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![Fig. 1 Schéma d'un dessableur et d'un dégraisseur avec valeurs de dimensionnement selon ATV [4].](/media/1865909/mendler_fig01_neu.jpg?width=760&height=440&bgcolor=e8e8e8 "Fig. 1 Schéma d'un dessableur et d'un dégraisseur avec valeurs de dimensionnement selon ATV [4].")
Dans les stations d'épuration des eaux usées (STEP), le dessableur fait partie de l'épuration mécanique et est essentiel pour protéger les parties de l'installation en aval contre le colmatage, les dépôts et l'abrasion. Les dessableurs existants et les dessableurs et dégraisseurs combinés ne répondent généralement pas à toutes les caractéristiques de dimensionnement du rapport de travail de la DWA de 2008 [1]. En cas de remplacement, d'extension ou d'optimisation d'une STEP existante, l'espace disponible est souvent limité en Suisse. Le besoin d'optimiser les dessableurs existants avec une géométrie donnée ou de construire de nouveaux dessableurs dans des conditions d'espace limitées est donc important.
Hirschbeck [2] a réalisé des essais sur modèle pour optimiser la séparation des sables par le biais de la commande de l'aération et du placement de l'alimentation. Botsch [3] a utilisé des simulations numériques d'écoulement comme outil de dimensionnement des pièges à sable. La simulation numérique de l'écoulement (également CFD: Computational Fluid Dynamics) permet de vérifier sur le modèle des géométries inhabituelles de dessableurs ou des optimisations (comme par exemple une aération étagée) et d'estimer par le calcul le degré de séparation du sable.
Cet article compare les approches de dimensionnement avec les caractéristiques existantes de l'installation et présente des possibilités d'optimisations de la construction et de l'exploitation. A l'aide de quatre exemples pratiques en Suisse, pour lesquels une simulation numérique de l'écoulement a été utilisée pour l'optimisation, différentes conclusions sont expliquées et des recommandations sont formulées.
La figure 1 présente la coupe transversale schématique d'un dessableur et d'un dégraisseur combinés, avec les désignations usuelles pour les différentes dimensions de l'ouvrage. Traditionnellement, l'entrée du dessableur est située au centre, du même côté que l'aération. L'aération génère un flux laminaire (flux rotatif) qui déplace les particules contenues dans les eaux usées sur une trajectoire circulaire autour de l'axe longitudinal. Cela a pour conséquence que les contenus organiques des eaux usées sont maintenus en suspension et transportés jusqu'à la sortie, tandis que les particules de sable de plus grande densité peuvent descendre. Pour cela, on cherche à obtenir un flux de rouleaux le plus homogène possible et sans perturbation, de manière à éviter les flux de court-circuit (voies d'écoulement qui atteignent la sortie sans suivre le flux de rouleaux) et les zones d'eau morte (zones non traversées par le flux).
Pour les "dessableurs-dégraisseurs longitudinaux" existants et fréquents, les possibilités d'optimisation suivantes entrent en ligne de compte:
Les simulations numériques de l'écoulement (CFD) sont devenues un outil précieux pour l'évaluation hydraulique des ouvrages traversés par un écoulement, y compris dans le domaine des eaux usées. Les équations d'écoulement déterminantes (conservation de la masse et de l'impulsion) sont alors résolues numériquement sur une grille volumique créée à partir de la géométrie 3D (fig. 2).
La CFD permet de vérifier et de comparer, du point de vue de la technique des fluides, des propositions d'optimisation pour les pièges à sable. La conception de l'entrée et de la sortie des eaux usées, l'optimisation de l'écoulement des rouleaux par l'injection d'air ou à l'aide d'agitateurs et la sédimentation de particules minérales et organiques de différentes densités et tailles peuvent être simulées numériquement et la sédimentation des particules estimée par calcul. Cependant, même les meilleures simulations restent des modèles basés sur des simplifications et présentent donc des incertitudes, en plus des imprécisions numériques: La composition des eaux usées présente toujours une certaine dispersion dans la réalité, les débits peuvent être irréguliers et certains effets comme la cohésion et la rupture des particules ne peuvent pas être représentés avec un effort proportionnel.
A la STEP de la région de Murg, les mesures suivantes ont été mises en œuvre afin d'augmenter le taux de séparation et de réduire la consommation d'énergie des dessableurs existants:
Le résultat de la simulation CFD montre dans la première partie du dessableur, en raison de la déviation de l'alimentation, un écoulement des rouleaux nettement amélioré. Dans l'ensemble, l'adaptation permet d'obtenir des vitesses d'écoulement plus homogènes et plus faibles (fig. 3). Ce n'est que grâce à l'optimisation que toute la longueur du dessableur est efficace pour la séparation du sable.
A la STEP de Haute-Engadine, l'arrivée a également été conçue de manière à ce que les eaux usées entrent dans la direction de l'écoulement des rouleaux. La simulation numérique a montré que le débit d'arrivée avait une influence déterminante sur la formation de ce courant de laminage. Si le débit moyen par dessableur est inférieur à 125 l/s, il en résulte un courant de court-circuit au milieu du cylindre (fig. 4). Pour éviter cela, la formation du courant du rouleau est soutenue par l'injection d'air (fig. 5).
