4.6 Bassin de rétention (BR)
4.7.2 Décantation primaire physico-chimique
La décantation primaire à la StaRRE Est de la Ville de Québec est réalisée par sept décanteurs primaires lamellaires fonctionnant en parallèle. L’effluent de ces décanteurs est déversé dans un canal au bout duquel se trouve un point d’échantillonnage. C’est également à ce point qu’a lieu la mesure de turbidité de l’effluent des décanteurs primaires.
Hydraulique
Le test traceur du 23 septembre montre que les sept unités de décantation présentent le même comportement hydraulique (Figure 4.22). La répartition hydraulique entre les sept unités de décantation est ainsi suffisamment égale pour que l’ensemble soit modélisé en un bloc. Les tests traceurs concordent sur le fait que l’ensemble des décanteurs peut être mo- délisé par 7 RCM en série (Figure 4.23a), ce qui est confirmé par les autres tests traceurs effectués à différents débits (cf. AnnexeD Résultats des tests traceur). D’autre part, l’échan- tillonnage au niveau de la sonde de turbidité (point appelé "ensemble des décanteurs" sur la Figure4.22), montre que le canal entre la sortie des décanteurs et la sonde de turbidité peut être modélisé par 1 RCM de 795 m³ (Figure4.23).
FIGURE 4.22 – Résultats des tests traceurs du 23 septembre 2011 sur les 7 décanteurs pri- maires de la StaRRE Est de la Ville de Québec.
(a) sortie des décanteurs (7 RCM) (b) au niveau de la sonde de turbidité (8 RCM)
FIGURE4.23 – Résultats du test traceur du 23 septembre 2011, (a) sortie des décanteurs. (b) au niveau de la sonde de turbidité. En vert, données expérimentales. En orange, données simulées.
Les décanteurs sont alimentés par des trappes d’alimentation situées à environ 1/3 de la hau- teur à partir du fond du décanteur (Figure4.24et4.25). La partie inférieure aux trappes d’ali- mentation est ainsi modélisée par 4 RCM. Cette hypothèse permet également une meilleure fermeture du bilan de masse du test traceur (cf. AnnexeD Résultats des tests traceur).
FIGURE4.24 – Schéma de coupe transversale d’un décanteur primaire lamellaire (courtoisie
de Yves Lanthier de la Ville de Québec).
FIGURE4.25 – Intérieur d’un décanteur primaire lamellaire. Les flèches rouges désignent les
trappes d’alimentation du décanteur (courtoisie de Yves Lanthier).
Modèle de décanteur primaire
Le modèle de décanteur primaire proposé est similaire au modèle de dessableur aéré pré- senté précédemment, à l’exclusion du processus d’aération. Il reprend donc les Équations4.9 à4.16, à l’exclusion des flux Jup,air (Figure4.26).
FIGURE4.26 – Schéma du modèle de décanteur primaire où les flèches représentent les flux de particules : Jdc dus à la décantation, Jupet Jdowndus à l’advection.
Les décanteurs étant équipés de lamelles (Figure4.24et4.25), la surface projetée des lamelles a été calculée pour déterminer une hauteur de décantation, elle a été légèrement réajustée lors de la calibration (cf. Section4.7.2).
Le Tableau4.9présente les paramètres du modèle de décanteur.
TABLEAU4.9 – Paramètres du modèle de décanteur primaire.
Calibration et validation du modèle de décanteur primaire
La Figure4.27présente les résultats de calibration et de validation du modèle de décanteur primaire. La surface projetée des lamelles a été réduite de 10 080 m² à 9 545 m², pour réduire l’EQM à 15 mg/L en calibration et en validation, ce qui représente 20% de la concentration en MeS de l’effluent du décanteur.
(a) Calibration (EQM = 15 mg/L) (b) Validation (EQM = 15 mg/L)
FIGURE 4.27 – (a) Calibration et (b) validation du modèle de décanteur primaire, sur les
données, respectivement du 21 et du 27 avril 2010
Effet des produits chimiques
En opérant des tests ViCAS sur des échantillons d’eau usée avec et sans l’ajout d’alun (cf. Sec- tion3.6.2 Test ViCAs sur un échantillon d’eau floculé), l’impact des produits chimiques sur la DVCP a été évaluée. Un exemple des résultats produits parCharette(2015) est présenté à la Figure4.28. L’ensemble des résultats est présenté à l’AnnexeC, SectionC.5.
FIGURE4.28 – Effet de l’alun sur la DVCP - exemple de tests ViCAs effectués sur le même
échantillon d’eau sans alun (en vert) et et avec différentes concentrations d’alun ajouté (Cha- rette,2015)
D’après la Figure 4.28, le traitement chimique tend à abaisser la courbe de DVCP, ce qui suppose une hausse des fractions de particules à plus grande vitesse de décantation, au détriment des classes de particules dont la vitesse de décantation est plus faible. Le traite- ment chimique peut donc être modélisé en rendant le fractionnement des MeS dépendant de la concentration en produits chimiques. Les résultats expérimentaux montrent qu’une dose minimale d’alun (Sal,min) est nécessaire pour produire un effet sur la DVCP. En effet, sur la
Figure4.28, on observe que la DVCP de l’échantillon traité à 25mg/L d’alun est très proche de la DVCP de l’eau brute. D’autre part, un effet de saturation est également observé : à par- tir d’une concentration d’alun (Sal,sat), l’augmentation de cette concentration n’a plus d’effet sur la DVCP.
