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balisage lumineux. Dans l'état actuel des choses, le Service des phares et balises du Finistère qui représente avec ses 700 km de côtes 1/6 de la signalisation maritime française comprend 30 phares gardés dont 9 en mer, 80 feux sur support fixe, 55 bouées lumineuses, 105 bouées ordinaires et quelque 200 balises et amers, soit au total environ 470 ouvrages dont la maintenance est assurée par près de 200 agents. La construction des phares en mer sur des rochers isolés le plus au large possible, même sur ceux que recouvrent les hautes mers, à condition de présenter à basse mer une embase de surface suffisante a été particulièrement difficile et périlleuse. A une époque où le personnel et les matériaux étaient transportés sur des chaloupes mues à l'aviron, en suivant les chenaux que parcourent de violents courants, la construction de tours en maçonnerie de moellons et de pierres de taille entraînait des difficultés qu'on a peine à imaginer aujourd'hui ; des années s'écoulaient sans que l'on pût travailler sur une roche plus de quelques marées. C'est ainsi qu'il fallut aux bâtisseurs du phare d'Armen, l'un des plus isolés du monde, 14 ans pour ériger une tour de 35 m de haut (la première année on n'avait pu travailler que 8 h sur la roche). La vie sur ces phares qui ont nom la Vieille, Kéréon, la Jument, le Four, les Pierres Noires ou Armen, n'a rien de comparable certes avec ce qu'elle était il y a 30 ans encore, quand les relèves se faisaient à la voile ou à l'aviron ; néanmoins, les gardiens s'y sentent très isolés malgré le radiotéléphone, la télévision et les relèves plus fréquentes à bord de vedettes bien adaptées. Ces phares sont dans le langage des agents les « enfers » Où il faut avoir servi avant d'obtenir des postes à terre, les « Paradis » que sont Saint-Mathieu, Eckmühl ou Le Portzic. Les îles d'Ouessant et Sein dont les abords sont particulièrement dangereux — les états de sortie des canots de sauvetage sont éloquents à cet égard — constituent deux bases très importantes pour
haut (la première année on n'avait pu travailler que 8 h sur la roche). La vie sur ces phares qui ont nom la Vieille, Kéréon, la Jument, le Four, les Pierres Noires ou Armen, n'a rien de comparable certes avec ce qu'elle était il y a 30 ans encore, quand les relèves se faisaient à la voile ou à l'aviron ; néanmoins, les gardiens s'y sentent très isolés malgré le radiotéléphone, la télévision et les relèves plus fréquentes à bord de vedettes bien adaptées. Ces phares sont dans le langage des agents les « enfers » Où il faut avoir servi avant d'obtenir des postes à terre, les « Paradis » que sont Saint-Mathieu, Eckmühl ou Le Portzic. Les îles d'Ouessant et Sein dont les abords sont particulièrement dangereux — les états de sortie des canots de sauvetage sont éloquents à cet égard — constituent deux bases très importantes pour le service des phares du Finistère ; Ouessant, avec les phares du Créach et du Stiff, abrite la vedette « Ouessantine » chargée du ravitaillement et de la relève des phares en mer de Kéréon et la Jument. Le personnel du grand phare de Sein délivre l'électricité à toute l'île, assure la bonne marche du radiophare et du signal de brume et renseigne les services de la météorologie ; Sein sert en outre de base à la vedette « Velléda » qui assure les relèves des phares d'Armen et de la Vieille. L'équipement du littoral en radiophares constitue avec les signaux sonores un jalonnement destiné à parer aux dangers de la brume. Les radiophares du Créach d'Ouessant, de l'île de Sein, d'Eckmühl, de l'Île Vierge et de Saint-Mathieu permettent de prendre trois relèvements différents et, par conséquent, de tracer sur la carte trois droites formant un petit triangle dans lequel se trouve le point du navire. Bien mieux, ces radiophares, échelonnés le long d'une côte convexe, permettent aux navires de « prendre du tour » en cas de mauvais temps — tempête ou brume — et de se tenir en sécurité au large, quitte à allonger un peu leur parcours,
