Application de la détermination des temps de séjour aux filtres plantés de roseau

La connaissance de l'hydraulique des FPR est fondamentale, puisqu'elle permet de comprendre l'efficacité de ces systèmes. Nous présentons dans les pages qui suivent un état de ces connaissances en question, qu'il nous semble important de connaître.

2.1. Méthodologie, choix du traceur

Généralement employée pour la détermination du temps de séjour (ts) dans des réacteurs

B. Filtres plantés de macrophytes

connaître le comportement hydraulique des bioréacteurs tels que les FPR (Kadlec, 1994; King

et al, 1997; Machate et al, 1997, Stern et al, 2001).

L'injection est réalisée en entrée du bassin considéré, les traceurs les plus couramment employés sont le chlorure de lithium (LiCl) (Kadlec, 1994; King et al, 1997…) ou du bromure de sodium (NaBr) (Bowmer, 1987; Machate et al, 1997).

L'efficacité de l'emploi des différents types de traceurs dans les FPR a été étudiée. Les résultats ont montré que, d'une part, l'emploi de la rhodamine n'était pas adapté (faible taux de récupération en sortie, vraisemblablement dû à une forte adsorption dans le filtre), et d'autre part qu'il y avait de légères différences entre les réponses du lithium et du brome (Headley et

al, 2002; Lin et al, 2003). Le tableau 2, offre une synthèse de l'ensemble des travaux relatifs

aux choix et aux performances des traceurs utilisés pour les FPR.

Tableau 2: Efficacité des différents traceurs utilisés dans les FPR (1 rhodamine B, 2

rhodamine WT) Référence

Caractéristiques du FPR mesuré Données du traceur

Géométrie LxlxP (m) Flux Plante Traceur g.m-2 % récupération King et al, (1997) 6,9x3x0,5 FSSC - LiCl: 3,2 98% Machate et al, (1997) 5 pilotes: 2,5x2,3x1,2 FSSC Scirpus sp. Typha sp. KBr: 1,7 - Headley et al, 2002 4 pilotes: 4x1x0,5 FSSC Phragmites australis Li: 5 Br: 10 R-B1_{: 0,7} 90% 77% 5% Lin et al, (2003) 2 unités série 260x140x0,7 FSEL Scirpus sp. Typha sp. KBr: 0,7 R-WT2: 0,03 85% - 100% 59% - 90% 130 hectaresx0,7 FSEL Scirpus sp. Typha sp. R-WT 2_{: 0,004 29%}

2.2. Modélisation des écoulements non idéaux à un paramètre variable

Après l'acquisition expérimentale d'une courbe de distribution des temps de séjour, se pose en général le problème de rendre compte de l'allure observée au moyen d'un modèle hydrodynamique. Deux modèles de l'écoulement non idéal sont classiquement employés, il

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s'agit du modèle du réacteur piston à dispersion axiale et du modèle de la cascade de réacteurs parfaitement agités (voir l'explication de chaque modèle en annexe II-2).

2.3. Modélisations particulières (modèles multiparamètres)

La plupart des modèles "multi-paramètres" sont constitués d'un assemblage de modèles élémentaires (RP ou RPA) ou d'une combinaison avec l'un des deux modèles présentés précédemment (King et al, 1997).

Werner et Kadlec, (2000), ont proposé un modèle pour l'écoulement non idéal au sein de 4 FSEL et FSSC. Pour ce faire l'écoulement a été considéré comme réparti dans des chemins préférentiels, en équilibre avec des volumes de moindre conductivité (de part et d'autre).

Le concept est basé sur le fait qu'un FPR a un nombre infini de 'micro' zones (matérialisées par des RPA) reliées à un chemin préférentiel d'écoulement.

Le modèle a été baptisé ZDMs ("Zone of Diminished Mixing"). Ce modèle représenté schématiquement (figure 8) pour chaque chemin d'écoulement préférentiel a pour représentation un réacteur piston à dispersion axiale en équilibre avec une multitude de réacteurs parfaitement agités (100 réacteurs ont été arbitrairement considérés).

Dès lors les paramètres du modèle ont été déterminés en considérant trois variables: x, la fraction d'effluent passant uniquement dans le chemin préférentiel (le piston à dispersion axiale), z, la fraction du volume total du bassin constitué de zone à RPA, et enfin Pe le nombre de Péclet. Ce modèle est représentatif du panel d'outils de modélisation à la disposition du chercheur.

Le modèle ZDMs a été validé par une cinquantaine de tracés réalisés dans quatre FPR différents.

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Figure 8: Schématisation par écoulement dans des chemins préférentiels (source Werner et Kadlec, 2000)

2.4. Mesure de points intermédiaires

Une analyse complémentaire couramment employée consiste à réaliser des mesures intermédiaires au sein des bassins. Cela permet d'avoir une idée plus précise de la répartition du traceur. Cette mesure complémentaire donne accès à l'estimation plus précise des couches d'écoulement préférentiel et de la position des volumes morts (Sanford et al, 1995; Grismer et al, 2001; Weaver et al, 2003). La figure 9 montre un résultat de tracé qui permet de visualiser le cheminement de la concentration de traceur dans le bassin en fonction de la distance au point d'alimentation.

2.5. Adaptation de la méthode de traçage aux régimes non permanents

Dans la plupart des FPR le débit d'entrée n'est pas constant. Or la mesure de la réponse à une injection de traceur et toutes les analyses qui en découlent supposent un régime permanent. Pour la mesure de l'écoulement au sein de pilotes ou le débit peut être régulé le problème ne se pose pas, mais pour l'ensemble des autres stations la validité de la mesure est remise en question. La prise en compte de la variation du débit lors de phases de traçage a surtout été réalisée pour les bassins de rétention d'orage. L'idée de ces travaux a été d'adapter des méthodes de mesure généralement appliquées aux régimes permanents, pour les systèmes à régimes non permanents. Ainsi Werner et Kadlec, (1996) ont proposé d'utiliser certains outils pour adapter la mesure de l'écoulement en régime non permanent (forte variation du

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débit d'entrée). Il consiste dans un premier temps à définir une forme normalisée du volume de sortie de la station: Ve dV d et Ve V posant en dt t Q t V t out out out =

∫

ξ représente un volume sans dimension qui tient compte d'un volume qui a quitté le système entre une valeur initiale δ et une valeur t.

Le second changement de variable consiste à transformer le temps en débit massique de sortie. Les résultats s'expriment alors en C(ξ), concentration normalisée de traceur en sortie du bassin par rapport au volume relatif. Ce changement de variable a pour conséquence de faciliter la répétitivité de la mesure de la DTS, et ce malgré des conditions fluctuantes. Cette analyse donne accès non pas à un temps de résidence moyen, mais à un volume de résidence moyen. Néanmoins la condition indispensable à l'analyse de tels systèmes est de pouvoir mesurer de façon précise les débits entrant et sortant du marais considéré.

Figure 9: Courbes réponses à une injection impulsion de brome, différents points de mesure dans le pilote (Weaver et al, 2003)