Ces observations ont mené au développement d’un modèle d’évolution de la DVCP sig- moïdale selon la concentration de produits chimiques utilisée, décrit par l’Équation 4.20. Ce modèle permet de représenter la dose minimale nécessaire pour observer un effet sur la décantabilité de l’échantillon et la dose à saturation (Figure4.29).
Ainsi, chaque fraction f de la DVCP de l’échantillon d’eau contenant une concentration d’alun Salest calculée par l’Équation4.20.
f = fmax+ (fmax− fmin) ∗
Snal al Knal al +S nal al (4.20) où
— fmaxest la fraction de la DVCP sans alun (en bleu sur la Figure4.29)
— fminest la fraction de la DVCP à saturation (en rouge sur la Figure4.29)
— Salest la concentration d’alun (mg/L)
FIGURE 4.29 – Représentation du changement sigmoïdal de la DVCP dû à l’ajout de pro- duits chimiques. La DVCP de l’eau brute est présentée en bleu, celle à saturation d’alun est représentée en rouge.
Le modèle représentant l’ajout d’alun est schématisé à la Figure4.30.
Calibration et validation du modèle de décanteur physico-chimique
La calibration du modèle d’ajout d’alun consiste à déterminer la DVCP à saturation et les paramètres d’évolution Kalet nal. Pour la DVCP à saturation, deux méthodes ont été testées :
1. définir une DVCP à saturation ; et
2. calculer la DVCP à saturation en "abaissant" celle de l’affluent.
La méthode 1 utilise la DVCP la plus basse obtenue par Charette (2015) comme DVCP à saturation (courbe grise sur la Figure4.28), tandis que la méthode 2 définit un pourcentage d’abaissement de la DVCP de l’affluent (sans alun), dépendant de la classe considérée (Fi- gure4.31). Pour un modèle à 10 classes de particules, cela représente 10 paramètres à calibrer.
FIGURE4.31 – Représentation de l’effet de l’alun sur la DVCP - exemple de deux tests ViCAs effectués sur le même échantillon d’eau avec (en gris) et sans (en vert) ajout d’alun.
Llinàs de Cendra (2015) a comparé les deux méthodes, qui ont montré des performances similaires en terme d’EQM. De plus, en effectuant une analyse globale de sensibilité, il a montré que le paramètre le plus sensible du modèle était toujours Kalum.
Au regard des données expérimentales disponibles, et de la performance similaire des deux méthodes, la méthode 1, utilisant une DVCP fixe à saturation, a été retenue afin de limiter le nombre de paramètres à calibrer.
La calibration et la validation du modèle ont été réalisées sur des données expérimentales recueillies lors des tests d’ajout d’alun à pleine échelle à la StaRRE Est de la Ville de Qué- bec (cf. Section 3.6.2 Tests à l’échelle réelle). Les résultats sont présentés à la Figure 4.32. L’EQM en calibration est de 8 mg/L et de 28 mg/L en validation, ce qui représente respecti- vement 16% et 31% des concentrations moyennes en MeS de l’effluent d’environ 60 mg/L et 90 mg/L. On notera cependant que la calibration a été effectuée sur des données de temps sec (Qa f f luent≈ 9 000 m³/h) et la validation a été effectuée sur des données de temps de pluie
(Qa f f luent≈ 15 000 m³/h). Les Tableaux4.10et4.11présentent les paramètres du modèle de
(a) Calibration (EQM = 8 mg/L) (b) Validation (EQM = 28 mg/L)
FIGURE4.32 – (a) Calibration et (b) validation du modèle de décanteur primaire physico-
chimique, sur les données, respectivement, du 25 août 2011 et du 14 janvier 2013
TABLEAU4.10 – Paramètres du modèle de décanteur primaire physico-chimique.
TABLEAU4.11 – Paramètres de la DVCP à saturation.
Remarque
Un modèle de décantation physico-chimique simple a également été développé à partir des données expérimentales présentées précédemment. Ce modèle faisait varier de manière sig- moïdale la fraction de MeS non décantables et la vitesse de décantation (vitesse moyenne définie pour toutes les particules) en fonction de la concentration d’alun (cf. Chapitre5). Il a servi à configurer un contrôleur régulant la quantité d’alun ajouté à la décantation primaire en fonction de la turbidité de l’effluent. On notera que le modèle de décantation physico- chimique utilisant la DVCP présente des performances similaires au modèle simple. Son avantage repose sur le fait qu’il permet de simuler la DVCP à la sortie de la décantation primaire. Le contrôleur d’ajout d’alun a été testé sur ce modèle et a donné des résultats simi- laires à ceux présentés dans le Chapitre5(Figure5.6).