assure la bonne marche du radiophare et du signal de brume et renseigne les services de la météorologie ; Sein sert en outre de base à la vedette « Velléda » qui assure les relèves des phares d'Armen et de la Vieille. L'équipement du littoral en radiophares constitue avec les signaux sonores un jalonnement destiné à parer aux dangers de la brume. Les radiophares du Créach d'Ouessant, de l'île de Sein, d'Eckmühl, de l'Île Vierge et de Saint-Mathieu permettent de prendre trois relèvements différents et, par conséquent, de tracer sur la carte trois droites formant un petit triangle dans lequel se trouve le point du navire. Bien mieux, ces radiophares, échelonnés le long d'une côte convexe, permettent aux navires de « prendre du tour » en cas de mauvais temps — tempête ou brume — et de se tenir en sécurité au large, quitte à allonger un peu leur parcours, au lieu de s'approcher des redoutables écueils. Par ailleurs, une station de radio navigation à grande portée, du système Consol, a été installée à Plonéis. À côté de Quimper ; elle est utilisée aussi bien par les aéronefs que par les chalutiers en nombre de plus en plus grand. Ce poste de radiodirection complète un réseau européen de radiophares Consol comprenant : Stavanger (Norvège), Bush Mills (Irlande du Nord). Lugo et Séville (Espagne). Le balisage radio-électrique du littoral finistérien comprend également une chaîne de radiolocalisation Toran en Bretagne Sud qui sera complétée par une chaîne du même type sur la côte Nord du Département. Le centre de balisage de Brest dispose d'un équipement moderne pour veiller au bon fonctionnement de toutes ces installations ; il est en liaison radiotéléphonique permanente avec les phares en mer et les navires ce qui permet en particulier d'effectuer avec une régularité infiniment plus grande qu'auparavant, les opérations de relève des gardiens qui ont lieu, en principe, toutes les semaines ; quand vient la tempête, le personnel de chacun des phares indique à chaque instant l'état de la mer, de sorte que la relève peut être faite en profitant de la première circonstance favorable. Brest
poste de radiodirection complète un réseau européen de radiophares Consol comprenant : Stavanger (Norvège), Bush Mills (Irlande du Nord). Lugo et Séville (Espagne). Le balisage radio-électrique du littoral finistérien comprend également une chaîne de radiolocalisation Toran en Bretagne Sud qui sera complétée par une chaîne du même type sur la côte Nord du Département. Le centre de balisage de Brest dispose d'un équipement moderne pour veiller au bon fonctionnement de toutes ces installations ; il est en liaison radiotéléphonique permanente avec les phares en mer et les navires ce qui permet en particulier d'effectuer avec une régularité infiniment plus grande qu'auparavant, les opérations de relève des gardiens qui ont lieu, en principe, toutes les semaines ; quand vient la tempête, le personnel de chacun des phares indique à chaque instant l'état de la mer, de sorte que la relève peut être faite en profitant de la première circonstance favorable. Brest est également le port d'attache du baliseur « Georges de Joly » du nom de l'Ingénieur qui construisit le phare d'Armen. Ce navire couvre une zone s'étendant du Cap de la Hague à la limite Nord du Département du Morbihan ; il est spécialement chargé du mouillage, du relevage et du ravitaillement en gaz des bouées. Son action est complétée par celle des deux vedettes ravitailleurs de phare et des deux bateaux de travaux basés respectivement à Morlaix et Concarneau. Le seul Centre de formation des électromécaniciens de phares de France fonctionne à Brest où nous recevons chaque année des stagiaires tant Français qu'issus des anciens pays de la communauté. Grâce à ces dispositions, le fonctionnement des installations, et notamment des feux non gardés en mer, s'effectue dans des conditions convenables de sécurité ; les extinctions accidentelles sont relativement rares et, sauf cas exceptionnel, de courte durée. En résumé, à raison de l'importance du trafic, de la fréquence de la brume et de la présence d'amas de récifs, le service des phares et balises a dû, dans le Finistère, faire une large application de tous les moyens techniques dont il disposait. C'est ainsi que l'énergie éolienne est maintenant largement utilisée
