Fiche technique

Conception des stations de pompage des eaux usées municipales

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Cet article fournit des recommandations pour la conception des systèmes de pompage municipaux. Il existe trois types de systèmes de traitement des eaux usées :

1. Municipal

Ces systèmes sont conçus pour desservir une zone de drainage naturel donnée et font partie du réseau d'égouts sanitaires public.

2. Industriel

Ces installations sont conçues pour un secteur d'activité spécifique et, généralement, elles rejettent les eaux usées dans le réseau d'égouts public. Elles appartiennent et sont exploitées par ce secteur.

3. résidentiel

Ces services s'adressent soit aux particuliers, soit aux ensembles résidentiels collectifs.

Ces stations de pompage sont généralement la propriété d'un particulier ou d'un complexe et sont exploitées par celui-ci. Plusieurs normes différentes régissent leur conception à travers le pays. Bien que toutes reposent globalement sur les mêmes principes, certaines différences doivent être prises en compte. Le concepteur doit se familiariser avec la norme en vigueur dans la municipalité. Les lignes directrices suivantes décrivent un système complet, fiable et nécessitant peu d'entretien. L'emplacement de la station de pompage dépend de sa taille. Même les stations de petite et moyenne taille doivent être accessibles aux équipes et au matériel d'entretien ; la facilité d'accès doit donc toujours être un critère primordial.

Dans tous les cas, les stations de pompage doivent être protégées des dommages physiques par un cours d'eau local.

DÉTERMINATION DU DÉBIT

Pour déterminer le débit journalier moyen (DJM), il est nécessaire de définir la zone de desserte. Celle-ci peut comprendre une zone de desserte initiale et une zone de desserte finale. Les données d'occupation du sol de la zone initiale doivent être disponibles auprès des services d'urbanisme locaux ou régionaux. L'occupation future du sol doit être établie en fonction des plans de la zone de desserte. Une fois l'occupation du sol déterminée, on peut calculer une population résidentielle équivalente en multipliant la superficie de chaque catégorie de zonage par le débit estimé pour cette catégorie sur l'ensemble de la zone de desserte.

Le tableau 1 (ci-dessous) illustre le débit estimé des eaux usées pour les terrains non aménagés. Une fois le facteur d'accumulation (FA) déterminé pour la zone de desserte initiale et finale, celui-ci est multiplié par un facteur de pointe afin d'obtenir le débit de pointe.

Ce facteur de pointe varie entre deux et quatre, selon la zone desservie et les exigences locales, comme décrit dans la section 32.38 des Normes recommandées pour les stations d'épuration, édition 1978 (soit les dix normes d'État). Ce facteur de pointe est nécessaire pour que la pompe puisse gérer les variations de débit entrant dans le bassin humide au cours de la journée.

DIMENSIONNEMENT/MATÉRIAU DU FOURGON DE FORCE

Une fois le débit de pointe déterminé, la conduite de refoulement peut être dimensionnée. La vitesse dans cette conduite doit être comprise entre 0,6 m/s (2 pi/s) et 1,5 m/s (5 pi/s). Ceci afin de maintenir les particules solides en suspension, tout en évitant une perte de charge importante. Si le dimensionnement de la conduite de refoulement repose sur un débit initial et un débit limite, la vitesse risque de ne pas être maintenue dans ces plages. En cas de trop grande variation du débit, une solution consiste à installer deux conduites de refoulement pour un meilleur contrôle de la vitesse. Une autre solution consiste à utiliser un variateur de vitesse pour adapter la pompe au débit entrant. Dans ce cas, le système doit être dimensionné pour le débit limite.

Le diamètre minimal des conduites doit être de 10 cm (4 pouces) lorsque des pompes à eaux usées sont utilisées, avec une capacité de passage des solides d'au moins 6,35 cm (2-1/2 pouces), afin de minimiser le risque d'obstruction de la conduite de refoulement. Si des conduites de refoulement de plus petit diamètre sont nécessaires, une pompe broyeuse doit être utilisée.

