Etat des connaissances et perspectives de caractérisation des

sables d'assainissement

Pascal Molle – Abdel LakelCemagref – Lyon – CSTB – Nantes

6ème assises de l’ANC – 1 Nov 2009

•Description du sable : le fuseau granulométrique du DTU 64.1 demeure inchangé au cours des différentes versions – Fuseau très (trop ?) ouvert• Aucune recommandation sur la mise en œuvre du sable (état de serrage)

Fuseau du DTU

Quels risques ?

Le fuseau est relativement large : sable fin à sable grossier

Comportements différents du système

Quelles conséquences en terme

d’hydraulique ?de performances ?de pérennité ?

physique

porosité

tassement

Quelle mise en oeuvre ? Quel dimensionnement suivant le sable utilisé ?

Méthodologie

Echelle pilote •Caractérisation «paramétrique» des sables

• hydrodynamique (rétention en eau…)• relargage des ions calcium• rétention des matières en suspension• aération des massifs

•Caractérisation «multi -paramétrique» des sables• performances épuratoires

Plate-forme à échelle 1 => Validation

Approche «systémique»

Sable

Gravier

Terre végétale

Gravier

Géogrille

Frange capillaire

Géotextile

Approche scientifique

Approche scientifique

Tassement des sables

Influence sur la porosité du milieu

0,852,4d60 (mm)

0,330,8d10 (mm)

34,636,6Porosité min (%)

17,3416,81Compacté : densité

(kN/m3)

43,544,4Porosité max (%)

14,9814,74Foisonné : densité (kN/

m3)

Sable finSable grossierSable

Tassement des sables

Influence sur la perméabilité du milieu

Perméabilité de Darcy

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-03

1.0E-02

1.0E-01

12.5 13.5 14.5 15.5 16.5 17.5Densité (kN/m3)

perméabilité (m.s-1)

Sograp Lafarge Roulé Sograp Concassé SograpSable grossier Sable fin Sable fin concassé

Rétention en eau

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0-0,31

5

mélang

e

0,315

-1

la floren

taise

2-4

sépio

lite

4-8

volu

me

d'ea

u en

mL

volume de rétention dynamique

volume de rétention statique

4925434560Temps de séjour moyen (min)

sépioliteFlorentaise0,315-1mélange0-0,315Matériaux

Tassement des sables

Influence sur la filtration sur 10 cm de matériaux

0

1

2

3

4

5

6

0,01 0,1 1 10 100 1000 10000Taille des particule (mm)

% v

olu

me

entrée

Sable fin foisonné

Sable fin compacté

sable grossier foisonné

sable grossier compacté

Tassement des sables

Influence sur la filtration sur 10 cm de matériaux

0

1

2

3

4

5

6

0,01 0,1 1 10 100 1000 10000Taille des particule (mm)

% v

olu

me

entrée

Sable fin foisonné

Sable fin compacté

sable grossier foisonné

sable grossier compacté

Tassement des sables

Masque PowerPoint pour ANC5

Filtre 1. Sable mis en place à la pelle sous forme foisonnée et non compacté (Idem DTU-64.1)Filtre 2. sable tassé au jet avec de l’eau propre sur la surface

Distribution de surface

L’écoulement se fait toujours à la première fente du tube d’alimentation.

Distribution de surface

Répartition très hétérogène

Tassement localisé du filtre

Colmatage localisé

Observations sur la répartition

-1 cm

-4 cm

-2.5 cm

-6 cm

-2.5 cm

Tassement / planéité du réseau d’alim. ?

Sable foisonné : tassements importants

Sable compacté hydrauliquement : tassement plus faible

Tassement des sables

Écoulement de l’eau et oxygène

Les charges reçues : quelle réalité ?

En surface :

Dans le tube de distribution, l’eau ne va jamais au-delà de la 1ère fenteCharges hydrauliques pouvant être de 10 à 20 supérieures à celle théorique

(30mm/m2/jour) si l’on ne considère que les zones réellement arrosées.

Au fond :

60 %83 %Maximum (colmaté)

40 %29 %Minimum

CompactéfoisonnéSurface concernée par les écoulements au fond

Cinétique de relargage du calcium

Prélèvement

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0 1000 2000 3000 4000 5000

temps(mn)

[Ca2+]

Relargage du calcium

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

temps(mn)

[Ca2+]

pH=3,3

pH=5,2

pH=7

0

20

40

60

80

100

0,01 0,1 1 10 100

Taille des particules (mm)

% passants

Ex. Sable à 17 % de CaCO 3

Cinétique de relargage du calcium

Pompe péristaltique

Matériau

Rétention des MES par les massifs :Rétention des MES par les massifs :Schéma du dispositif expérimentalSchéma du dispositif expérimental

Agitateur magnétique

5 colonnes de 1, 5, 10, 20, et 50 cm de hauteur

Rétention des MES

Rétention des MES

Matériaux Rendement d'élimination η (50 cm)

sable 0-0,315 Colmatage

mélange Colmatage

sable 0,315 33 %

sable la florentaise 33 %

sépiolite 97 %

Tableau 4 : Rendement d'élimination η des différents matériaux.

Aération des massifs

Oxymètre + acquisition de données

Pompe péristaltique

Eau désoxygénée Agitateur magnétique

Sonde

0

2

4

6

8

10

12

0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0Temps (heures)

[O2]

dis

sou

s en

mg

/L

florentaise + gravier + terre

florentaise

florentaise 2nd essaiflorentaise + gravier + terre argileuse

y = -0,2122x + 1,7616

R2 = 0,9977

y = -0,2491x + 2,0962

R2 = 0,9971

y = -0,1799x + 2,2083

R2 = 0,9988

y = -0,145x + 2,0857

R2 = 0,9891

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0

Temps (heures)

ln(C

o-C

)

florentaise + gravier + terreflorentaiseflorentaise 2nd essaiflorentaise + gravier + terre argileuse

Aération des massifs

Performances épuratoires

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Gneiss

0 - 2

mm

Sable

marin

Sable

Floren

taise

Sable

0,315

- 1 m

m

Pouzz

olane

Sable

2 - 4

mm

Mélang

e de s

ables

Effluen

t Sep

tique

mg/

L

MES COT

Une nouvelle plateforme d’essais d’épuration

Des parcelles d’infiltration en vraie grandeur, modulaires avec nappe dynamique

Une fosse climatique capable de tester des procédés à échelle 1 (4 à 30 °C)

Dispositifs expérimentaux à échelle 1 (AQUASIM)

Conclusion

Définition des caractéristiques des matériaux

Etude de leur comportement biologique

Définition de critères de choix Définir des seuils de validité basés sur des

caractéristiques ciblées comme déterminantes Pour chaque “famille” de sable

Des recherches et des retours terrains sont nécessaires

Conclusion : caractérisation des sables

Caractérisations physiques Granulométrie, porosité, surface développée, facteur

de forme, friabilité (Los Angeles, Micro Deval) Minéralogie – dissolution Pouvoir de filtration

Caractéristiques hydrauliques Ks, Temps de Grant, humidité résiduelle Courbes de rétention (K(θ)) capacité d’oxygénation du milieu

Biologique Influence de la biomasse Rendements épuratoires pérennité

Programme de recherche mené par • le Cemagref : caractérisation physique,• le CSTB : approche systémique,• des instances locales : expérimentations in situ

Durée : 3 ansProjet à l’étude sous l’égide de l’AFNOR

Etude nationale sur les sables