Le pH, l'oxygène dissous, sont des paramètres physico-chimiques dont le suivi est indispensable pour optimiser le traitement des effluents. Dans certains cas, ces mesures doivent être complétées par un suivi du potentiel redox. Elles sont réalisées en continu à l'aide de capteurs spécifiques qui doivent résister aux agressions du milieu de mesure. Pour améliorer la mesure et réduire les opérations de maintenance, les constructeurs ont travaillé sur la conception des sondes.
Réalisé par , Technoscope
Pour assurer un bon fonctionnement des systèmes d’épuration biologiques aérobies, les microorganismes doivent pouvoir se développer et assurer leur travail dans un environnement optimum. Pour ceci, il faut introduire de l’oxygène en quantité suffisante, mélanger l’effluent à la boue biologique tout en maintenant ce mélange en suspension. Le rendement de ce processus est directement lié à la quantité d’oxygène mise à la disposition des bactéries. Cet apport d’oxygène est le plus souvent mis à disposition à partir de l’air par des procédés très gourmands en énergie. Ainsi, avec plus de la moitié de la consommation énergétique d’une station d’épuration, l’aération des bassins de boues activées est le plus gros poste énergétique. Pour limiter les coûts tout en maintenant un traitement optimum, il est nécessaire d’optimiser cet apport en oxygène en fonction des besoins, tout en réduisant les pertes au niveau du transfert. Depuis une dizaine d’années, de nombreux travaux de recherche étudient les phénomènes d’échange et cherchent à formaliser le poste d’aération.
C’est le cas du Cemagref qui travaille depuis une quinzaine d’années à la compréhension des phénomènes d’oxygénation et d’aération des bassins de traitement. Ces dernières années, il a supporté plusieurs thèses de doctorat sur la compréhension de l’oxygénation. Ses chercheurs, accompagnés de ceux d’OTV, du Cirsee, de Lyonnaise des Eaux et de Stereau ont présenté les enseignements tirés de ces années de pratique.
d'oxygénation par système à insufflation d’air en fines bulles lors du 83e congrès de l’Astee le 27 mai dernier à Aix-les-Bains (Savoie).
Bilan de quinze ans d’enseignements
La diffusion par fines bulles d’air est une technique très utilisée aujourd’hui, mais dont on ne maîtrisait pas jusqu’à présent toutes les variables. Les caractéristiques, l’emplacement et la répartition des diffuseurs d’air dans le bassin sont des paramètres importants. À chaque configuration de système et pour une géométrie de bassin donnée correspond un rendement d’oxygénation (rapport de la quantité d’oxygène transférée sur la quantité d’oxygène insufflée). Certaines formes de bassin peuvent contraindre le constructeur à choisir un système au rendement plus faible. En cause, les difficultés de se trouver dans des conditions idéales d’aération oblique.
Parmi les paramètres importants : le débit d’air par diffuseur, le débit d’air surfacique (débit d’air ramené à la surface totale des modules de diffuseurs), la distance entre les diffuseurs (ou entre rampes), la longueur des rampes et la largeur des chenaux. En aération oblique, la position des agitateurs dans le bassin est primordiale pour garantir l'homogénéité du liquide et un bon transfert d’oxygène.
Le facteur majeur de variation du transfert d’oxygène des systèmes d'insufflation d’air est le débit d’air insufflé. Il est fonction de différents critères :
* La disposition des diffuseurs qui doit si possible être uniforme ;
* Leur densité et le débit d’air surfacique qui, pour un débit d’air donné, induit une augmentation du transfert d’oxygène lorsqu’on augmente la densité des diffuseurs. De plus, à débit d’air et diffuseurs donnés, la densité de l’aération est plus importante quand les diffuseurs sont regroupés. À noter, le débit surfacique recommandé doit être compris entre 15 et 25 Nm³/h d’air/m² de surface de diffuseur ; au-delà, il y a chute du rendement, l’effluent se sature ;
* La hauteur d’immersion des diffuseurs. Les ouvrages deviennent de plus en plus profonds pour réduire leur impact au sol. Ceci augmente le rendement d’oxygénation global par un temps de passage des bulles dans l’eau plus important et par une plus grande pression d’oxygène. Toutefois, à partir d'une certaine hauteur, le rendement d’oxygénation spécifique chute. « Il n’y a pas d’effet d’échelle avec la profondeur », affirme Ivan Rispal, responsable aération chez ABS Nopon ;
* La vitesse de circulation dans les chenaux. La mise en rotation de l'eau dans différents chenaux annulaires induit une augmentation de la capacité d’oxygénation standard en eau claire. Des gains de 35 à 55 % sont annoncés pour des hauteurs d’eau inférieures à 5,5 m.