Aujourd'hui, les deux dessableurs fonctionnent toujours avec une aération. A l'avenir, un seul dessableur fonctionnera par temps sec. Si le débit entrant est inférieur à 125 l/s, l'aération sera activée. A partir d'un débit moyen de 250 l/s, le deuxième dessableur sera mis en service.
Sur la STEP Sarneraatal, une grande quantité de sable et de gravier est souvent transportée vers la STEP lors d'événements pluvieux importants. Lors de la transformation, on a donc choisi des vis de fond sans arbre à la place des racleurs à bouclier - ceux-ci ont fait leurs preuves pour transporter de manière fiable de grandes quantités de sable dans la trémie du dessableur (fig. 6). Le tube d'alimentation coudé permet de soutenir le flux des rouleaux et de réduire ainsi la quantité d'air nécessaire.
Les dessableurs de la STEP du lac de Thoune ont été construits à l'origine comme dessableurs et dégraisseurs combinés, mais la paroi de séparation a été supprimée dans les années 1990. Pour maintenir un flux laminaire dans la géométrie tortueuse existante (voir fig. 7, en haut), il faut injecter beaucoup d'air. Différentes variantes géométriques et quantités d'air ont donc été testées par calcul afin d'améliorer la séparation du sable et de pouvoir déterminer la quantité d'air optimale (cf. fig. 7, en bas). La réduction de la largeur du bassin et l'ajout d'une chicane dans la zone d'arrivée ont permis d'augmenter sensiblement l'efficacité de la séparation tout en réduisant la quantité d'aération dans le modèle (fig. 8 et 9). Ces optimisations, élaborées dans le cadre de l'avant-projet, servent de base à l'assainissement de l'étape de traitement mécanique, qui doit être réalisé dans les années 2026-2028.
Les expériences d'exploitation réalisées jusqu'à présent sur les STEP de Murg, de la Haute-Engadine et du Sarneraatal sont jugées bonnes par le personnel d'exploitation. Aucune installation n'a connu de problèmes d'exploitation dus à des dépôts de graisse ou de sable dans les parties de l'installation situées après le dessableur, respectivement après la décantation primaire.
Comme dans les exemples discutés, il n'est souvent possible de faire que des déclarations qualitatives sur le bon fonctionnement des dessableurs, car les données manquent pour une déclaration quantitative. La détermination métrologique du degré de séparation de particules de sable de différentes tailles sur un dessableur existant est très coûteuse et n'est donc généralement pas effectuée dans la pratique.
Il convient d'examiner dans chaque cas s'il est possible de renoncer à un dégraisseur et à la séparation correspondante des graisses dans la décantation primaire.
La dérivation de l'arrivée du dessableur dans le sens du laminage est très avantageuse. Le rapport longueur/largeur peut alors parfois être de << 10:1, tout en atteignant le degré de séparation requis de > 95% de la fraction de sable de 0,2 mm.
Par temps sec, l'énergie d'écoulement de l'arrivée ne suffit pas toujours pour former un écoulement stable du rouleau. Dans ce cas, les possibilités suivantes s'offrent à vous:
Une vis de transport du sable sans arbre dans la goulotte de collecte du sable permet de transporter le sable de manière fiable vers la trémie, même en cas de forte production de sable.
Le sable séparé dans le dessableur devrait être nettoyé dans un laveur de sable. Si, dans certaines conditions d'exploitation, trop de particules organiques sont séparées avec le sable, celles-ci peuvent être éliminées dans le laveur de sable et renvoyées dans le flux d'eaux usées.
Avec les optimisations correspondantes, il est possible d'obtenir des géométries de dessableurs qui fonctionnent, même si l'on s'écarte des valeurs caractéristiques exigées par la DWA. L'installation doit être dimensionnée individuellement en fonction de l'espace disponible et de la fourchette entre le débit minimal et maximal.
[1] DWA (2008): Arbeitsbericht des DWA-Fachausschusses KA-5 "Absetzverfahren", Sandfänge – Anforderungen, Systeme und Bemessung. Korrespondenz Abwasser, Abfall 55(5): 508
[2] Hirschbeck, C. (2009): Untersuchungen zur Leistungsfähigkeit von belüfteten Sandfängen auf Kläranlagen. Dissertation à l'Université de la Bundeswehr de Munich, Faculté de génie civil et de géodésie
[3] Botsch, B. (2011): Versuch einer Sandfangbemessung auf der Grundlage einer Typisierung unter Verwendung der numerischen Strömungssimulation. Thèse de doctorat à l'Université Bauhaus Weimar
[4] ATV (1998): Arbeitsbericht der ATV-Arbeitsgruppe 2.5.1 "Sandfänge", Sandabscheideanlagen. Korrespondenz Abwasser 45(3): 535-549
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