Les performances d'une station d'épuration sont fortement conditionnées par le fonctionnement hydraulique de ses ouvrages. Ceci est particulièrement vrai pour les bassins d'aération, dans lesquels les eaux usées sont traitées biologiquement. La conception hydraulique de ces procédés est donc essentielle et pourrait être dans bien des cas optimisée, de manière à pouvoir augmenter leur capacité de traitement, et/ou réduire les coûts d'exploitation (dus à la dépense énergétique des systèmes d'agitation et d'aération). Dans ce cadre, la Mécanique des Fluides Numérique ou MFN permet de quantifier l'efficacité hydraulique et de transfert d'oxygène des bassins d'aération en phase de conception ou de réhabilitation. Cet article présente cet outil de modélisation et son application à des différentes configurations réelles.
Le procédé biologique étudié est « la boue activée »; il est présent dans environ 70 % des stations d’épuration urbaines françaises. Dans un bassin à boues activées, les eaux usées prétraitées sont mises en contact avec la biomasse épuratrice. Après un temps de séjour suffisant et des conditions de fonctionnement déterminées, la liqueur mixte (eau usée + biomasse) est évacuée vers le clarificateur secondaire pour une séparation gravitaire et un rejet de l'eau traitée vers le milieu naturel.
L'agitation et l’aération sont les deux éléments essentiels d’un bassin à boues acti
vées pour un fonctionnement correct du procédé et le respect des normes de rejet. De manière couplée ou dissociée, ils assurent la mise en contact de l’eau usée et de la biomasse et l’oxygénation du milieu pour la croissance et le développement microbien. Ces deux équipements, et en particulier l’aération, sont sources de dépenses énergétiques importantes, qui peuvent représenter jusqu’à 60 % de la facture électrique d'une station. Toutes améliorations pour réduire ces coûts d’exploitation sans détériorer la qualité d’épuration sont donc recherchées. Afin de répondre à ces attentes, Veolia Water a lancé un programme de Recherche et Développement visant à améliorer la connaissance hydrodynamique de ces bassins. L’objectif est de proposer un outil de modélisation de scénarios et d’aide à la décision lors de la réhabilitation ou du dimensionnement de bassins d’aération.
Outils de modélisation hydrodynamique
L’hydrodynamique complexe générée par les systèmes d’agitation et d’aération est un paramètre important affectant directement les performances épuratoires. Afin de décrire précisément le comportement hydraulique au sein des bassins biologiques, la modélisation par la Mécanique des Fluides Numérique (MFN) est utilisée. Cette approche a déjà fait l'objet de nombreuses études dans le domaine de la production de l'eau et de l'assainissement (Cockx et al., 2001 ; Levecq et al., 2003 ; De Clercq, 2003 ; Essemiani et al., 2004).
La MFN consiste à résoudre les équations générales de mécanique des fluides (équations de Navier-Stokes) en tous points de l'ouvrage. Cette résolution locale via le logiciel FLUENT® permet d’avoir accès à l’hydrodynamique dans le bassin étudié. Les différentes étapes requises pour la réalisation d'une modélisation numérique sont spécifiées dans l’encadré ci-dessus.
Comme toute modélisation, elle nécessite une étape préliminaire de validation des modèles utilisés. Cette étape de validation est détaillée plus loin.
Lois de fermeture pour la modélisation hydrodynamique
Le système d’équations à résoudre étant non linéaire, des lois et des modèles mathématiques supplémentaires ont été ajoutés pour décrire la physique et boucler le système mathématique. Les choix effectués sont présentés ci-dessous :
1. Agitation
Deux approches mathématiques ont été testées pour décrire le mouvement généré par les agitateurs :
• l'approche simplifiée « Valeurs Fixées ». Une zone cylindrique de même diamètre que les pales de l’agitateur est créée. Les composantes de la vitesse moyenne sont imposées.
• l'approche avec prise en compte de la géométrie exacte de l’agitateur, appelée « Méthode à Référentiels Multiples ».
Les deux méthodes ont été validées pour un bassin d’aération à grande échelle par des résultats expérimentaux (Vermande et al., 2003). La première approche permet un gain de temps de calcul d'un facteur 3 : élément important en assistance technique. Elle est donc préférée et employée dans le cadre de bassins d’aération.
2. Aération
La prise en compte de l’aération est réalisée via l'utilisation du modèle mathématique Euler-Euler.
Il pourrait être envisageable de modéliser les phénomènes de coalescence et de rupture des bulles ; toutefois une telle approche nécessite une description expérimentale locale précise de ces phénomènes. Cartland-Glover et al. (2004) ont démontré les limites de la modélisation par des bilans de population en comparaison à une approche classique (inclusions sphériques de même diamètre). Cette dernière solution a donc été choisie pour cette étude.
