descendait pour la première fois à une concentration au niveau des rejets inférieure à 40 mg/l de DBO₅.
Pour un débit d’eau usée de B.A.S.F. et de la ville de Ludwigshafen d’environ 5 à 6 m³/s actuellement et un flux de pollution de 250 t de DBO₅ par jour environ, la charge volumique de 0,85 kg DBO₅ par m³ et par jour et la charge massique rapportée à la matière organique de 0,28 kg de DBO₅ par kg de matière organique de boues, par jour, sont certes actuellement inférieures aux valeurs prises pour bases de dimensionnement de l’installation. Compte tenu de l’évolution positive du traitement, on peut cependant augurer d’une bonne efficacité du système lorsque la charge prévue sera atteinte.
La mise en route des installations de traitement des boues n’a naturellement pu commencer que lorsqu’on a disposé de boue en excès en provenance du biologique. Avec le système choisi, c’est-à-dire, conditionnement au chlorure ferrique, à la chaux et/ou à la cendre et déshydratation par filtres-presses, on a pu travailler la quantité de boue qui arrive et obtenir un gâteau de filtration de 40 à 50 % de siccité (selon la méthode de conditionnement). Les difficultés rencontrées au début, par exemple dans le transfert des plateaux des filtres-presses et dans le transport des gâteaux, difficultés qu’on ne constatait pas par débit de temps sec, purent être éliminées entre-temps.
La quantité de boue à traiter actuellement peut être brûlée dans les trois fours à lits fluidisés. L’installation se trouve encore cependant en phase de mise en route. On n’a donc pas encore actuellement une expérience suffisante et sûre de l’exploitation.
DERNIERS RÉSULTATS D’EXPLOITATION
SITUATION OCTOBRE 1976
Traitement des eaux
Bien que la station d’épuration de BASF n’ait pas été totalement épargnée par les difficultés de démarrage, habituelles pour des unités de cette envergure, depuis la mise en route du traitement biologique toutes les eaux usées de l’usine, ainsi que celles de la ville de Ludwigshafen, sont traitées et épurées. Les matières polluantes biologiquement dégradables, caractérisées par la demande biochimique en oxygène (DBO₅), sont dégradées à 95 % au cours du traitement. C’est ainsi qu’en 1975, par exemple, la concentration en pollution qui était de 520 mg de DBO₅/l s’est trouvée réduite à 26 mg de DBO₅/l (valeur moyenne annuelle). Si l’on exprime le rendement de la station en fonction de la teneur en carbone organique et de la demande chimique en oxygène (DCO), la capacité de dégradation est alors de l’ordre de 78 à 80 %.
Le volume d’eaux usées et de pollution arrivant à la station ayant parfois été sensiblement inférieur aux prévisions, il a fallu court-circuiter certains bassins et modifier la concentration des boues en activation, pour obtenir au niveau du traitement biologique une charge correspondant aux caractéristiques des installations. Les résultats d’exploitation montrent que la station possède bien la capacité d’épuration escomptée.
Traitement des boues
• Déshydratation
Pour le conditionnement, le FeCl₃ a été abandonné au profit du FeSO₄ ; en effet, des essais prolongés ont montré que, compte tenu de la nature spécifiquement chimique de la boue obtenue, un plâtrage des toiles n’était pas à craindre. Les résultats des essais ont été confirmés par l’emploi effectif depuis bientôt un an d’une solution à 20 % de FeSO₄. Les toiles sont nettoyées (à l’eau, sous une pression de 80 bars) tous les 100 cycles environ et acidifiées avec de l’acide chlorhydrique à 5 % tous les 200 cycles, selon le mode de conditionnement. Les toiles ont actuellement subi 3 800 charges (en moyenne), 4 500 au maximum. Il n’est pas encore possible de déterminer de façon définitive leur durée de vie.
• Incinération
Les préchauffeurs d’air tubulaires à convection opérant à contre-courant ont été remplacés par des réchauffeurs à rayonnement opérant à équi-courant. En effet, en relativement peu de temps, des dépôts très durs se formaient dans les récupérateurs tubulaires, qui occasionnaient d’importantes pertes de charge dans les réchauffeurs et obligeaient à arrêter l’installation pour nettoyer.
En ce qui concerne le fonctionnement des réchauffeurs, dont on sait déjà que, pour une longueur supérieure, l’échange de chaleur est moindre, l’expérience acquise n’est pas encore suffisante pour porter un jugement.
Contrairement aux prévisions, la valeur calorifique de la boue s’est, dans tous les cas, révélée insuffisante pour permettre l’auto-combustion et il a toujours été nécessaire d’injecter un combustible d’appoint. Par ailleurs, la combustion de l’additif, qu’il s’agisse de fuel-oil EL ou de charbon présente, encore aujourd’hui, de grandes difficultés, ce qui explique que les fours à lits fluidisés n’ont pas le rendement escompté. De nombreux essais ont été et sont encore effectués pour résoudre ce problème. Les résultats jusqu’à présent obtenus permettent de penser qu’une solution sera trouvée prochainement...
H. ENGELHARDT — W. G. HALTRICH — K. KEHRER — H. LAUER — F. L. WERNER.
