La baisse de la consommation d'eau potable, la séparation des eaux de pluie et des eaux usées, la tendance à supprimer tout dégrillage préalable font que les eaux résiduaires ont tendance à ?épaissir?. La concentration en matières solides ne cessant de croître, les processus d'épuration modernes doivent fonctionner correctement avec des volumes d'eau moindres. Les exploitants se voient donc contraints d'exiger, pour les petites installations de pompage comme pour les grandes, pour les eaux résiduaires comme pour les applications plus spéciales, des hydrauliques imbouchables offrant, outre de hauts rendements, une sécurité d'utilisation irréprochable.
Réalisé par
La généralisation de l’habitat individuel avec son augmentation corrélative du nombre de raccordements, la baisse de la consommation d’eau, la séparation des pluviales et des eaux usées, l’évolution des modes d’exploitation des groupes de pompages font que les eaux usées sont toujours plus chargées en matières solides. La tendance actuelle consiste par ailleurs à pomper de plus en plus fréquemment les eaux usées sans dégrillage préalable. Cette évolution impose aux fabricants de pompes des performances hydrauliques toujours plus importantes. Pour répondre à ces exigences, ceux-ci ont beaucoup travaillé l’hydraulique en enrichissant leurs gammes de roues pour couvrir un grand nombre de besoins allant du pompage des eaux rési-
eaux résiduaires urbaines et industrielles chargées en matières solides ou fibreuses, au pompage de liquides chargés en matières solides de tailles parfois très importantes.
Limiter les risques de bouchage en jouant sur la géométrie de la roue
Les bouchages les plus fréquemment constatés résultent de l'accumulation de matières solides et/ou de matières fibreuses qui se déposent soit entre la roue et le corps de la pompe, soit dans l'ouïe d’aspiration de la roue. « La présence de plus en plus importante dans les réseaux de lingettes en fibres très résistantes, difficiles à broyer, sectionner ou couper est devenue une préoccupation majeure pour les exploitants » souligne Bernard Vignals, KSB. Dans les cas les plus extrêmes, l’accumulation de ces matières, qui finissent par s’accrocher aux aubages, peut aller jusqu’à bloquer la pompe. Or, les pompes colmatées sont le cauchemar des techniciens d'entretien. En plus des coûts liés au matériel et à la main-d'œuvre nécessaires au décolmatage, le non-fonctionnement de la pompe entraîne des arrêts de production onéreux et pèse lourdement sur les bilans d’exploitation.
Pour lutter contre ces blocages, une solution consiste à utiliser des pompes dont les roues ne comportent qu’un nombre limité d’aubes de manière à conserver une section suffisante pour permettre le passage des solides ou encore de jouer sur la géométrie de la roue pour favoriser le dégagement des matières. Flygt travaille ainsi depuis plusieurs années sur l’hydraulique de la roue centrifuge à canaux. Ces recherches ont donné naissance à la roue N, une roue semi-ouverte à aubes curvilignes et un fond de volute à rainure de dégagement pour éviter le colmatage par accrochage des fibres. Devant le succès rencontré, Flygt a généralisé cette technologie sur la plupart de ses modèles. Cette société propose également plusieurs hydrauliques, de la roue monocanal à la roue multicanaux en passant par des roues de type vortex, dilacératrices, à dispositif broyeur, ou encore semi-ouverte à deux canaux avec gorge de délestage dans la volute. L’objectif est toujours le même : limiter les risques de bouchage des pompes à eaux usées lorsque les teneurs en fibres et la taille des particules solides restent moyennes. Si les eaux ne sont que peu ou pas dégrillées, un passage libre de 90 à 100 mm devra être privilégié. Dans quelques mois, la roue N se verra adjoindre des accessoires hydrauliques spécifiques permettant de personnaliser la pompe par rapport à l’application du client. On peut citer par exemple un dispositif anti-intrusion dans la volute et un plateau sécateur.