Ces résultats montrent qu'il n’existe pas de solution universelle. Pour chaque cas, l’installation doit être étudiée, afin d’être adaptée aux besoins et atteindre son rendement optimum. Pour chaque bassin, l’équipement est défini et son implantation réalisée avec soin afin de maintenir le rendement épuratoire tout en réduisant la consommation d'énergie. Cette meilleure compréhension des phénomènes en jeu a également permis de faire progresser les diverses techniques d'oxygénation au cours de ces dernières années, notamment les aérateurs basse…
vitesse et des systèmes d'insufflation d’air. Ces équipements se font plus efficaces.
L'aération par fines bulles
Les diffuseurs fines bulles ont une capacité de transfert d’oxygène en eau claire d’environ 1,5 fois supérieure à celle des aérateurs de surface de type turbine ou brosse. De plus, cette technique se prête à la conduite du taux d’oxygène, ce qui permet de faire dans le même bassin une séquence de nitrification suivie d'une autre de dénitrification, en régulant le procédé, l'installation de traitement étant simplifiée d’autant. D'où leur intérêt.
Pour créer les fines bulles, plusieurs techniques basées sur l'utilisation de matériaux poreux, de membranes, de tubes percés sont aujourd'hui disponibles. L'air comprimé produit par des surpresseurs installés sur le site est diffusé dans l'eau à travers ces modules poreux. L'utilisation de surpresseurs centrifuges multi-étagés à débit variable de type Continental Industrie permet d'ajuster précisément le débit d'air aux besoins en oxygène de l'installation. Cette installation ne s'affranchit pas d’un agitateur pour mettre l'eau en mouvement de 0,15 à 0,20 m/s si l'on souhaite économiser l’énergie, ou 0,30 m/s sur une eau chargée pour optimiser le rendement. Pour ceci, on peut se servir d’un propulseur submersible comme l’Amaprop de KSB pour mettre le fluide en mouvement.
« La mise en circulation du fluide au-dessus des rampes d’aération va permettre d'augmenter le temps de passage des bulles dans l’effluent, ce qui améliore notablement le rendement d’oxygénation », explique Stéphanie Tourdiat de KSB. Le calcul énergétique doit se faire sur l'ensemble de la chaîne. Il doit tenir compte non seulement de l’agitation nécessaire pour obtenir un bon rendement, mais aussi de la production d’air comprimé. Pour compresser l’air, ABS Nopon travaille sur site à l'aide d’un surpresseur de type turbo sur palier électromagnétique. « L'absence de frottement permet une économie d’énergie de l'ordre de 25 % par rapport aux équipements habituels », précise Ivan Rispal.
« L'insufflation d'air avec un surpresseur associé à un mélangeur immergé est efficace car les bulles montent plus lentement », commente Jean-Louis Saussac, Directeur commercial chez TMI, « mais le coût d’entretien peut être catastrophique ».
Et c'est bien là un des points faibles de la technique. En effet, deux phénomènes se superposent dans le temps. L’un est lié au
Vieillissement du matériau, l'autre au phénomène de colmatage des pores de diffusion de production de fines bulles. Tous deux conduisent à une perte de charge qui peut atteindre 25 hPa/an sur les membranes. Ce phénomène est inéluctable. Il peut simplement être ralenti par des actions de maintenance régulière. Sur les membranes, par exemple, il est conseillé de les faire travailler à leur débit nominal au moins deux heures consécutives chaque jour. De plus, un nettoyage chimique à l’acide formique (placé dans l’air surpressé) peut être conseillé une fois par an.
Pour s’affranchir du colmatage du diffuseur, certaines entreprises comme ABS Nopon proposent une solution sans perte de charge. NOPOL OKI 2000, c'est son nom, est un aérateur mélangeur que l’on pose en fond de bassin.