3. Transfert de masse
La modélisation du coefficient de transfert
Tableau 1 : Critères d’évaluation des performances de transfert d’oxygène
| Paramètre | Signification | Unité | Calcul |
|---|---|---|---|
| Apport Horaire AH | Quantité d'oxygène dissous par heure | kgO₂·h⁻¹ | AHst = 10³ × kₗa × Cₛ × V |
| Rendement d’oxygénation par mètre RO/m | Rapport de la quantité d'oxygène dissous sur la masse d'oxygène insufflée ramené à la hauteur d’immersion | %/m | ROst = (AHst / (Qgaz × ρ)) × 10⁵ |
kₗa : coefficient de transfert d’oxygène/h à 20 °C ; Cₛ : concentration à saturation en oxygène dissous (mg/L) à 20 °C ; V : volume du bassin (m³) ; Q₍gaz₎ : débit d'air (Nm³/h) ; ρ : pourcentage d'oxygène dans l’air insufflé (21 %) ; H : masse volumique de l’oxygène (1,43 kg/m³) ; h : hauteur d’immersion des diffuseurs (m).
5 raquettes
d'aération
Agitateurs
Sens de circulation → Agitateur
Sens de circ!
3 raquettes
d'aération
(a) Bassin n° 1
Figure 1: Représentation des bassins d’aération étudiés
Tableau 2 : Caractéristiques des bassins étudiés
| Bassin n° 1 | Bassin n° 2 | |
|---|---|---|
| Forme | Oblong | Annulaire |
| Volume | 6 200 m³ | 1 900 m³ |
Configuration n° 1
| Nombre d'agitateurs | 3 |
|---|---|
| Type de diffuseurs | Fines bulles en EPDM |
| Nombre de raquettes | 5 raquettes |
Configuration n° 1
1
Configuration n° 2
3
Fines bulles en EPDM
5 raquettes 3 raquettes
Fines bulles en EPDM
+ agitateurs de plus grand diamètre et vitesse de rotation plus élevée
d’oxygène est importante dans le cas des bassin à boues activées. Son estimation numérique permet d’avoir accès aux perfor- mances des systèmes d’aération dans la configuration choisie : type de bassin, type et positionnement des agitateurs et aérateurs. La détermination de ce coefficient de trans- fert d'oxygène est réalisée via la résolution d'une équation de transport. Ce calcul insta- tionnaire est réalisé en utilisant le modèle de transfert d'oxygène adapté.
Les outils expérimentaux
Afin de vérifier le choix des équipements et avant la mise en boue, des mesures de vitesse de circulation liquide ainsi que des performances de transfert d’oxygène sont réalisées en eau claire.
La vitesse de circulation est mesurée d’après un protocole établi par Da Silva-Deronzier (1994) avec une sonde électromagnétique. Vingt points minimum de mesure situés dans une même section verticale permettent d'obtenir la vitesse de circulation moyenne, Uₘ (moyenne arithmétique).
Le coefficient de transfert d’oxygène en eau claire (kₗₐ) est mesuré par la méthode nor- malisée de ré-oxygénation après ajout de sulfite de sodium (ASCE, 1992, NF EN 12255-15, 2004). L’apport horaire (AH) et le rendement d’oxygénation par mètre d'im- mersion (RO/m) sont alors calculés (Tableau 1),
Deux bassins d’aération ont été étudiés expérimentalement et numériquement. Ils se caractérisent par des formes et volumes différents (Figure 1 et Tableau 2).
Le bassin n° 1 est caractérisé par une grande profondeur d’eau (~9 m). Jusqu’à récem- ment, les bassins d’aération avaient une profondeur inférieure à 6 m (Gillot & al., 2005). Or afin de réduire la surface d'occupation au sol et d’avoir la même capacité de traite- ment, ce type de bassin à grande profondeur
(b) Bassin n° 2
se développe.
Le bassin n° 2 est un bassin d’aération annu- laire de 5,25 m de profondeur.
Ces deux bassins sont équipés d’agitateurs immergés à poussée axiale et de raquettes d’aération fines bulles.
Étude du bassin oblong n° 1: validation et impact du changement des équipements
1. Étude en eau claire sans aération
Les résultats de la simulation du bassin n° 1 peuvent être comparés aux mesures expéri- mentales et permettent la validation des modèles,
En l'absence de l'aération, une vitesse de circulation horizontale moyenne, Uₓ de 19,7 cm.s¯¹ est mesurée dans ce bassin. Par modé- lisation, une vitesse de 19,2 cm.s¯¹ est obte- nue (Tableau 3). Les modèles utilisés sont donc validés à 2,5 % près.