De son côté, KSB propose pas moins de cinq gammes de roues, dont la dernière née, la roue D. « Cette roue se caractérise par un passage libre important et la possibilité de pomper des fibres grâce à un effet sécateur entre la roue et le cône d’entrée » explique Bernard Vignals, KSB. À la mi-2006, KSB a lancé sur le marché de nouvelles tailles de sa roue monocanal diagonale pour les pompes à eaux résiduaires des gammes KRT et Sewatec. Ainsi, la roue D est maintenant disponible pour les applications à faibles débits telles qu’on les rencontre fréquemment dans les petites stations communales. Jusqu’à maintenant, dans la plage DN 80-DN 150, on faisait surtout appel à des hydrauliques conventionnelles telles que les roues monocanal, les roues à canaux ou à passage libre.
Une alternative intéressante : le pompage en ligne DIP
Mis au point en 2001 et commercialisé par Side Industrie, le système breveté DIP est un nouveau procédé de relevage radicalement différent, dont le principe n’est plus basé sur la vidange d’un volume de bâche, mais sur une accélération modulée de l’écoulement gravitaire des eaux chargées.
Grâce au développement spécifique de ses formes, de ses impulseurs et de sa commande électronique associée, ce système produit un effet vortex variable au fil de l’eau, qui s’adapte au débit entrant et à la pression de refoulement nécessaire.
En relevant ainsi les effluents gravitaires directement depuis l’arrivée, sans passer par une fosse de collecte, le système DIP permet de s’affranchir des inconvénients liés aux volumes de rétentions et notamment des amas de sables et de graisses ainsi que des gaz dangereux (H₂S) et des odeurs. Le fonctionnement en pompage continu et modulé favorise par ailleurs le passage de corps solides et fibreux sans bouchage et les démarrages et arrêts progressifs évitent les à-coups hydrauliques. La station de relevage devient un local technique sec et propre, dans lequel la sécurité d’intervention est optimale.
Grundfos, Axflow, ABS Pompes, Lowara ou encore Salmson avec sa ligne de produits FA-EMU ne sont pas en reste et proposent des hydrauliques adaptées aux effluents très chargés. « Nous proposons six hydrauliques différentes, souligne Noé Le Guerrannic de Salmson, dont certaines assurent un passage libre supérieur à 130 mm en vortex et 200 mm en mono-canal ».
Pour les débits les plus importants, ABS France propose de son côté la roue Contrablock® (roue semi-ouverte monocanal) qui se caractérise par une forte section de passage (supérieure à 100 mm sur toutes les pompes, sauf cas particuliers : pompes de DN inférieur à 100 mm et pompes pour un refoulement à forte HMT). Contrablock® agit comme un dispositif anti-blocage composé d’une roue ouverte à une ou plusieurs aubes qui tournent au-dessus d’une plaque rainurée en spirale, ce qui permet aux solides et aux fibres d’être transportés au travers de la pompe sans la bloquer.
On trouve également très fréquemment des roues à 2 ou 3 canaux en assainissement qui fonctionnent parfaitement lorsque l’eau pompée est préalablement tamisée ou dégrillée. C’est par exemple le cas de la roue multicanaux K de KSB qui convient bien aux eaux usées dégrillées et à certaines eaux industrielles. Encore faut-il que chaque profil d’eaux usées soit analysé avec précision, en fonction de leur teneur en matières sèches, en taille de matières solides, fibreuses et également en fonction de leur teneur en gaz. C’est en fonction de la typologie des eaux usées considérées et de leur stabilité que se fera le choix de la roue. Un choix important puisque la sensibilité d’une roue au bouchage influe directement sur le rendement de la pompe et sur son comportement à l’usure. Ce choix sera donc bien souvent le fruit d’un compromis résultant des priorités de l’exploitant qui privilégie bien souvent la sécurité de fonctionnement.
Si la nature de l’effluent pompé nécessite un traitement particulier, plusieurs solutions existent à commencer par les roues et systèmes dilacérateurs.
Des roues dilacératrices pour éliminer le risque de colmatage
Les pompes équipées de roues dilacératrices visent à éliminer le risque de colmatage en broyant les particules de matières sèches. « Les roues dilacératrices sont adaptées aux réseaux séparatifs, explique Bernard Vignals, KSB, car ce sont des roues qui tournent vite, environ à 2 900 tr/mn et en théorie, dans ces réseaux, il n’y a pas de sable ».