Combiner aération et brassage
Le brassage est assuré par les hélices et l'aération par un dispositif à fines bulles. « Cet équipement peut être placé dans n’importe quel bassin et ne nécessite aucune infrastructure particulière puisqu’il se pose au fond du bassin », explique Ivan Rispal, « nous l’utilisons sur tout type d’effluent, urbain ou industriel ». Ainsi, cet aérateur immergé fonctionne à Helsinki (Finlande) sous 12 mètres d'eau. Il est également installé à Châteauroux (Indre) sur un chenal de 3,6 m de hauteur, « c’est le seul équipement qui résistait aux déchets colmatants, il tourne depuis un an », précise Ivan Rispal. Il est aussi présent dans des usines de l’agroalimentaire (abattoirs, fromageries), des papeteries, de la chimie.
Europelec, l’un des principaux acteurs de l’aération des eaux usées, plus particulièrement dans les stations d’épuration par voie biologique, propose une gamme complète d’aérateurs qu’il s’agisse d’aération de fond ou de surface. Pour les bassins profonds à fort rendement d’oxygénation, Europelec propose l’aération fines bulles, au moyen de diffuseurs à membrane de type Aquadisc ou Aquatube. Pour les bassins d’aération type lagunage, c’est la turbine de surface à vitesse rapide Aquafen qui est préconisée. Pour un brassage et une aération à haut rendement, Europelec propose également une gamme de turbines lentes conçue pour une utilisation en position fixe. La turbine lente fixe est bien adaptée aux bassins en béton avec passerelles de services. Grâce à sa
forme hydrodynamique, son rotor réalisé en fibre de verre donne à la turbine un excellent rendement d’oxygénation et une bonne tenue à l'abrasion et aux différents éléments chimiques corrosifs parfois présents dans les eaux usées.
Pour un fonctionnement sur eaux fortement chargées (produits laitiers ou graisses), Isma préconise l'utilisation du modèle Centrox (technologie Fuchs) doté d'un système d’aspiration de mousse. Il génère une insufflation d’air par fines bulles et un bon brassage.
En fonctionnement, la roue à aube en rotation fait remonter l’effluent du fond du bassin. La mousse produite lors de l’aération est dirigée dans l’entonnoir central et aspirée. Il n'y a pas de production d’aérosols.
Depuis l’acquisition, voici dix-huit mois, d’Emu, Salmson dispose maintenant d'une offre d'aération. Son offre, le système Rotox, est un aérateur avec pompes immergées pour les eaux usées. « Le système peut être installé sur n’importe quelle installation existante sans problème et sans modification du génie civil », explique Patrick Grandmaire, responsable technique du marché cycle de l’eau chez Salmson. Conçu pour améliorer le fonctionnement des stations d’épuration lorsque l’apport en oxygène est insuffisant, cet équipement est utilisé sur les petites installations lorsque la capacité de traitement de l'unité arrive à saturation ou encore quand le système d’aération habituel est en maintenance. Installé en fond de bassin, le Rotox se compose d'une pompe immergée et d’un Venturi dans lequel se réalise le mélange air-eau.
ment s’installe au fond du bassin sans génie civil, tuyauterie ou accessoire hydraulique. Cet appareil se décline en sept modèles permettant le traitement d’équipement de profondeur comprise entre 2,5 à 4 mètres. La technologie, référencée chez OTV, a été installée sur le bassin de rétention des pluviales de la station d’Épône Mézières (Yvelines) où elle réalise l’aération.
La société IFU Diffusions und Umwelttechnik GmbH a développé pour le traitement des eaux usées urbaines et industrielles un équipement spécifique combiné, soit pour aérer, soit pour agiter, soit aérer et agiter simultanément.
Le IFU KombiMix est un équipement compact relevable équipé d’un moteur-agitateur vertical immergé et d’une raquette de distribution de forme circulaire avec des diffuseurs d’air fines bulles tubulaires et d’un cône de guidage. Grâce à ce dernier, le volume d’eau que l’agitateur envoie vers le bas est distribué vers l’extérieur dans toutes les directions au-dessus des diffuseurs d’air fines bulles, de telle sorte que le courant ainsi créé par les pales de l’agitateur provoque un mélange intense de l’air apporté et de l’eau saturée et évite par là même le dépôt de boues. Le KombiMix peut au choix être équipé jusqu’à 132 m de diffuseurs d’air fines bulles tubulaires par équipement. Son principal avantage est que le système d’aération compact avec l’agitateur peut être installé dans un bassin rempli, facilement et en un temps record, avec une grue mobile. La mise en place de cet équipement avec 2 monteurs est de 4 heures environ. Pour alimenter en air le KombiMix, seul un flexible souple est nécessaire.