du ravitaillement en gaz des bouées. Son action est complétée par celle des deux vedettes ravitailleurs de phare et des deux bateaux de travaux basés respectivement à Morlaix et Concarneau. Le seul Centre de formation des électromécaniciens de phares de France fonctionne à Brest où nous recevons chaque année des stagiaires tant Français qu'issus des anciens pays de la communauté. Grâce à ces dispositions, le fonctionnement des installations, et notamment des feux non gardés en mer, s'effectue dans des conditions convenables de sécurité ; les extinctions accidentelles sont relativement rares et, sauf cas exceptionnel, de courte durée. En résumé, à raison de l'importance du trafic, de la fréquence de la brume et de la présence d'amas de récifs, le service des phares et balises a dû, dans le Finistère, faire une large application de tous les moyens techniques dont il disposait. C'est ainsi que l'énergie éolienne est maintenant largement utilisée dans les installations isolées. Telles qu'elles fonctionnent actuellement, on peut dire que les installations contribuent à réduire dans une proportion importante les pertes en matériel et, dans une proportion considérable, les pertes en vies humaines. Mesure de la capacité d'oxygénation dans les stations de traitement à boues activées en mélange intégral P. BOUTIN I.C.G.R.E.F. professeur à l'école nationale de la santé publique A. VACHON I.T.E.R., I.G.S. ingénieur à l'agence financière de bassin Loire-Bretagne J.P. BECHAC I.T.E.R., I.G.S. professeur à l'école nationale de la santé publique B. LOPEZ I.T.E.R. assistant à l'école nationale de la santé publique 1 Introduction La fourniture de l'oxygène indispensable à la vie des boues activées constitue une part importante des frais d'exploitation d'une station de traitement biologique d'eaux résiduaires. Cet oxygène provient habituellement de l'air atmosphérique (des travaux sont en cours pour l'utilisation d'oxygène pur ou d'air enrichi), et il est dissous soit par injection d'air dans l'eau, soit par projection d'eau dans l'air. L'oxygène dissous doit être ensuite transféré au lieu même de son utilisation, c'est-à-dire aux enzymes respiratoires des cellules, et cela à un rythme tel que l'oxygénation ne limite pas l'activité bactérienne. La plupart des micro-organismes épurateurs sont du type micro-aérophile, c'est-à-dire qu'ils
intégral P. BOUTIN I.C.G.R.E.F. professeur à l'école nationale de la santé publique A. VACHON I.T.E.R., I.G.S. ingénieur à l'agence financière de bassin Loire-Bretagne J.P. BECHAC I.T.E.R., I.G.S. professeur à l'école nationale de la santé publique B. LOPEZ I.T.E.R. assistant à l'école nationale de la santé publique 1 Introduction La fourniture de l'oxygène indispensable à la vie des boues activées constitue une part importante des frais d'exploitation d'une station de traitement biologique d'eaux résiduaires. Cet oxygène provient habituellement de l'air atmosphérique (des travaux sont en cours pour l'utilisation d'oxygène pur ou d'air enrichi), et il est dissous soit par injection d'air dans l'eau, soit par projection d'eau dans l'air. L'oxygène dissous doit être ensuite transféré au lieu même de son utilisation, c'est-à-dire aux enzymes respiratoires des cellules, et cela à un rythme tel que l'oxygénation ne limite pas l'activité bactérienne. La plupart des micro-organismes épurateurs sont du type micro-aérophile, c'est-à-dire qu'ils se satisfont d'une faible teneur en oxygène dissous (de 0,5 à 0,8 mg/1 au voisinage immédiat des cellules). Technologiquement, il n'est cependant pas souhaitable de s'en tenir à cette valeur plancher, même avec une régulation automatique du taux d'oxygène dans le bassin d'aération. La respiration des boues pendant les cycles qui les ramènent périodiquement vers l'aérateur provoque l'apparition d'hétérogénéités qui peuvent dépasser 0,5 mg/1 même dans un bassin bien brassé, et on sait qu'on ne peut accorder une confiance absolue aux indications d'un doseur d'oxygène qui ne serait pas très fréquemment contrôlé et réétalonné, surtout pour d'aussi faibles valeurs de la variable à mesurer. En pratique, de nombreux chercheurs, et notamment Wuhrmann [15], ont montré que l'activité des boues activées était indépendante de la teneur en oxygène au-dessus d'un seuil qui se situe vers 1 mg/1, à condition que la turbulence, donc le renouvellement du combustible au niveau de la cellule, soit suffisante [2]. Dans ces conditions, il semble raisonnable de choisir une concentration en oxygène à maintenir en permanence qui ne soit pas inférieure à 1 mg/1 dans des installations courantes. Ce n'est qu'assez récemment que l'intérêt s'est porté sur les performances des aérateurs utilisés en épuration des eaux.