En réseau unitaire, la présence de sable et de matières difficiles ou impossibles à broyer rend leur utilisation fortement
Caprari déconseillée. « De plus, ces roues se caractérisent par un passage hydraulique faible, de l'ordre de 7 à 10 mm selon les constructeurs. L’abrasion agrandit le jeu hydraulique et la pompe chute rapidement en caractéristiques » souligne Bernard Vignals. Elles trouvent donc l'essentiel de leurs applications dans le domaine des effluents industriels (notamment dans l’agroalimentaire) ainsi que dans le domaine des boues et des stations de biogaz. On les trouve également dans les petits postes de refoulement lorsque les quantités d'eaux usées à transporter sont trop faibles pour assurer un auto-curage des réseaux de refoulement en aval. Dans ce cas, elles offrent une bonne alternative au panier de dégrillage. Car si la quantité d’eau n'est pas suffisante pour assurer une vitesse minimum de transport des particules les plus lourdes, les réseaux finissent par se charger de dépôts sédimentés tout au long des canalisations. Les roues dilacératrices concernent également les réseaux ramifiés sous pression utilisant des tuyaux de plus faibles diamètres que ceux des réseaux gravitaires. Car le concept de la roue dilacératrice permet de repenser le réseau d’assainissement de sa forme gravitaire traditionnelle au réseau sous pression.
Un système de couteaux permet de découper et pomper les déchets émergents de type lingettes, tampons ou encore préservatifs. Les lames coupent les effluents en petites particules plus légères. L’énergie nécessaire à leur transport est moins importante et les dépôts sont supprimés. La plupart des fabricants tels KSB avec sa roue S, Flygt avec ses pompes F, Salmson, Börger, Homa ou encore Caprari proposent ce type de roues. Grundfos propose des solutions complètes : pompe + régulation + poste de relevage type PUST permettant une alternative économique au réseau gravitaire en réduisant les coûts de génie civil. À côté de ces généralistes, des spécialistes, comme par exemple Landia ou Axflow avec sa famille Muncher®, proposent des solutions applicables dans les cas où les pompes traditionnelles ne fonctionnent pas efficacement, notamment en cas d'effluents très chargés contenant des filasses, des chiffons, des résidus de viande et des os, des poils, du papier ou encore des matières plastiques.
Les pompes dilacératrices non-stop Landia se caractérisent par leur système dilacérateur qui constitue une unité à part, clairement séparée de la volute et de la turbine. « Ce concept prévient le bouchage de la pompe et de la canalisation ainsi que l’usure et l'endommagement de la volute et de la turbine lors du broyage d'objets solides » assure-t-on chez Landia. Ces pompes peuvent s'intégrer aussi bien dans un process industriel qu'en station d'épuration pour le pompage d'effluents très chargés.
Cette solution est également retenue par Seepex qui propose des dilacérateurs destinés à protéger la pompe de toute obstruction ou blocage dû à des particules de grosse dimension. PCM Pompes propose également une gamme de broyeurs dilacérateurs.
teurs placés en amont de la pompe couvrant des débits allant jusqu'à 400 m³/h selon la charge. Cet équipement placé sur la tuyauterie d’aspiration en amont des pompes les protège contre la détérioration liée au transit des grosses particules solides et des fibres présentes dans l'effluent. Il se caractérise également par une séparation de la fonction pompage et broyage qui peut, dans certains cas, assurer un rendement accru. Bodin Mengin propose des pompes sécatrices en fonte, acier inoxydable, ou bronze qui trouvent leur application dans le relevage d'eaux usées, d’eaux pluviales et, d'une manière plus générale, le transfert de liquides chargés.
De son côté, Netzsch a présenté à l'occasion de Pollutec 2005 son dilacérateur M-Ovas®. « Ce dilacérateur, plus compact, est équipé d'une grille beaucoup plus importante qui assure une dilacération plus efficace et permet d’éviter les bouchages », explique Catherine Rogé, responsable commerciale chez Netzsch. « Si malgré tout un bouchage intervient, un dispositif d'ouverture rapide permet d’intervenir très rapidement pour remettre le dilacérateur en service. » Ce dispositif permet également une maintenance aisée. Un piège à cailloux a par ailleurs été intégré et une trappe de visite située en partie inférieure permet de retirer les solides plus lourds qui ne sont pas dilacérés. Cet équipement trouve sa place en stations d’épuration urbaines mais aussi industrielles.
