Au cours de cet article sont présentés les résultats des performances du traitement par décantation primaire physico-chimique par le procédé Actiflo® des effluents urbain de Genève. Le procédé Actiflo® y est décrit aussi que l'ensemble des ouvrages de la station d'épuration de Genève. Un modèle de simulation des performances de l'Actiflo® en traitement primaire, développé par OTV ? VWS, est également présenté et comparé avec les résultats mesurés.
Cas Particulier de la station d'épuration de Genève - Aire II
Antonella Fioravanti,
Veolia Water Systems - Direction Technique
Frank Bourdon,
Veolia Water Systems France Sud
Au cours de cet article sont présentés les résultats des performances du traitement par décantation primaire physico-chimique par le procédé Actiflo® des effluents urbains de Genève.
Le procédé Actiflo® y est décrit ainsi que l'ensemble des ouvrages de la station d’épuration de Genève.
Un modèle de simulation des performances de l’Actiflo® en traitement primaire, développé par OTV - VWS, est également présenté et comparé avec les résultats mesurés.
La décantation est une technologie qui permet de séparer les particules en suspension décantables de l'eau.
La décantation de chaque type de particules obéit à la loi de Stokes qui permet de calculer la vitesse de sédimentation des particules.
Pour les décanteurs lamellaires, la vitesse de Hazen (débit/surface totale projetée des lamelles) et le temps de séjour dans l’ouvrage sont les paramètres les plus couramment utilisés pour le dimensionnement. Toutefois, comme il existe, pour chaque type de décanteur lamellaire, un rapport entre la vitesse au miroir et la vitesse de Hazen, on peut exprimer le dimensionnement des décanteurs lamellaires en fonction de la vitesse au miroir.
La décantation naturelle des particules peut être forcée à travers l'ajout d’un coagulant et d’un floculant.
L’ajout d'un coagulant permet de déstabiliser l’équilibre électrostatique des particules colloïdales en suspension dans l'eau en combinaison avec l'action mécanique d'un agitateur.
L’ajout d’un floculant, également sous agitation mécanique, permet de faciliter la rencontre des particules, leur agglomération et la formation de flocs plus ou moins lourds qui peuvent alors plus facilement décanter.
Parmi les diverses technologies de décanta-
tion, celle de l’Actiflo® a l’avantage de combiner :
- la floculation lestée qui consiste à fixer les matières en suspension sur un support granulaire (sable) et cela grâce à l’addition d’un polyélectrolyte qui conduit à la formation d’un floc lourd aisément décantable ;
- la décantation lamellaire qui permet d’augmenter les vitesses de circulation de l’eau et donc réduire les surfaces au sol des ouvrages.
L’objet de cet article est de présenter les performances de l’Actiflo® en décantation primaire sur l’usine d’épuration de Genève - Aire II et de vérifier le modèle de dimensionnement de l’Actiflo® de OTV-VWS.
Les critères retenus pour tester les performances d’une décantation sont les matières en suspension totales (MEStot), les matières en suspension décantables (MESdec après 2 heures et après 5 minutes de décantation), la Demande Chimique en Oxygène totale (DCOtot), particulaire (DCOpart), particulaire décantable (DCOpart dec après 2 heures et après 5 minutes de décantation), le Phosphore total (Ptot), les phosphates (P-PO₄) et le particulaire (Ppart).