qui les ramènent périodiquement vers l'aérateur provoque l'apparition d'hétérogénéités qui peuvent dépasser 0,5 mg/1 même dans un bassin bien brassé, et on sait qu'on ne peut accorder une confiance absolue aux indications d'un doseur d'oxygène qui ne serait pas très fréquemment contrôlé et réétalonné, surtout pour d'aussi faibles valeurs de la variable à mesurer. En pratique, de nombreux chercheurs, et notamment Wuhrmann [15], ont montré que l'activité des boues activées était indépendante de la teneur en oxygène au-dessus d'un seuil qui se situe vers 1 mg/1, à condition que la turbulence, donc le renouvellement du combustible au niveau de la cellule, soit suffisante [2]. Dans ces conditions, il semble raisonnable de choisir une concentration en oxygène à maintenir en permanence qui ne soit pas inférieure à 1 mg/1 dans des installations courantes. Ce n'est qu'assez récemment que l'intérêt s'est porté sur les performances des aérateurs utilisés en épuration des eaux. On peut s'attendre à ce qu'elles fassent désormais l'objet d'une attention accrue, du fait de l'augmentation du prix de l'énergie. Constructeurs, maîtres d'oeuvre et d'ouvrage, utilisateurs, souhaitent vivement disposer de moyens de contrôle autres que la considération d'une facture d'électricité. Or la mesure des performances des aérateurs est encore le sujet de nombreuses discussions. Parmi les techniques proposées, celles qui opèrent en eau claire comptent parmi les plus simples et les plus sûres [6], mais elles ne sont évidemment pas applicables à une station en fonctionnement, qu'il est en pratique impossible de vider de ses boues. C'est dire l'intérêt des méthodes de détermination des rendements dans les stations en boues, sur lesquelles il sera donc surtout insisté ici, après une rapide revue des conditions de transfert de l'oxygène dans l'eau et la définition des paramètres qui permettent d'évaluer l'apport d'oxygène par les aérateurs. 2 — Le transfert d'oxygène [5] 2.1. — Équation de base La théorie du « double film » de Whitman et Lewis décrit, en régime stationnaire, l'absorption des gaz dans les liquides. La réaction se produit entre une pellicule mince de gaz et une pellicule de liquide, à l'interface gaz-liquide. Le transfert d'oxygène s'effectuerait en trois phases
sujet de nombreuses discussions. Parmi les techniques proposées, celles qui opèrent en eau claire comptent parmi les plus simples et les plus sûres [6], mais elles ne sont évidemment pas applicables à une station en fonctionnement, qu'il est en pratique impossible de vider de ses boues. C'est dire l'intérêt des méthodes de détermination des rendements dans les stations en boues, sur lesquelles il sera donc surtout insisté ici, après une rapide revue des conditions de transfert de l'oxygène dans l'eau et la définition des paramètres qui permettent d'évaluer l'apport d'oxygène par les aérateurs. 2 — Le transfert d'oxygène [5] 2.1. — Équation de base La théorie du « double film » de Whitman et Lewis décrit, en régime stationnaire, l'absorption des gaz dans les liquides. La réaction se produit entre une pellicule mince de gaz et une pellicule de liquide, à l'interface gaz-liquide. Le transfert d'oxygène s'effectuerait en trois phases : 1 — les molécules d'oxygène atmosphérique sont instantanément adsorbées à la surface du film liquide, 2 — elles sont transférées à travers le film liquide par diffusion moléculaire, 3 — l'oxygène est enfin mélangé à la masse liquide par diffusion, convection et turbulence. La différence de concentration entre la surface de la couche liquide et