Avec le RotaCut, Vogelsang offre une solution similaire en cas de problème avec des particules ou des fibres, de même qu'en présence de corps étrangers dans les produits pompés. Les corps étrangers sont soit broyés, soit séparés, les matières fibreuses réduites et le produit pompé est homogénéisé. Le RotaCut trouve l’essentiel de ses applications dans le domaine des eaux usées, du dépotage de graisses, des eaux noires, grises ou vertes ou encore des lisiers.
De son côté, Hydrofluid propose, dans le cadre de la protection des pompes et des filtres, des broyeurs capables de réduire tous les solides contenus dans l'eau, tels que canettes, morceaux de bois, tissus, lingettes…, à des dimensions inférieures à 6 mm. Les motorisations, tant électriques qu'hydrauliques, de faible puissance (de 0,75 à 4 kW), entraînent les deux arbres parallèles, équipés de couteaux, à de faibles vitesses. La gamme « Auger » d'Hydrofluid permet, en plus du broyage, la séparation et l'extraction des particules solides des eaux usées tout en les nettoyant afin de réduire les nuisances olfactives constatées avec l'utilisation de dégrilleurs classiques. À noter également qu’Hydrofluid propose l'Ultra V et l'Ultra Mate, des pompes centrifuges auto-amorçantes pour liquides très chargés avec des passages libres jusqu'à 76 mm. Cette nouvelle gamme de pompe se caractérise par de bons rendements, une faculté d'auto-nettoyage, un auto-amorçage jusqu'à 7,60 mètres et une maintenance préventive sur site. Proposée en fonte classique, en fonte haute dureté pour les liquides abrasifs ou en inox 316 et inox duplex pour les liquides corrosifs, la gamme se décline en deux variantes : l'Ultra V avec des pressions avoisinant les 5 bar et l'Ultra Mate – pompe à deux étages – propulsant tout liquide chargé jusqu'à près de 10 bar.
L’effet vortex : aspirer liquides et solides
Les pompes à effet vortex sont conçues pour créer un puissant effet vortex aussi bien à l’intérieur qu'à l'extérieur du corps de la pompe. Le flux n'est alors pas généré par la roue elle-même, mais par le puissant tourbillon qui est créé par elle. Ce vortex augmente la vitesse des effluents, met en mouvement les particules les plus lourdes qui sont ainsi soulevées et pénètrent à l'intérieur de la volute. Les particules solides en suspension dans le liquide n'entrent pas en contact avec la roue, ce qui diminue l'usure de celle-ci.
La conception ouverte de la volute permet aux particules volumineuses de passer librement. Avec les pompes vortex, la section de passage est en général identique ou très proche du diamètre de la tuyauterie de refoulement. « Les roues vortex sont souvent demandées en tête de station, car à débit sensiblement équivalent, le passage libre est plus important que les roues monocanal », assure Noé Le Guerrannic de Salmson. « On observe depuis quelques années un retour de cette forme d’hydraulique car, du point de vue de l'exploitation, c’est celle qui génère le moins de soucis », renchérit Bernard Vignals, KSB.