Les diffuseurs d’air IFU en acier inoxydable faisant partie de cet équipement appartiennent au groupe des diffuseurs d’air fines bulles. Les diffuseurs IFU du type RS sont pourvus de matériaux membrane de haute qualité. Ils ont prouvé leur efficacité et fiabilité depuis plus de 30 ans. Dans les stations d’épuration avec procédé SBR (Sequence Batch Reactor), l’utilisation de cette combinaison, à la fois d’une agitation et d’un système d’aération fines bulles, apporte une solution flexible et économique. Une telle solution s’avère également intéressante pour le traitement des eaux industrielles chargées.
Quant aux aérateurs Tsurumi, importés en France par CE2A, très simples d’utilisation, ils présentent la particularité d’aspirer naturellement l’air en surface en étant immergés jusqu’à 6 mètres de fond sans requérir de surpresseur. Un modèle 22 kW donne 35 kg O2/h à 5,50 mètres de profondeur et un modèle 37 kW donne près de 60 kg O2/h à cette même profondeur. En cas d’installation plus profonde, avec de simples soufflantes ou avec un surpresseur travaillant à faible pression (300 mbar suffisent pour un aérateur immergé à 7 m de fond), il est possible d’augmenter leur capacité de 40 % à 50 % et d’atteindre jusqu’à 60 kg O2 dissous dans l’eau claire à 7,50 m de fond pour un 22 kW. Leur mise en place, facile, ne nécessite pas de fixation ni de génie civil et leur entretien est limité. De plus, CE2A s’engage à remplacer tout aérateur tombant en panne pour quelque cause que ce soit en 48 h sur site.
L’aération de surface : une méthode rustique
Spécialiste du mélange et de l’aération, TMI – Techniques du mélange industriel – a en service plusieurs milliers de machines sur l’eau urbaine. Pour Jean-Louis Saussac : « L’aération de surface est une méthode rustique, mais elle intègre les conditions nécessaires au bon fonctionnement des stations d’épuration en assurant simultanément les trois fonctions indispensables : introduction d’oxygène – mélange effluent/boue – maintien en suspension ». Spécialisée dans ce domaine depuis plus de vingt ans, l’entreprise commercialise des aérateurs de sur-
face flottants ou fixes tournant à vitesse lente ou rapide, ainsi que des turbines aérateur spécialement conçues pour travailler sur les bassins d’épuration. « Avec notre hélice de surface, nous savons pomper à 5 ou 6 mètres de profondeur, ce qui évite d’ajouter un agitateur pour éviter le dépôt des matières en suspension », explique Jean-Louis Saussac.
Équipés d'un moteur avec réducteur et une grande hélice (diamètre 1,5 à 2,5 m), les agitateurs Flowstar type FS sont un procédé Fuchs commercialisé par Isma. Ils sont surtout utilisés pour la circulation en bassin à boues activées et peuvent être installés en surface (axe vertical) ou immergés (axe horizontal). Lorsque l’agitateur fonctionne, l’effluent est aspiré au fond du bassin puis projeté dans l’axe de l’hélice.
Le dopage à l’oxygène : réservé aux cas difficiles
L’oxygénation des effluents est un marché qui ne saurait échapper aux fabricants de gaz industriels. Depuis plus de dix ans, les grands du secteur commercialisent gaz et équipements auprès des traiteurs d’eau : Air Liquide avec Ventoxal et Turboxal (développé pour les bassins de moins de 4 m), Air Products et Oxy-Dep, Linde et Solvox. Tous apportent de l’oxygène aux bassins d’épuration. Pour Stefan Dullstein, ingénieur applications chez Linde Gas : « la mise en œuvre d’un apport d’oxygène sur une station de traitement saturée permet de reporter de plusieurs années un investissement ».