| Débit moyen | |
|---|---|
| Unités | m³/j – m³/h |
| Temps sec | 199 000 – 8 280 |
| Temps pluie | 297 800 – 12 240 |
| Flux 95 % | 375 200 – 15 480 |
| Débit de pointe horaire | |
| Unités | m³/h |
| Temps sec | 11 520 |
| Temps pluie | 21 600 |
| Flux 95 % | 21 600 |
| DCO | |
| Unités | mg/l – kg/j |
| Temps sec | 332 – 66 200 (110 g/EH/j) |
| Temps pluie | 307 – 91 300 |
| Flux 95 % | 287 – 107 800 (180 g/EH/j) |
| DBO₅ | |
| Unités | mg/l – kg/j |
| Temps sec | 196 – 39 000 (65 g/EH/j) |
| Temps pluie | 162 – 48 300 |
| Flux 95 % | 139 – 52 000 (87 g/EH/j) |
| MES | |
| Unités | mg/l – kg/j |
| Temps sec | 250 – 49 700 (83 g/EH/j) |
| Temps pluie | 294 – 87 500 |
| Flux 95 % | 246 – 92 400 (154 g/EH/j) |
| NG | |
| Unités | mg/l – kg/j |
| Temps sec | 33 – 6 500 (10,8 g/EH/j) |
| Temps pluie | 27 – 7 900 |
| Flux 95 % | 24 – 8 400 (14 g/EH/j) |
| NK | |
| Unités | mg/l – kg/j |
| Temps sec | 32 – 6 450 |
| Temps pluie | 26 – 7 700 |
| Flux 95 % | 22 – 8 200 |
| Ptot | |
| Unités | mg/l – kg/j |
| Temps sec | 6,0 – 1 200 (2 g/EH/j) |
| Temps pluie | 5,0 – 1 500 |
| Flux 95 % | 4,3 – 1 600 (2,67 g/EH/j) |
| Concentration en mg/l (ET en moyenne 24 h) – Rendement % | |
|---|---|
| DCO | 75 – 75 |
| DBO₅ | 15 – 90 |
| DDC | 10 – 85 |
| MES | 15 – 85 |
| N-NH₄ (3 à 14 °C) | 17 – 80 |
| N-NO₂ | 0,3 – 85 |
| Ptot | 2 – 85 |
Description de l’usine d’épuration de Genève
En 1967, la première station d’épuration de Genève fut mise en service, à Aire dans la commune de Vernier, dans une des boucles du Rhône ; elle recevait et traitait 80 % des eaux usées du canton, soit 180 000 m³/jour. Devenue insuffisante tant en regard de l’augmentation de la charge polluante que de nouvelles exigences en matière de protection des eaux, les études de la nouvelle station Aire II ont été entreprises dès 1982. En 1996, le Grand Conseil a approuvé l’étude de la nouvelle STEP Aire II et a accordé les crédits nécessaires à sa réalisation.
Les objectifs de la nouvelle STEP Aire II sont :
- traiter les débits et les charges polluantes évaluées jusqu’à l’horizon 2010 pour une population de 600 000 habitants équivalents ;
- garantir des performances de traitement répondant aux nouvelles normes ;
- réduire au strict minimum les nuisances olfactives et auditives pour les riverains ;
- créer des conditions optimales pour le personnel travaillant sur site ;
- respecter les normes de qualité pour les sous-produits issus de ces traitements.
La STEP Aire II est constituée de la filière de traitement suivante :
File eau :
- Prétraitements : dégrillage, dessablage et
déshuilage, tamisage, traitement des graisses par le procédé Biolix®,
- Décantation primaire par Actiflo®, - Traitement biologique par Biofiltration nitrifiante Biostyr®.
Fil boues :
- Épaississement lamellaire Actidyn® des boues primaires et des boues biologiques complété par un épaississement dynamique par tables d’égouttage, - Digestion des boues, - Déshydratation par centrifugation, - Séchage.
Fil air :
- Désodorisation chimique par 3 files de 4 tours.
La qualité de l'eau à traiter est définie dans le tableau 1.
La qualité des effluents traités garantie est définie dans tableau 2.
