Dimensionnement de pompes de stations d’épuration

Dans les stations d'épuration, le transfert des boues constitue une étape critique du traitement des eaux usées. Ces boues présentent un comportement rhéologique particulier : pâteuses et quasi solides au repos, elles se fluidifient une fois mises en écoulement. Cette caractéristique, propre aux fluides non newtoniens, rend leur pompage complexe et nécessite une connaissance précise de leurs propriétés pour concevoir des systèmes hydrauliques adaptés.

Un mauvais dimensionnement des pompes peut entraîner des blocages, une surconsommation énergétique ou une usure prématurée des équipements.

Les boues d’épuration sont des fluides pâteux, d’aspect solide au repos, qui fluidifient une fois mises en écoulement. Le dimensionnement d’un système de pompage impose de connaitre leurs caractéristiques rhéologiques afin d’amorcer la mise en écoulement et d’optimiser la consommation énergétique pendant le pompage.

L'analyse des échantillons de boues de compositions différentes se fait au travers de tests de mise en écoulement selon la norme ISO 3219. Ces tests sont répétés à différentes températures dans la gamme de travail de la station d’épuration.

Les courbe d'écoulement obtenues, reliant la contrainte au taux de cisaillement, sont modélisées par une loi de comportement dite d'Herschel-Bulkley qui fait apparaître trois paramètres clés pour chaque type de boue :

• Le seuil de contrainte à l'écoulement (σy, en Pa), qui représente la contrainte minimale à appliquer pour amorcer l'écoulement
• La consistance (k, en Pa.sⁿ), qui traduit la résistance du fluide à l'écoulement
• L'indice d'écoulement (n, sans unité), qui caractérise le comportement rhéofluidifiant du fluide c'est-à-dire sa capacité à diminuer en viscosité quand la sollicitation appliquée augmente (0 < n < 1).

Ces trois paramètres ont été déterminés pour les trois types de boues analysées : boue primaire, boue biologique et boue mixte, et ce à plusieurs températures. Les résultats montrent une évolution de ces paramètres en fonction de la température et de la composition des boues, permettant ainsi d'adapter le dimensionnement des pompes aux conditions réelles d'exploitation.

Les valeurs mesurées permettent d’évaluer, pour chaque boue, la pression d’amorçage et la pression nécessaire pour garantir le débit visé.

Le seuil de contrainte caractérise le pompage de la boue au repos lors de l’amorçage de la pompe. En entrée de pompe, la pression est alors:

P=P_stat+4L/D σ_y

Avec Pstat la pression exercée par le poids de la couche de fluide, et L et D les dimensions (longueur et diamètre) de la conduite d’aspiration.

La consistance et l’indice d’écoulement permettent de calculer les pertes de charge dans la conduite une fois l’écoulement établi au débit Q visé :

P_charge=4L/D (σ_y+k〖(aQ)〗^n )

Avec a un coefficient dépendant de D et n. Cette pression doit être exercée en continu pour maintenir le débit constant.

Si la température permet de faciliter la mise en écoulement des boues, c’est leur composition qui est le principal déterminant des gammes de pressions à mettre en œuvre. Pour faciliter le pompage et l’écoulement, on privilégiera une conduite large et courte.