Les conduites de refoulement peuvent être construites à partir de différents matériaux. Le PVC et le polyéthylène sont les plus couramment utilisés aujourd'hui en raison de leur coût et de leur coefficient de rugosité. La construction des conduites de refoulement doit être similaire à celle des conduites d'eau : des dispositifs de retenue et des blocs doivent être prévus aux coudes et aux tés.

Il convient également de prévoir la dilatation et la contraction de la conduite de refoulement au niveau des joints coulissants. Des purgeurs d'air doivent être installés aux points hauts afin d'éviter les blocages d'air et les phénomènes de siphonage. Des vannes de vide doivent être prévues au besoin pour permettre l'admission d'air après un cycle de pompage. Il est également important de prévoir des regards de visite afin de pouvoir nettoyer les zones susceptibles d'être obstruées, généralement aux points bas ou aux changements de direction.

ANALYSE DE LA COURBE DE TÊTE DU SYSTÈME

Une fois la conduite de refoulement dimensionnée, la courbe de charge du système peut être déterminée. Tous les coudes, raccords, entrées, sorties et longueurs de conduite doivent être pris en compte pour calculer une longueur de conduite équivalente. Les pertes de charge par frottement dans la conduite de refoulement peuvent être calculées à l'aide de l'équation de Hazen-Williams. Connaissant la taille, le matériau et la longueur équivalente de la conduite de refoulement, la courbe de charge du système peut être déterminée.

Les deux éléments de la courbe de charge du système sont

1. la tête statique et 2. la tête de friction.

1. Tête statique La hauteur manométrique est définie comme la hauteur de refoulement verticale du fluide que la pompe doit vaincre. Elle est considérée comme constante après la mise en service de la station, afin d'établir la courbe de hauteur manométrique de référence du système. Elle est définie comme suit :

Hauteur statique = Altitude la plus élevée ouverte à l'atmosphère* moins le point le plus bas du système**

*Il s'agira généralement de la sortie du tuyau.

**Altitude d'arrêt de toutes les pompes (Suggestion : utilisez l'altitude moyenne entre la « pompe principale en marche » et « toutes les pompes arrêtées ». Cela donnera le point médian de la plage de fonctionnement des pompes.)

2. Tête de friction Le débit variera lors de la vidange du puits humide, comme indiqué précédemment. Voir la figure 1 (ci-dessous), qui illustre la plage de pompage due à la variation de la hauteur statique pendant le cycle de pompage.

Dans un système donné, la perte de charge due au frottement variera en fonction du débit, comme défini par l'équation suivante :

HL = 10.4397 (L) (Q)1.85 (C)1.85 (d)4.8655

où,

HL= Perte de charge totale par frottement, en pieds d'eau

L =Longueur équivalente de tuyau de diamètre di pi

C = Coefficient de débit de Hazen-Williams (voir tableau 2)

Q = Débit, gallons par minute (gpm)

d = Diamètre intérieur du tuyau, pouces (in)

Les pertes de charge dans le système doivent être déterminées séparément pour chaque section, en fonction du matériau et du diamètre des conduites, ainsi que du débit. Si plusieurs pompes de même dimension fonctionnent simultanément, le débit de la pompe vers la conduite de refoulement commune est considéré comme égal à un divisé par le nombre de pompes en fonctionnement.

En règle générale, on trace la courbe de hauteur manométrique du système à l'aide d'une dizaine de points, entre 50 % et 150 % du débit nominal. Une courbe de hauteur manométrique distincte est généralement nécessaire pour déterminer la capacité totale d'une station de pompage à fonctionnement multiple. Les systèmes peuvent ensuite être représentés graphiquement. Le calcul de la courbe de hauteur manométrique est présenté dans la section suivante.