Performances de la décantation primaire - Actiflo®
Description de l’Actiflo® primaire de la station de Genève
Les eaux usées après prétraitement sont réparties sur quatre ouvrages de décantation primaire Actiflo® constitués chacun :
• d'une étape de coagulation au FeCl₃ injecté en ligne, destinée à la déstabilisation des colloïdes et matières en suspension, • d'une étape de mélange rapide au cours de laquelle le micro-sable est injecté. Le sable est utilisé comme catalyseur de formation des flocs, • d'une étape de maturation à agitation lente au cours de laquelle est injecté un polymère qui permet de favoriser l’agglomération des flocs (figure 2).
Au cours de l’étape de maturation, des conditions optimales d’agitation sont créées afin de favoriser des ponts entre le polymère, le microsable et les matières en suspension. Le floc lesté ainsi formé quitte la cuve de maturation et pénètre au sein du décanteur. Le flux laminaire qui existe au-dessous des lamelles de décantation permet une rapide et efficace séparation liquide-solide (figures 3 et 4).
L’agglomération boues-sable est collectée au fond du décanteur puis extraite à l'aide de pompes spécifiques. Cet agglomérat est alors dirigé vers des hydrocyclones destinés à la séparation des boues et du microsable (figure 5).
En effet, l’énergie du pompage est convertie en forces centrifuges qui se créent au sein des hydrocyclones conduisant alors à la
Tableau 3 : Évolution du nombre d’Actiflo® utilisés en fonction du débit à traiter
| Débit (m³/h) | Nombre d’Actiflo® en fonctionnement | Vitesse au miroir (m/h) |
|---|---|---|
| de 0 à 5 400 m³/h | Un | de 0 à 115,6 m/h |
| de 5 400 à 10 800 m³/h | Deux | de 57,8 à 115,6 m/h |
| de 10 800 à 16 200 m³/h | Trois | de 77,0 à 115,6 m/h |
| de 16 200 à 21 600 m³/h | Quatre | de 86,7 à 115,6 m/h |
Séparation des boues et du microsable en raison de leurs différentes densités.
Une fois séparé des boues, le microsable, récupéré en sous-verse des hydrocyclones, est réinjecté dans l’Actiflo®. Les boues sont extraites en surverse des hydrocyclones et dirigées vers le poste de traitement des boues.
Matériel et méthodes
Les mesures des MES ont été effectuées suivant la norme AFNOR NF EN 872 d’avril 1996, indice de classement T 90-105-1.
Les mesures DCO ont été effectuées suivant la méthode par spectrophotométrie Dr Lange. La méthode est analogue à la norme AFNOR NF T 90-101 de février 2001, indice de classement T 90-101.
Les mesures de P et des P-PO₄ ont été effectuées suivant la méthode par spectrophotométrie Merck. La méthode est analogue à la norme EPA 365-2-3, US Standards Methods 4500-P E, ISO 6878/1 et AFNOR NF EN 1189 de janvier 1997, indice de classement T 90-023.
Conditions d’exploitation de l’Actiflo®
L’Actiflo® se caractérise par une capacité à répondre très rapidement à des variations de débit ou de flux polluants. À ce titre, le nombre d’Actiflo® mis en fonctionnement est déterminé selon le débit horaire de l'eau brute dont les variations sont très fluctuantes au cours de la journée.
Le tableau 3 présente un exemple d’utilisation des Actiflo® en fonction du débit à traiter.
Le dosage du réactif (FeCl₃, 41 %) est asservi au débit d’entrée et à la DCO mesurée après décantation. La valeur de la DCO décantée est déduite des performances d’un décanteur lamellaire réduit, dimensionné selon les mêmes paramètres que l’ouvrage réel (système Ecofloc®).
La figure 8 présente les taux de traitement exprimés en mg/l de FeCl₃ pur mesurés pendant la campagne d’analyse (09/09/2003 – 19/09/2003).
Le polymère utilisé sur la station d’Aire est un polymère anionique à un taux de 0,2 g/m³. En raison des pertes en sable (3 g/m³ en moyenne), le taux de microsable est contrôlé régulièrement au sein de l’Actiflo®.