Une vitesse minimale de 30-35 cm.s¯¹ est requise dans les bassins pour minimiser la décantation et favoriser le transfert d’oxy- gène. L’analyse des résultats expérimentaux et de modélisation en eau claire sans aéra- tion montre une vitesse de circulation insuf- fisante. Une modification des paramètres d’agitation a donc été effectuée: un nouveau système d'agitation plus performant a été mis en place (configuration n° 2).
La modélisation a permis de simuler le com- portement de ce bassin avec ces nouveaux
Tableau 3 : Synthèse des mesures réalisées dans le bassin d’aération n°1
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Grâce à la modélisation, il est possible d’analyser plus finement l’écoulement dans le bassin. La figure 2 présente le contour de la vitesse de l'eau dans deux plans horizontaux (ex. : z = 2 m est un plan situé à 2 m du fond du bassin). Quel que soit le système d’agitation, une zone de décollement de la veine fluide est observée après le virage, en proche paroi centrale. Cette zone est plus ou moins grande suivant la position verticale.
La figure 2 met clairement en évidence la présence de zones à faible vitesse (< 30 cm.s⁻¹) pour la configuration n° 1. Avec le changement des agitateurs (configuration n° 2), la modélisation permet de visualiser équipements et de quantifier les bénéfices d'une telle modification.
Des contraintes environnementales ont nécessité la mise en fonctionnement du bassin d’aération en boue avant une nouvelle campagne de mesures en eau claire : des mesures de vitesse en présence de biomasse ont été réalisées avec les nouveaux agitateurs. La vitesse de circulation obtenue expérimentalement et par simulation avec les nouveaux agitateurs est résumée dans le tableau 3. Les résultats applicables au bassin étudié avec ces nouveaux agitateurs, U, seraient d’environ 32,8 cm.s⁻¹ en eau claire. La simulation surestime donc légèrement la vitesse de 12 %, valeur comprise dans la gamme de précision des mesures.
Expérimentalement et par simulation une nette augmentation de la vitesse de circulation est observée : respectivement 30,8 et 37,1 cm.s⁻¹, soit une augmentation de plus de 50 %. Le changement des agitateurs a donc été positif.
D’après des mesures réalisées par Deronzier et Duchêne (1997) sur trois chenaux ayant une vitesse de circulation de l’ordre de 35 cm.s⁻¹, la présence de biomasse à 3,7 gMES.L⁻¹ réduit U d’environ 2 cm.s⁻¹.
En supposant ces bassin pour les deux configurations
des vitesses de plus grande valeur et peu de zones avec une vitesse inférieure à 30 cm·s⁻¹ (Figure 2).
Les nouveaux agitateurs ont donc un double impact sur l'hydraulique du bassin :
- augmentation de la vitesse de circulation moyenne,
- réduction des zones à faible vitesse.
2. Étude en présence de l’aération
Pour la configuration n° 1, la détermination numérique du rendement d'oxygénation spé cifique et sa comparaison avec les mesures permettent de valider les modèles dipha siques développés. Un faible écart (< 5 %) est obtenu entre les deux valeurs.
Toutefois, comme attendu d’après l’analyse de l’hydrodynamique en agitation seule, le rendement de transfert spécifique est infé rieur aux attentes (< 5 %/m).
L'étude des panaches des bulles, du champ de vecteurs de la vitesse de l’eau et la déter mination du temps de contact des bulles dans le bassin par raquette d’aération per met de mieux comprendre ces résultats.
La figure 3 présente le panache des bulles au droit de chaque raquette d’aération, ainsi que les vecteurs vitesses. Sont également reportés les temps de contact (TC) moyens des bulles d’air dans l'eau ; ils permettent d'apprécier et de quantifier l'impact des “spiral flows” (mouvement de circulation de l'eau) qui accélèrent l’ascension des bulles d'air.
Une inclinaison plus grande des panaches de bulles issus des 5 raquettes d’aération est observée lors du changement des agitateurs (configuration n° 2).
L'analyse des vecteurs vitesse de l’eau met en évidence des boucles de recirculation verticales de l’eau, aussi appelées “spiral flows” pour la configuration n° 1 (indiqué par les cercles rouges). Pour cette configu ration, la vitesse de circulation induite par les agitateurs est insuffisante pour éliminer totalement les boucles de recirculation néfastes au transfert d’oxygène.
Avec la configuration n° 2, les “spiral flows” sont neutralisés. Ceci se traduit par des temps de contact des bulles (TC) avec l'eau plus importants (Figure 3). En termes de ren dement d’oxygénation spécifique, les perfor mances sont améliorées de 30 % par rapport à la configuration n° 1.