CALCULS DE LA POUVOIR DYNAMIQUE ET STATIQUE TOTALE

I. Données de débit de conception de la station de pompage

A. Débit journalier moyen : 122 400 gallons par jour

B. Débit moyen/1 440 : 85 gal/min. Taux de la pompe : 300 % (facteur de pointe) ; 255 gal/min requis.

II. Coefficient de rugosité

C = 120 pour tuyau en fonte ductile (DIP) ; ID DIP = 6 po.

C = 150 pour PVC ; diamètre intérieur PVC = 6 pouces.

III. Longueurs équivalentes et pertes mineures

IV. Tête statique

A. Point culminant du système 475.6

B. Point bas du système : 432.40 ; hauteur statique totale : 43.20

V. Courbes de conception

Calculs de la courbe du système (Voir tableaux A et B.)

Lors du choix d'une pompe adaptée aux besoins du système, son point de fonctionnement doit coïncider au mieux avec le débit nominal et le point de rendement optimal. Le rendement de la pompe est également un facteur important à prendre en compte. Il varie en fonction de la conception de la roue (vortex, semi-ouverte, fermée) et du corps de pompe (concentrique ou convoluté).

Bien que chacune de ces caractéristiques présente des particularités uniques, il est essentiel d'en tenir compte lors du choix d'une pompe afin de garantir sa fiabilité et sa longévité. Si le rendement de la pompe n'est pas indiqué, il est possible de l'obtenir directement auprès du fabricant.

Une fois la pompe sélectionnée, la puissance hydraulique (whp) peut être déterminée, définie comme suit :

ouf = (1) (TDH) /3 960

où,

q = débit de pompage (gpm)

TDH = hauteur manométrique totale (ft) à q

Puissance au frein (ch) = whp/ rendement de la pompe

La courbe de hauteur manométrique du système peut ensuite être tracée sur la courbe de performance de la pompe, pour un fonctionnement en simple ou double pompe, afin de déterminer les points de fonctionnement du système. La variation de la hauteur statique lors de la réduction du niveau d'eau modifie le débit de pompage. Comme illustré sur la figure 2, la plage de pompage normale varie en fonction de la hauteur statique.

DIMENSIONNEMENT DES PUITS HUMIDES

Conception des stations de pompage des eaux usées et pluvialesLa Fédération de lutte contre la pollution de l'eau (Water Pollution Control Federation, Manual of Practice No. FD-4, 1981, p. 18) indique que le bassin de pompage doit être dimensionné de façon à ce que la durée du cycle de chaque pompe ne soit pas inférieure à cinq minutes et que la durée moyenne du cycle ne dépasse pas 30 minutes. Le cycle de fonctionnement le plus court est obtenu lorsque le débit entrant est égal à la moitié du débit de refoulement de la pompe.

Donc, si

V = volume prélevé, gal

q = Débit de refoulement de la pompe, gpm

Q = Débit d'entrée dans le puits humide, gpm

t = Durée minimale d'un cycle de pompage en minutes, début à début

t = (temps de remplissage) + (temps d'exécution)

qui est réduit au volume opérationnel où

Le volume de fonctionnement permet de déterminer la distance verticale entre le flotteur de la pompe principale en marche et celui de toutes les autres pompes à l'arrêt, pour différentes tailles de puits humides. La taille du puits humide peut ensuite être déterminée en fonction du volume de fonctionnement et des besoins en stockage d'urgence.

Le volume de stockage d'urgence dépendra du temps de réponse requis et du débit moyen entrant. Ce volume varie selon les organismes compétents, mais le stockage doit être prévu dans le réseau d'égouts en aval du point de raccordement le plus bas ou du déversoir le plus bas. Le stockage doit se faire dans le regard d'appoint, le bassin de rétention, les conduites d'arrivée d'eaux usées ou les regards de visite en amont.