Des quantités suffisantes sont alors injectées selon les besoins.
Résultats
Les performances de l’Actiflo® ont été mesurées à partir de prélèvements effectués en divers points de l’ouvrage :
A = Effluent prétraité ; B = Entrée cuve de décantation (sortie cuve de maturation) ; C = Sortie de l’effluent décanté (sortie Actiflo®).
Tableau 4 : Dosage du réactif en fonction des prélèvements
| Prélèvements | Date | Heure | FeCl₃ (L/h) par Actiflo | Nombre Actiflo en fonction | Débit eau total (m³/h) | Taux FeCl₃ (mg/L) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 09/09/03 | 07 h 00 | 77 | 2 | 6300 | 14,5 |
| 2 | 09/09/03 | 07 h 30 | 87 | 3 | 10 800 | 12,7 |
| 3 | 10/09/03 | 07 h 00 | 97 | 3 | 3600 | 14,4 |
| 4 | 10/09/03 | 10 h 30 | 71 | 2 | 1680 | 14,4 |
| 5 | 12/09/03 | 06 h 55 | 65 | 1 | 2700 | 14,3 |
| 6 | 12/09/03 | 10 h 40 | 51 | 2 | 7560 | 8,2 |
| 7 | 15/09/03 | 06 h 30 | 61 | 3 | 7200 | 13,2 |
| 8 | 15/09/03 | 11 h 35 | 80,5 | 1 | 9300 | 8,4 |
| 9 | 16/09/03 | 07 h 20 | 43 | 3 | 9200 | 13,5 |
| 10 | 16/09/03 | 10 h 20 | 48 | 3 | 8280 | 10,4 |
| 11 | 17/09/03 | 07 h 30 | 33 | 1 | 3150 | 20,5 |
| 12 | 17/09/03 | 10 h 30 | 84,6 | 3 | 8820 | 12,1 |
| 13 | 18/09/03 | 07 h 30 | 49 | 3 | 3600 | 14,0 |
| 14 | 18/09/03 | 10 h 10 | 57 | 3 | 8200 | 10,8 |
| 15 | 19/09/03 | 07 h 00 | 57 | 3 | 3150 | 10,8 |
| 16 | 19/09/03 | 10 h 50 | 58 | 3 | 9900 | 10,5 |
Modélisation
Un modèle a été développé par OTV-VWS ayant pour but de simuler les performances de la décantation primaire et notamment celles de l’Actiflo® par rapport à la qualité de l’eau d’entrée et à la quantité de réactifs à introduire.
Le modèle de la décantation physico-chimique se base sur le fait que l’ajout d’un coagulant et d’un floculant permet d’accélérer l’élimination d’une grande partie de la pollution particulaire mais également de transformer une partie de la pollution soluble en pollution particulaire décantable par adsorption sur les flocs d’hydroxydes.
Le rendement de décantation est lié à la vitesse de Hazen appliquée et donc implicitement à la vitesse au miroir calculée selon le rapport débit d’entrée/surface au miroir. L’ajout de sable permet d’alourdir le floc et d’améliorer la séparation.
D = Boues prélevées en surverse de l’hydrocyclone.
Les figures 10, 11, 12 et 13 présentent les performances enregistrées pendant la campagne du 09/09/2003 au 19/09/2003.
Ces résultats sont tout à fait conformes avec les résultats de la première campagne d’analyse tenue du 3 avril 2002 au 21 juillet 2002.
Le Tableau n° 5 résume les performances moyennes de l’Actiflo® primaire.
Cette modélisation est basée sur de nombreux essais précédents où il avait été montré qu'un temps de décantation de 5 minutes ou de 2 heures donnait des résultats identiques aussi bien pour l’élimination des MES que pour la DCO.
Tous les résultats du tableau 6 ont été obtenus en introduisant dans le modèle les caractéristiques de l'eau brute mesurée pour tous les paramètres : DCO tot, DCO sol, DCO part, DCO part déc, MES tot, MES déc, Ptot, Psol, PPO et Ppart.