sa base détermine la vitesse de dissolution du gaz, soit : dm/dt = − DL . A . dC/dy avec dm/dt = vitesse de dissolution du gaz ; dC = différence de concentration dans la couche liquide ; dy = épaisseur de la couche liquide ; DL = coefficient de diffusion ; A = surface de transfert. Whitman et Lewis admettent que la concentration d'oxygène à l'interface est la valeur de saturation Cs. Si C est la concentration mesurée dans la masse du liquide, il vient : dm/dt = V dC/dt = (DL/YL) A (Cs − C) (2) où V est le volume du liquide et YL l'épaisseur du film liquide. On obtient finalement dC/dt = (DL/YL) (A/V) (Cs − C) (3) ou encore dC/dt = K (Cs − C) (4) K est le coefficient d'aération, d'équation aux dimensions [T-1] (KLa des auteurs anglo-saxons).
surface de la couche liquide et sa base détermine la vitesse de dissolution du gaz, soit : dm/dt = − DL . A . dC/dy avec dm/dt = vitesse de dissolution du gaz ; dC = différence de concentration dans la couche liquide ; dy = épaisseur de la couche liquide ; DL = coefficient de diffusion ; A = surface de transfert. Whitman et Lewis admettent que la concentration d'oxygène à l'interface est la valeur de saturation Cs. Si C est la concentration mesurée dans la masse du liquide, il vient : dm/dt = V dC/dt = (DL/YL) A (Cs − C) (2) où V est le volume du liquide et YL l'épaisseur du film liquide. On obtient finalement dC/dt = (DL/YL) (A/V) (Cs − C) (3) ou encore dC/dt = K (Cs − C) (4) K est le coefficient d'aération, d'équation aux dimensions [T-1] (KLa des auteurs anglo-saxons). Si on introduit le déficit d'oxygène O = Cs − C, il vient immédiatement : dO/dt = KD (5) 2.2. — Couple aérateur-bassin Lorsque l'eau est en mouvement, la couche liquide à l'interface est remplacée par de l'eau à une concentration en oxygène plus faible. Il en résulte un gradient d'oxygène plus élevé à ce niveau, et une valeur accrue de K. Ainsi, pour une dissolution rapide, il faut non seulement maintenir un fort déficit en oxygène, mais aussi obtenir un renouvellement rapide et continuel de l'interface par agitation du milieu liquide. Un brassage énergique assure en outre un transfert rapide de l'oxygène dans tout le volume du bassin et sa diffusion par microturbulence, tout en prévenant la formation de zones mortes où pourraient intervenir des dépôts de boues. Pour un régime donné d'utilisation du système d'aération, on conçoit bien que le mouvement du liquide engendré par l'aérateur dépend fortement des caractéristiques de volume et de forme du bassin d'aération. Or ce mouvement conditionne le taux de renouvellement à l'interface, l'allure des circuits généraux de l'eau et la microturbulence, tous facteurs qui interviennent dans le transfert d'oxygène [11]. C'est pourquoi les performances obtenues avec un même aérateur dans des bassins
d'oxygène plus élevé à ce niveau, et une valeur accrue de K. Ainsi, pour une dissolution rapide, il faut non seulement maintenir un fort déficit en oxygène, mais aussi obtenir un renouvellement rapide et continuel de l'interface par agitation du milieu liquide. Un brassage énergique assure en outre un transfert rapide de l'oxygène dans tout le volume du bassin et sa diffusion par microturbulence, tout en prévenant la formation de zones mortes où pourraient intervenir des dépôts de boues. Pour un régime donné d'utilisation du système d'aération, on conçoit bien que le mouvement du liquide engendré par l'aérateur dépend fortement des caractéristiques de volume et de forme du bassin d'aération. Or ce mouvement conditionne le taux de renouvellement à l'interface, l'allure des circuits généraux de l'eau et la microturbulence, tous facteurs qui interviennent dans le transfert d'oxygène [11]. C'est pourquoi les performances obtenues avec un même aérateur dans des bassins différents sont parfois peu comparables. 