Une fois la taille du puits humide déterminée, on peut calculer l'écartement entre les flotteurs de la pompe principale (marche) et ceux de la pompe toutes arrêtées. Cet écartement dépend de la taille du puits humide et du débit requis. La distance verticale entre le niveau d'arrêt commun et le fond du puits humide dépend de la pompe choisie. Le niveau d'arrêt commun ne doit pas être inférieur au sommet du corps de pompe ou à la valeur spécifiée par le fabricant, la plus élevée des deux étant retenue. L'écartement entre les niveaux d'eau de tête, de queue et de niveau haut est généralement déterminé par la réglementation locale. Si des flotteurs à mercure sont utilisés, leur espacement doit être d'au moins 15 cm (6 pouces), le niveau d'alarme de niveau haut devant être égal ou inférieur au niveau de la conduite d'égout la plus basse.

Ces paramètres détermineront la profondeur du puits humide, ce qui permettra d'effectuer les calculs de flottabilité. L'analyse de la flottabilité du puits humide déterminera si des méthodes de retenue supplémentaires sont nécessaires. Les équipements mécaniques, le poids de l'eau et autres charges temporaires ne doivent pas être inclus dans l'analyse. L'angle de talus naturel du sol doit être considéré comme nul, sauf si l'analyse du sol justifie une autre valeur. La force de flottabilité est égale au volume déplacé du puits humide et de la dalle de fond multiplié par le poids volumique de l'eau. La force opposée est égale au poids du puits humide, de la dalle de fond, de la dalle supérieure et du sol recouvrant le prolongement de la dalle de fond, le cas échéant. Le coefficient de sécurité est égal à la force opposée divisée par la force de flottabilité. Le coefficient de sécurité doit être supérieur à 1.5.

CALCULS DE PRESSION DU RÉSEAUT ET DE COUP DE BRAS

Le coup de bélier est une augmentation de pression dans une conduite causée par une variation brutale de la vitesse de l'eau. Cette variation de vitesse résulte généralement de la fermeture d'une vanne. D'après le manuel Uni-Bell de conception et de construction de conduites (1986), chapitre V, la surpression maximale rencontrée est fonction de la vitesse de l'onde, comme suit :

a = 4 660 / (1 + (kd/ET)) 1/2

où, a = Vitesse de l'onde (fps)

k = Module de compressibilité du fluide (300 000 psi pour l'eau)

d = – ID du tuyau (en pouces)

E Module d'élasticité du tuyau : 400 000 psi pour le PVC, 24 000 000 psi pour la fonte ductile et 110 000 psi pour le polyéthylène.

t = Épaisseur de la paroi du tuyau (po)

a = 4 660 / ((1 + (k/E) (DR-2))1/2 où,

DR = Rapport de dimension = Diamètre extérieur (po) / Épaisseur de paroi (po) La pression de surpression maximale,

P, alors est égal à P = – aV/2.31g

où, a = Vitesse de l'onde (fps), telle que définie ci-dessus

V = Variation maximale de la vitesse (fps)

g = Accélération due à la gravité (32.2 pi/s²)

Pour déterminer la variation maximale de vitesse, il convient d'envisager le scénario le plus défavorable. Celui-ci se produit lorsque toutes les pompes fonctionnent à leur hauteur manométrique minimale (soit la vitesse maximale qu'elles peuvent produire) et sont soudainement arrêtées. La hauteur manométrique minimale correspond au niveau d'eau maximal dans le système.

Il convient de prendre en compte les conditions d'écoulement limite futures, notamment l'éventuelle installation de pompes plus puissantes dans le puits humide, qui engendreraient des débits et des vitesses plus importants. La méthode actuelle pour résoudre ce problème consiste à sélectionner une pompe adaptée à ces conditions d'écoulement limite et à déterminer son point de fonctionnement à la hauteur manométrique minimale.

La pression totale (pression de surpression plus pression statique) peut alors être comparée à la pression nominale de la conduite.

La rupture par surpression cyclique est un autre facteur à prendre en compte dans le choix du matériau de la conduite de refoulement. Des études ont démontré que dans les réseaux de canalisations où la variation totale des surpressions cycliques atteint ou dépasse 50 % de la pression de service, la conduite de refoulement peut se rompre par fatigue. À mesure que les recherches progressent, la compréhension du phénomène de rupture par fatigue s'affine ; par conséquent, les méthodes de conception permettant de gérer les surpressions cycliques et la fatigue cyclique sont perfectionnées.