Le phénomène de coagulation-floculation a été simulé en introduisant la dose de réactif.
Comparaison valeurs mesurées et simulées
Comparaison valeurs MES mesurées et simulées
Prélèvements :
floc formé et de le rendre plus facilement décantable. La vitesse de Hazen est alors plus élevée, ce qui se traduit par une augmentation de la vitesse de passage de l'eau dans le décanteur lamellaire (vitesse au miroir).
Dans le modèle, l’ajout de réactif, combiné à l’agitation mécanique, conduit à améliorer les rendements des matières décantables et à en estimer l’élimination des MES non décantables.
On introduit un paramètre appelé NDCO qui exprime le rapport de la DCO particulaire par rapport aux MES décantables.
NDCO = log (DCO part / DCO) / log (MES déc / MES)
MES_NDEC = F = c × log(1 − x) × (1 − …) × (FeCl₃ + 0,8) × MES_NDECpart + K × (1 − x) × FeCl₃ × 107 / 162,5
Le modèle prend en compte également l’élimination physico-chimique du phosphore soluble.
L’élimination physico-chimique du phosphore reste basée sur la réaction suivante :
FeCl₃ + PO₄³⁻ → FePO₄ + 3 Cl⁻
La modélisation de l’étape de décantation lamellaire à floc lesté est basée sur les principes suivants :
- Plus l'eau à traiter est concentrée en matières décantables, plus le rendement d’élimination sera élevé. Toutefois, la qualité de l’eau décantée risque d’être dégradée, malgré un rendement important. On applique alors un facteur correctif.
- Une fois que le floc lesté est formé, l'Actiflo se comporte comme un décanteur lamellaire classique.
- Mais le rendement de décantation n'est pas sujet aux surcharges hydrauliques comparativement aux autres décanteurs lamellaires.
L’application du modèle est illustrée par les figures 14, 15 et 16, où sont représentés les MES totales, la DCO totale et le P total mesurés et simulés aux trois points d’échantillonnage.
Les résultats de la simulation sont en accord avec les valeurs mesurées.
Conclusion
L’usine de traitement des eaux de Genève (STEP Aire 2) est une belle référence pour le traitement des eaux résiduaires. Les nouvelles technologies de OTV-VWS pour le traitement des eaux sont utilisées avec succès avec des nouvelles configurations d’exploitation : décantation lamellaire à floc lesté en traitement primaire ; bio-filtration en nitrification secondaire.
Les performances de l’Actiflo™ en traitement
Tableau 5 : Performances de l’Actiflo® primaire de Genève
| Entrée (mg/l) | Sortie (mg/l) | Rendement (%) | Garantie contractuelle (%) | |
|---|---|---|---|---|
| MES | 150 | 40 | 73-76 | 75 |
| Ptot | 5 | 2,5 | 46 | 27 |
primaire des effluents résiduaires urbains donnent des performances conformes aux garanties du constructeur aussi bien en :
- temps sec ;
- temps pluie ;
- période creuse ;
- période de pointe.
Avec des vitesses au miroir de l’ordre de 80 m/h et un dosage de réactif (FeCl₃) autour de 10-15 mg/l, les rendements sont les suivants :
- rendement moyen sur les MES = 75 %
- rendement moyen sur la DCO = 55 %
- rendement moyen sur le phosphore total = 45 %.
Le modèle développé par OTV-VWS conduit à des corrélations satisfaisantes entre les valeurs mesurées et simulées en sortie du décanteur primaire Actiflo®. Ce modèle est à ce jour utilisé lors des projets et reste encore l’objet de développement afin de l’affiner avec l’injection d’autres paramètres.
Remerciements
Nous tenons à remercier l’exploitant, M. Dominique Raboud, pour l’aide qu’il nous a apportée lors de nos essais.