Les pompes vortex sont moins sensibles au sable que les roues monocanal ; elles peuvent pomper des liquides contenant du gaz et de l'air et ont la particularité de pouvoir pomper des effluents très chargés en fibres et en matières. « Par ailleurs, souligne Bernard Vignals, les rendements hydrauliques des roues vortex se sont nettement améliorés ces dernières années, passant de 30 à 35 % il y a 20 ans à 50-60 % aujourd'hui. » Reste que cette forme d’hydraulique consomme plus d’énergie. Sur les pompes de petites tailles, ce supplément avoisine les 10 à 15 %. Pour Bernard Vignals, ce facteur, sans être négligé, ne doit pas être le seul à entrer en ligne de compte. « En eaux usées, explique-t-il, il faut considérer le LCC, c'est-à-dire la globalité du coût d’exploitation. Une pompe de DN 80 qui se bloque ou se bouche et nécessite l'intervention de deux techniciens pour la déposer, la nettoyer puis la reposer, génère une dépense pouvant aller jusqu’à la moitié du prix de la pompe, soit infiniment plus que le supplément d’énergie consommée. » Un point de vue partagé par Henry de Miramon, directeur commercial chez ABS France : « Sur des petites pompes, de faibles DN, la consommation énergétique est un poste souvent faible dans la LCC d’une pompe par rapport à des coûts d’intervention éventuels pour un débouchage. C’est pourquoi les hydrauliques vortex sont bien adaptées aux pompes de petits DN et faibles puissances. Ce phénomène s'est accentué depuis l'arrivée dans les réseaux, depuis 3 à 4 ans, d'un plus grand nombre de lingettes, produits qui, en s'accumulant dans les postes de pompage, peuvent conduire à des bouchages. Les pompes vortex sont moins sensibles au bouchage par les lingettes que les roues semi-fermées. Pour un exploitant se pose ainsi la question : mettre en place des dégrillages sur son réseau (avec les contraintes d’exploitation que cela génère) et des hydrauliques à meilleur rendement, ou supprimer les dégrillages et mettre en place systématiquement des pompes vortex sur les petits DN. »
Les roues vortex restent donc très demandées. La plupart des fabricants les proposent, à l'image d’ABS France qui dispose de l'une des plus larges gammes disponibles sur le marché. « ABS peut proposer un très grand nombre de pompes vortex (HMT maxi 58 mCE, débit maxi 300 m³/h), explique Henry de Miramon. Depuis l’intégration de la société Pumpex dans son groupe, ABS a doublé le nombre d’hydrauliques vortex dans sa gamme. »
Lowara, avec ses versions FDLV et FXDLV disponibles en fonte, inox Aisi ou bronze, Flygt avec sa série D3000, Grundfos avec sa série SE1 et SEV, ou encore Salmson et R&O Dépollution, distributeur exclusif en France des pompes Robot Pumps, proposent également des hydrauliques vortex adaptées aux effluents chargés en fibres et matières. KSB dispose d'une gamme très étendue d’hydrauliques vortex de DN 40 jusqu’à DN 150. Ce constructeur a modifié et rénové en 2005 toutes ses hydrauliques. « Si bien qu'aujourd’hui, nous disposons d’une hydraulique vortex qui, en DN 80, atteint le rendement exceptionnel de 63 %, ce qui la rapproche des rendements offerts par une roue monocanal », affirme Bernard Vignals. Caprari propose de son côté une variante sur les pompes submersibles d'assainissement de la série KCW : il s'agit d’une roue vortex en fonte GS, pour une meilleure tenue à l'abrasion, qui trouve l’essentiel de ses applications sur les pompes d'extraction des sables au sein des STEP ou pour les effluents des tanneries, par exemple. Grundfos propose des roues « supervortex » conçues pour rendre la pompe imbouchable. « Elles conviennent aussi bien pour les eaux vannes que pour les eaux pluviales contenant des particules abrasives », affirme-t-on chez Grundfos. « La forme des aubes confère un bon rendement aux pompes en évitant la formation de turbulences sur les bords des aubes. »
Basée sur la technologie vortex, la nouvelle pompe CombiDirt de Johnson Pump est dédiée au transfert des liquides chargés de particules dont la taille peut aller jusqu’à 100 mm. Pour y parvenir, la pompe comprend un espace très important entre le corps et la roue ainsi qu'une conception dite ouverte.
Ces deux caractéristiques permettent le passage sans problème des particules solides ou filandreuses. Elle est disponible en trois tailles et est particulièrement recommandée aux transferts de liquides contenant de l'air en plus des particules ou lorsque le flux en amont est irrégulier, engendrant des désamorçages. Du point de vue de la maintenance, l'absence d’ajustements précis à réaliser entre la turbine et le corps de pompe, et l'espace important entre ceux-ci, limitent le savoir-faire nécessaire à l’exploitation de telles pompes. Cela minore également les effets négatifs de l’usure et des mauvais ajustements sur le rendement réel – et non théorique – d’une pompe monocanale.
