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
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