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Calcul de systèmes d’aération

Le principe du calcul des systèmes d’aération repose sur le fait que l’apport en oxygène du système dans les conditions de service αSOTR [kg O2/h] est égal au besoin de pointe en oxygène OVR [kg O2/h] ans les conditions de calcul determinants. Lors du calcul, la capacité en apport d’oxygène nécessaire dans les conditions de service αSOTR est convertie en la capacité d’apport d’oxygène standardisée nécessaire SOTR du système d’aération :

αSOTR = OV R

Lors du calcul, la capacité en apport d’oxygène nécessaire dans les conditions de service αSOTR est convertie en la capacité d’apport d’oxygène standardisée nécessaire SOTR du système d’aération.

La base du calcul est constituée par les équations :

SOTR = ( k L a ) 20 · f d · c S,20

(kLa)T : coefficient d’aération à T ou 20 °C

fd : facteur de profondeur pour tenir compte de l’influence de la surpression de l’eau sur cs,T

cS,T : concentration de saturation en oxygène à T ou 20°C

SOTR = ( k L a ) T · f d · c S,T - c

cependant que

( k L a ) T = ( k L a ) 20 · θ ( T - 20 )

α : facteur d’apport en oxygène : (»facteur α«, »valeur α«)

θ : coefficient de température :(»valeur θ«) θ = 1,024

L’influence de la surpression de l’eau du bassin sur la concentration de saturation en oxygène cs,Tdans la zone des bulles d’air insufflées ou créées par les éléments de battement est prise en compte par l’intermédiaire du facteur de profondeur fd. L’influence supplémentaire de modifications de la pression d’air est habituellement négligée.

Pour les systèmes d’aération à air comprimé fines bulles couvrants, on prend la moitié de la profondeur d’immersion hD pour déterminer l’influence de la surpression de l’eau sur la concentration de saturation :

f d = 1 + 0,5 · h D / 10,33 = 1 + h D / 20,7 [-]

On a par contre constaté pour les systèmes d’aération de surfaceque la pression déterminante se présente à 7% de la profondeur du bassin hw :

f d = 1 + 0,07 · h W / 10,33 = 1 + h W / 150 [-]

La concentration de saturation en oxygène efficace est de fd · cS,T [g/m³]
t dans des conditions standard de fd · cS,20 [g/m³].

Il en résulte au total pour l’apport en oxygène nécessaire dans les conditions standard SOTR en fonction des besoins de pointe en oxygène OVR dans les conditions de service déterminées à cet effet, y compris la valeur α :

SOTR = OV R · f d · C S,20 ( f d · C S,T - C ) · θ ( T - 20 ) · α [kg/h]

Le calcul de cet apport en oxygène nécessaire doit être indiqué aux fournisseurs de stations d’épuration, afin qu’ils puissent procéder à la construction d’un système d’aération adapté.

L’exemple suivant sert à illustrer clairement la démarche de principe du calcul.

Exemple

température déterminante T = 15°C
concentration de saturation en oxygène cS,20 = 9,09 mg/l
concentration de saturation en oxygène cS,15 = 10,08 mg/l
correction de température coefficient d’aération θ(15-20) = 0,888
teneur en oxygène requise c = 2,0 mg/l
aération de l'air comprimé (hD = 5,00 m) fd = 1 + 5/20,7 = 1,24
facteur d’apport d’oxygène (valeur α) α = 0,6
SOTR = OV R · f d · C S,20 ( f d · C S,T - C ) · θ ( T - 20 ) · α SOTR = OV R · 1,24 · 9,09 ( 1,24 · 10,08 - 2 ) · 1,024 ( 15 - 20 ) · 0,6 = 2,015 · OV R

L’exemple montre que la capacité d’apport en oxygène standardisée déterminante du système d’aération s’élève à environ le double des besoins de pointe en oxygène.

Calcul de l’aération à air comprimé

Le calcul précis de l’aération à air comprimé s’effectue par l’intermédiaire de la valeur caractéristique absorption d’oxygène spécifique SSOTR (g O2 /(m3·m)) ou par l’intermédiaire du degré d’utilisation d’oxygène spécifique SSOTE (%/m). On peut calculer le degré d’utilisation d’oxygène spécifique à partir de l’absorption d’oxygène spécifique (SSOTE = SSOTR/3; da 300 g O2/m3 ). Ces valeurs caractéristiques peuvent être trouvées dans le tableau des données de référence ou sont indiquées par les entreprises d’équipement. De la définition de l’absorption d’oxygène spécifique SSOTR (g O2 /(m3·m)) figurant ci-dessus, il résulte avec l’apport en oxygène SOTR (kg O2 /h) :

SSOTR = 3 · SSOTE = 1000 · SOTR Q L,St · h D [g/m3·m]

et de ce fait le flux de volume d’air nécessaire QL,St

Q L,St = 1000 · SOTR SSOTR · h D = 1000 · SOTR 3 · SSOTE · h D [m3/h]

Comme l’apport en oxygène a déjà été déterminé pour les conditions de service, il est néces-saire de prendre pour l’absorption d’oxygène spécifique SSOTR et pour le degré d’utilisation d’oxygène spécifique SSOTE les valeurs d’eau pure issues du tableau des données de référence ou des indications des fabricants. Ceci vaut également pour les valeurs indiquées du rendement d’oxygène SAE (kg O2/kWh)qui sont chaque fois rapportées à la puissance absorbée brute issue du secteur.

Le nombre des éléments d’aération résulte de la vitesse de sortie de l’air et de la surface de dégagement de gaz des éléments d’aération :

  • vitesse de sortie de l’air vL (m3/h air par m² surface aérateur : m/h) vL = 20 bis 60 m/h
  • surface de dégagement de gaz des éléments d’aération Ag (0,05 bis 0,30 m² par élément). Il en résulte le nombre d’éléments d’aération n :
Q L,St V L · A g [-]

Le flux de volume d’air nécessaire QL,St est déduit ici comme valeur de pointe à retenir et devrait être atteint avec la vitesse de sortie maximale acceptable vL. Pour l’adaptation de l’apport d’oxygène aux exigences de la nitrification et de la dénitrification une grande plage de régulation (au moins environ 1:10) est nécessaire. Dans des bassins à utilisation alternée, une condition préliminaire impérative est un arrêt complet de longue durée de l’aération sans obstruction des éléments d’aération.