À partir d'une analyse de régression de données de recherche relatives aux effets de la surpression cyclique, HW Vinson a développé la formule suivante :

C = (5.05 S. 1021) S -4.906 où,

S = Contrainte circonférentielle maximale (psi)

C = Nombre moyen de cycles avant défaillance Cette formule implique qu'au nombre de cycles défini, C, 50 % des tuyaux en PVC testés ne tomberaient pas en panne.

Il est recommandé d'aborder la conception comme suit :

1. Déterminez la pression maximale, P, à partir du système hydraulique, en incluant la pression de service et la pression de surpression.

Il convient de comparer ce résultat à la résistance supposée de la canalisation.

2. à partir de la résistance supposée du tuyau, déterminer la contrainte circonférentielle maximale admissible [c.-à-d., Organisation internationale de normalisation (ISO) pour les tuyaux en PVC :

S = P(DR 1)/2].

3. Calculer le nombre moyen de cycles avant défaillance.

4. Estimez la durée de vie du système proposé (en années) avant défaillance et comparez-la à sa durée de vie nominale :

C = +24 cycles h h jour X 365 X années jours où,

t = durée minimale d'un cycle de pompage en minutes, de début à début

Les exemples suivants illustrent les calculs de pression de surpression et de surpression cyclique :

Supposons un SDR de 32.5 pour une conduite de refoulement en PVC de 6 pouces.

Pression nominale = 125 psi

Bien que les équations de Vinson relatives aux surtensions cycliques soient des outils utiles pour déterminer la fatigue due aux surtensions cycliques, les ingénieurs doivent prendre en compte les limites de ces équations, qui sont les suivantes :

1. Les formules ont été développées en utilisant de grandes surtensions (25 ou 50 % au-dessus et en dessous d'une pression de base) dans des échantillons de tuyaux en PVC.

2. Les fréquences de cycle étaient de 6 à 10 cycles par minute. Les équations ne tiennent pas compte du phénomène de relaxation des contraintes.

Voici plusieurs considérations de conception qui n'ont pas été abordées, mais qui sont essentielles dans certaines applications.

1. Contrôle des odeurs En règle générale, si le temps de rétention dans le bassin de rétention ou la conduite de refoulement, calculé en fonction du débit moyen, est inférieur à 30 minutes, il ne devrait y avoir que très peu de problèmes. Le bassin de rétention doit être correctement ventilé vers l'atmosphère.

2. Hauteur d'aspiration nette positive (NPSH) Dans les petites et moyennes stations de pompage submersibles, si le corps de pompe est immergé et que le puits humide est ventilé à l'atmosphère, les problèmes devraient être rares. En cas de débits importants, la cavitation peut constituer un risque majeur.

3. Vannes air/vide Selon le profil et la taille de la conduite de refoulement, la pression d'air ou le vide peuvent avoir un impact majeur sur la durée de vie du système. L'emprisonnement d'air peut entraîner une hauteur manométrique excessive que la pompe ne peut compenser, tandis que les fortes pentes descendantes s'ouvrant à l'atmosphère peuvent provoquer une dépression excessive susceptible d'endommager la conduite ou de saturer la pompe, entraînant sa surchauffe et sa destruction.

4. sécurité La conception d'une station de pompage exige un examen des composants du système afin de garantir son fonctionnement en toute sécurité. Les échelles d'accès au puits humide et à la salle des vannes, un palan pour la remontée de la pompe, l'éclairage, la ventilation pour l'évacuation des gaz dangereux et la sécurité du système électrique constituent les principaux éléments de sécurité à prendre en compte.

5. Zones mortes des puits humides Dans tous les puits humides, il existe des zones où les particules solides se déposent. Il est nécessaire d'éliminer ces zones ou de mettre en place un système permettant de remettre les particules en suspension afin qu'elles puissent être entraînées.

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