Chez Linde, c’est le système Solvox qui répond à ce problème. Plusieurs techniques permettent d’injecter de l’oxygène pur dans l’eau par tuyaux perforés, réacteurs d’oxygène et système d’injection Venturi. Solvox-B, par exemple, assure la diffusion au moyen de tuyaux microperforés en polymère élastique et chimiquement résistant, sans aucun apport énergétique externe. Lors de l’injection d’oxygène, les pores s’ouvrent et se referment en absence d’oxygène. Lorsque la hauteur des bassins n’est plus adaptée à une dissolution par bullage, Messer propose une dissolution d’oxygène au travers d’un ensemble pompe-venturi. Cette solution se décline en deux gammes : la pompe et le venturi peuvent être immergés ou au contraire extérieurs au bassin. Dans ce dernier cas, il est possible de répartir au mieux l’apport d’oxygène sur un bassin de grandes dimensions. La maintenance de l’ensemble est également améliorée.
En associant son expertise en oxygénation à un générateur mobile VSA (Vacuum Swing Absorption), Air Products apporte aujourd’hui une solution pour produire de l’oxygène sur site à partir de l’air, affranchissant du même coup la station d’un stockage du gaz. Utilisé pour le traitement aérobie des effluents municipaux ou industriels, cet équipement intègre un agitateur à faible consommation d’énergie qui brasse en permanence l’eau en fond de bassin. Un Venturi relié au générateur d’oxygène fournit jusqu’à 40 kg d’oxygène pur à 90 % ± 2 % par heure. « L’agitateur aérateur auto-aspirant avec éjecteur et moteur assure simultanément l’agitation et l’aération de l’effluent », explique Alain Michel, responsable technique environnement chez Air Products. Cet équipement, qui supporte les liquides agressifs, corrodants ou abrasifs, comporte une hélice et un éjecteur en acier inoxydable, son système d’étanchéité est adapté sur demande. Deux de ces équipements sont déjà installés sur le bassin tampon de la firme Coca Cola en Belgique pour éviter les odeurs. Et c’est bien là un des marchés porteurs de l’oxygène.
Pour Stefan Dullstein : « L’injection d’oxygène dans les eaux usées industrielles fortement chargées mais facilement biodégradables, comme c’est le cas en laiterie, brasserie, transformation de fruits et légumes mais aussi en pharmacie, permet de dégrader suffisamment les polluants pour éviter d’être fortement taxés. En sortie, ces entreprises peuvent déverser sans problème leurs effluents dans la station municipale ».
[Encart : Produire son oxygène directement sur site ? Cette question peut paraître incongrue compte tenu de la relative facilité d’approvisionnement de ce gaz. Mais dans les zones d’accès difficile ou éloignées des principaux pôles industriels, les générateurs d’oxygène sur site peuvent permettre de réaliser des économies importantes. Oxyplus propose ainsi une alternative que l’on peut qualifier de mécanique sous le nom de Pressure Swing Adsorption. Cette méthode de séparation fait appel à la zéolithe, une matière minérale complexe fonctionnant comme tamis moléculaire. L’air comprimé, préalablement débarrassé des polluants et asséché, chemine au travers de la zéolithe. Les molécules d’azote sont adsorbées sous l’effet de la pression, pendant que l’oxygène et les gaz rares sont dirigés vers un réservoir. La désaturation de la zéolithe est obtenue en faisant chuter la pression dans le filtre et en évacuant l’azote dans l’atmosphère. À ce stade, la pureté de l’oxygène est située autour de 95 %, mais un second étage utilisant le même principe avec une matière de filtrage adaptée peut être ajouté permettant d’éliminer l’argon et de porter la concentration en oxygène à 99 % (± 0,2). L’oxygène est ainsi produit sur place par un générateur à une pression de 4,5 à 6 bar pour des débits allant de 1 à 23 m³/h pour une concentration de 95 % et de 1 à 12 m³/h en haute pureté. Il est difficile de déterminer précisément le seuil de rentabilité de ce type de solution qui dépend de la consommation, du lieu géographique de l’installation et du prix d’achat de l’oxygène auprès du gazier. Oxyplus annonce toutefois une valeur moyenne de 40 à 50 % d’économie durant la période d’amortissement et de plus de 60 % après.