Étude du bassin annulaire n° 2 : validation et impact du débit d'air
Le bassin n° 2 a été étudié numériquement selon les deux conditions suivantes : en agi tation seule (sans aération) et en couplant l'agitation et l’aération pour différents débits d'air.
Sans aération, la mise en fonctionnement de l'agitateur permet d'obtenir une vitesse de circulation de 32 cm·s⁻¹ expérimentalement et de 33 cm·s⁻¹ numériquement. Comme pour le bassin n° 1, une bonne concordance des résultats expérimentaux et numériques est obtenue : l’écart est d'environ 3 %. Du point de vue du procédé, cette vitesse est satisfai sante.
La figure 4 représente le contour de la vitesse de l’eau dans le plan horizontal cou pant l'agitateur. Le jet généré par l'agitateur est détectable sur un quart du bassin envi ron.
Les performances de transfert d’oxygène obtenues par simulation et par mesures expérimentales indiquent un écart inférieur à 5 %.
En présence d’aération et avec agitation, trois simulations ont été menées à trois débits d'air différents (entre 900 et 1946 Nm³·h⁻¹) afin d'évaluer l’impact d'une varia tion de ce paramètre sur l'hydrodynamique du bassin.
L'augmentation du débit d’air (+ 54 %) permet une augmentation de la rétention gazeuse
Références bibliographiques
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• Cartilang-Glover G., Vermande S., Essemiani K., Dhanasekharan K., Meinhold J. (2004). Oxygen transfer prediction in external loop airlift reactors: Impact of bubble modelling. Journées Internationales sur l'Eau, Poitiers - France.
• Cockx A., Do-Quang Z., Chatellier P., Audic J.-M. (2001). Global and local mass transfer coefficients in waste water treatment process by computational fluid dynamics. Chem. Eng. Proc., vol. 40, pp. 187-194.
• Da Silva G. (1994). Eléments d'optimisation du transfert d’oxygène par fines bulles et agitateur séparé en chenal d'oxydation. PhD Thesis. CEMAGREF Antony - France.
• De Clercq B. (2003). Computational Fluid Dynamics of settling tanks: development of experiments and rheological, settling, and scraper submodels. Thèse de Doctorat. Université de Gent - Belgique.
• Essemiani K., Vermande S., Marsal S., Phan L. and Meinhold J. (2004). Optimisation of WWTP units using CFD – A grown tool for real scale application. Second IWA Leading Edge Technology, Prague - Czech Republic.
• Gillot S., Capela-Marsal S., Wouters-Wasiak K., Bapiste P., Heduit K. (2005). Aération en fines bulles: enseignements tirés de 15 ans de pratique. TSM, n°2, pp. 56-64.
• Levecq C., Feliers C., Cervantes P., de Traversay Ch. (2003). Advantages of two complementary approaches for the evaluation of UV system performance. 2nd international congress on ultraviolet technologies, Vienna - Austria.
• NF EN 12255-15 (2004). Stations d'épuration – Partie 15 : Mesurage du transfert d'oxygène en eau claire dans les bassins d'aération des stations d'épuration à boues activées.
• Vermande S., Essemiani K., Meinhold J., de Traversay C., Fonade C. (2003). Trouble shooting of agitation in an oxidation ditch: applicability of hydraulic modeling. 76th WEFTEC Conference, Los Angeles - USA.
Locale (Figure 5) et globale (+ 85 %). Suivant le débit d’air considéré, les panaches des bulles issus des 3 raquettes d’aération sont plus ou moins inclinés. Ce résultat s’explique par une présence de plus en plus importante des boucles de recirculation verticales de l'eau entre les raquettes d’air. Ce phénomène accélère la remontée des bulles et réduit donc leur temps de contact avec l'eau. Le rendement d’oxygénation est réduit d’environ 20 % sous l’effet de l’augmentation du débit d’air.
Conclusion et Perspectives
La mécanique des Fluides Numérique a été utilisée comme outil pour mieux comprendre l’hydrodynamique dans les bassins d’aération.
Une étape de validation des modèles a permis de montrer que l’écart entre les mesures expérimentales et les simulations sont inférieures à 3 % pour les vitesses de circulation de l'eau et à 5 % pour les performances d’oxygénation. Ces écarts sont parfaitement compris dans la gamme d’incertitude des mesures.
Un outil expert est donc disponible permettant le diagnostic et l’optimisation du fonctionnement des bassins d’aération. L’outil de simulation est également tout à fait adapté, pour optimiser les configurations lors du dimensionnement et des choix des équipements.