Ces hydrauliques permettent de prévenir au mieux les phénomènes de bouchage. Dans certaines configurations, le phénomène vortex externe permet de conserver le poste de pompage propre, ce qui permet de récupérer une partie des coûts énergétiques sur les coûts de maintenance : déblocage des roues inutile, nettoyage des postes moins fréquent. Mais l'hydraulique n'est pas tout. « Les phénomènes de bouchage sont souvent aussi dus à une mauvaise conception du poste de pompage, souligne Henry de
Miramon, ABS France. Des postes à faibles charges hydrauliques (débit des pompes par la section du poste) vont favoriser des accumulations de filasses et autres déchets qui vont conduire à un bouchage des pompes, quelles que soient les hydrauliques. Pour un pompage sans bouchage, la conception du poste de pompage est donc au moins aussi importante que le choix de l’hydraulique de la pompe.
Ces équipements permettent de faire face aux différentes contraintes liées au relevage des eaux usées en assainissement, malgré l’augmentation régulière de la concentration en matières solides.
Lorsque l'on a affaire à des effluents plus chargés, par exemple des liquides visqueux ou des boues, le recours à des équipements spécifiques s’impose.
À applications spéciales, pompes spéciales
En assainissement, le transfert de boues, d’écumes ou, en industrie, le pompage de produits visqueux nécessitent bien souvent de recourir à des équipements spécifiques.
La pompe péristaltique fait partie de ceux-ci.
Elle se compose d’un bâti sur lequel est fixé un moteur dont l’axe entraîne en rotation un porte-galets. Les galets sont en contact avec un tube déformable. L’écrasement de ce tube entre un galet et le bâti provoque derrière la zone écrasée une dépression dans le tube qui se remplit aussitôt de fluide.
La quantité de fluide emprisonnée dans le tube entre deux galets est alors pulsée vers la sortie de la pompe.
Ce type de pompe ne comporte ni clapet, ni joint, ni garniture et le liquide pompé n'entre en contact qu'avec les parois du tube. Simples à installer et à utiliser et ne nécessitant que très peu de maintenance, les pompes péristaltiques ont connu une forte croissance ces dernières années. Elles sont commercialisées par PCM Pompes, MGI Pompes, Verder, Flygt, Watson Marlow ou encore Axflow.
La pompe à lobes constitue également une solution intéressante en cas de transfert de liquides visqueux.
Son fonctionnement est simple : deux lobes tournant à l’inverse l’un de l’autre emprisonnent du liquide dans le volume restant entre eux et le corps de pompe et le véhiculent de la bride d’aspiration vers celle de refoulement. La direction du liquide est fonction du sens de rotation de la pompe. Les lobes sont revêtus de matière souple, laissant la possibilité de pomper des solides en suspension. « Cette pompe, auto-amorçante peut assurer des débits allant jusqu'à 300 m³/h » assure-t-on chez MGI-Pompes, société basée dans la Drôme spécialisée dans le domaine des pompes péristaltiques et des pompes à lobes. Ce type de pompe est préconisé pour pomper des produits visqueux, fibreux, tels que les boues, les pâtes contenant des matières abrasives ou solides en suspension jusqu'à 30 mm.
Elle trouve son emploi dans les stations d’épuration, carrières, ou en alimentation de filtres presses par exemple. Elle est commercialisée par Pompes Lewa, PCM Pompes, Europumps, Vogelsang qui fabrique des pompes à lobes rotatifs auto-amorçantes assurant des débits jusqu'à 1 000 m³/h pour une granulométrie maximale de 60 mm ou encore Netzsch Frères.
Ce type de pompe a été inventé dans les années 30 par le fondateur de PCM Pompes. Son principe de fonctionnement repose sur deux engrenages hélicoïdaux : le rotor et le stator. Lorsque le rotor est inséré dans le stator, une double chaîne d’alvéoles se constitue. Quand le rotor tourne à l’intérieur du stator, les alvéoles progressent le long de l’axe de la pompe et transfèrent le produit du côté aspiration de la pompe vers le côté refoulement. Elle permet de véhiculer des liquides très visqueux à des débits pouvant aller jusqu’à 500 m³/h. Elle est commercialisée par PCM Pompes, Netzsch, Seepex ou encore Continental Industrie.
Les pompes dilacératrices monostop Landia se caractérisent par leur système dilacérateur qui constitue une unité à part, clairement séparée de la volute et de la turbine.
La pompe Nemo® de Netzsch à rotor excentré avec vis de gavage comme les Gavos de PCM permettent le transfert de boues déshydratées jusqu’à 45 % de matières sèches.