2.3. — Apport d'oxygène (fig. 1) En eau claire, l'introduction d'oxygène dans l'eau est régie par les équations (4) ou (5), qui s'intègrent immédiatement en : La représentation graphique de la concentration en oxygène en fonction du temps est une branche d'exponentielle ayant Cs pour asymptote. La détermination de K peut se faire aisément en portant sur un graphique semi-logarithmique (Cs − Co)/(Cs − C) en fonction du temps [3]. En boue activée, si l'on suppose l'activité métabolique de la boue constante pendant la durée de l'expérimentation, celle-ci se traduit par une consommation d'oxygène R par unité de volume et de temps. Le déficit d'oxygène tend à être comblé par absorption à partir de l'air, et augmenté par la respiration bactérienne. D'où : Fig. 1 Remontée de la concentration de l'oxygène dissous lors d'un essai d'aération. dO/dt = KD + R (8) À l'équilibre, dO/dt = 0 et Oeq = R/K. (9) On n'atteindra donc pas la concentration à saturation Cs mais une valeur d'équilibre inférieure, Ceq : Ceq = Cs R/K (10) 2.4. — Facteurs modifiant les conditions du transfert d'oxygène Pour un couple aérateur-bassin donné, la nature du liquide, la température, la pression
asymptote. La détermination de K peut se faire aisément en portant sur un graphique semi-logarithmique (Cs − Co)/(Cs − C) en fonction du temps [3]. En boue activée, si l'on suppose l'activité métabolique de la boue constante pendant la durée de l'expérimentation, celle-ci se traduit par une consommation d'oxygène R par unité de volume et de temps. Le déficit d'oxygène tend à être comblé par absorption à partir de l'air, et augmenté par la respiration bactérienne. D'où : Fig. 1 Remontée de la concentration de l'oxygène dissous lors d'un essai d'aération. dO/dt = KD + R (8) À l'équilibre, dO/dt = 0 et Oeq = R/K. (9) On n'atteindra donc pas la concentration à saturation Cs mais une valeur d'équilibre inférieure, Ceq : Ceq = Cs R/K (10) 2.4. — Facteurs modifiant les conditions du transfert d'oxygène Pour un couple aérateur-bassin donné, la nature du liquide, la température, la pression partielle de l'oxygène, jouent un rôle important, en modifiant les valeurs de : Cs (solubilité de l'oxygène dans le liquide), K (coefficient d'aération). 2.4.1. Facteurs modifiant Cs La valeur de la concentration à saturation diminue fortement lorsque la température augmente (12,4 mg/l à 5° C ; 8,1 mg/l à 25° C). Sous 760 mm de mercure, on peut retenir la formule simple : Cs (mg/l) = 475/(33,5 + T) (11) avec T = température (° C) La pression atmosphérique intervient également en faisant varier la pression partielle de l'oxygène proportionnellement au rapport de la pression observée à la pression normale (760 mm Hg). La correction n'est pas négligeable dès que l'altitude dépasse quelques centaines de mètres. Elle atteint 15 ou 20 % en montagne parfois même plus en haute altitude. Peuvent également intervenir les matières dont l'eau est chargée. Il est exceptionnel que la salinité de l'eau soit suffisante pour diminuer Cs de façon appréciable ; par contre, les agents tensioactifs (détergents, huiles) et les matières en suspension contribuent à en réduire la valeur de quelques centièmes. 2.4.2. Facteurs ayant une influence sur K Le coefficient d'aération K augmente si la température du liquide s'élève. Les résultats expérimentaux obtenus en