I. — Expériences de Lawrence avec les lits bactériens

Les expériences de huit années relatées par H, W, Clarck^ sont la continuation de celles de Hiram Mills qui ont servi de base à nos connaissances actuelles sur les procédés biologiques d*épuration des eaux d'égout.

En juin 1889, à la suite d'expériences avec des lits de pierres cassées et de gros gravier, Milk établit que Tépuralion de Teau d'égout par nitrification et Télimination des bactéries ne sont pas des phénomènes mécaniques, mais proviennent de transformations chimiques, résultant du lent passage du liquide en mince couche sur la surface des pierres au large contact de Pair.

Les lits percolateurs ne peuvent pas être substitués aux filtres à sable qui retiennent pratiquement toutes les matières en suspension dans Teau d'égout, mais ils permettent Toxydation totale des matières putrescibles de Teau en laissant passer dans Teffluent la plupart des produits de cette oxydation et les substances difficilement décomposables.

Avec des lits de matériaux fins de 5 mètres ou 5",30 de profondeur, Teau d*égout de Lawrence peut être épurée au taux de l'"',763 par mètre carré et par jour. L effluent est bien nitrifié et presque toujours imputrescible, mais contient des matières en suspension. Dans certains cas cet effluent peut être évacué tel quel, mais le plus souvent on trouvera nécessaire de le faire passer dans un bassin de décantation ou de le filtrer sur sable.

f*) Résumé d'une note de H.-W. Clarck, Engineering News, \\ août 1907.

Lorsque Teau d*égout subit un traitement préliminaire, fosses septiques ou bassins de décantation, on peut accroître le volume traité.

Dans les lits de pierres cassées de 6 à 25 millimètres de diamètre, les eaux déversées au taux de t"',109 par mètre carré et par heure traversent 0'",75 par heure et cette vitesse de translation peut être triplée dans les lits profonds, sans nuire à Tépuration. Avec un lit composé de pierres en couches séparées de grosseurs variables de 150 à 200 millimètres, puis de 100 à 150 millimètres, puis de 50 à 100 millimètres, puis de 12 à 50 millimètres et enfin une mince couche de coke et de charbon, avec un déversement égal, les eaux ont une vitesse de translation de 1",80 par heure. Dans les lits de scories Teau passe plus lente ment à taux de déversement égal par suite de la rugosité de la surface des matériaux, car la surface de ruissellement est plus grande que pour les pierres. Aussi ces lits sont-ils plus efficaces à profondeur égale que ceux de pierres. La vitesse de translation de Teau est moitié moins grande que pour les lits de pierres de même grosseur. Cependant ces lits de scories ont le grave désavantage de se désagréger et on ne peut s'en procurer partout économiquement, tandis que les pierres se trouvent toujours sur place. De plus on peut craindre avec les lits de scories, plus qu'avec ceux de pierres, de retenir les matières déversées et, par suite, le colmatage.

La nitrification est d'autant plus active que le lit est plus profond. Toutes conditions égales, un lit de 3 mètres de profondeur laissera écouler un effluent contenant 4 fois plus de nitrates qu'un lit de 1",50 de profondeur : en d'autres termes, en doublant la profondeur du lit, on quadruple la nitrification. Si on en juge par les tests de putrescibilité, l'efficacité des lits ne s'accroît pas d'une façon aussi importante avec la profondeur des lits, mais cependant elle s'accroît rapidement.

Les essais ont été effectués avec des distributeurs par gravitation. D'un tuvau recourbé, l'eau tombe sur une sorte de petite cuvette qui la fait jaillir autour d'elle circulairement.

Pendant l'hiver 1906-1907, par un froid allant à —21" il a été possible d'employer ces lits. Or on sait que les lits de grande

surface doivent être allentivemenl surveillés Thiver pour que les distributeurs fonctionnent toujours.

Lorsque la surface se colmate par suite de la multiplication trop intense de moisissures et de petits vers ou de zooglées microbiennes, on peut l'arroser avec un peu de sulfate <le cuivre qui les fait disparaître. Le lit continue ensuite à donner de bons résultats.

IL — Étude des distributeurs pour lits bactériens A percolation(').

La principale difficulté technique dans la construction des distributeurs consiste à assurer une efficace distribution des eaux à épurer sur les lits. Les eaux doivent être déversées lentement et également sur toute la surface du lit el, de plus, complètement aérées; en d'autres termes elles doivent être distribuées en fines gouttelettes.

Le distributeur Stoddart et les différents types de sprinklers mobiles employés en Angleterre sont théoriquement parfaits, et les insuccès, quand il y en a, sont dus aux imperfections de construction ou au manque de soins dans l'entretien. D'un autre côté, les becs pulvérisateurs fixes et le système de distribution par gravitation couvrent seulement une partie de la surface du filtre. Dans ce cas les eaux mouillent un cercle soit seulement 78 pour 100 de la surface environnante.

Pour étudier quantitativement Tefficacité de distribution des différents systèmes, on construisit l'appareil suivant : il consiste en un bassin circulaire en béton de ciment de 4"20 de diamètre, dont le fond est en penle vers un tube central en communication avec un tuyau de 50 millimètres passant sous le fond. A ce tube sont fixés les divers appareils distributeurs. Au tube central est ajusté un collier en fer, pouvant tourner librement, supportant la pointe d'une plate-forme en bois couvrant un secteur de 30**, de 150 millimètres de hauteur, et divisée en 12 compartiments par des cloisons concentriques espacées de 157 millimètres. Quand celte cuve tournait autour

(*) D'après Winslow, Phelps, Story el Mac Rac, Technology Qualerly, septembre 1907, Boston (Massachussets).

du tube de distribution, pendant la durée d'une expérience, Tégalité de distribution était mesurée par la quantité d'eau récoltée dans les différents compartiments; dans les positions flxes variées, Tauge donnait les inégalités radiales.

Le tube de distribution du centre du bassin était muni à son autre extrémité d'un faisceau vertical de tubes courts de 50 millimètres, dont on employait un nombre voulu pour régler le débit. Au sommet du faisceau était une boîte en bois, alimentée par un tuyau, avec un trop-plein juste au-dessous du sommet. La différence entre le niveau de l'eau dans cette boîte et le niveau du bec pulvérisateur au centre du bassin représentait approximativement la pression effective dans la distribution. Le taux d'écoulement était, par suite, déterminé d'après la pression et le bec employé. Il était estimé dans chaque cas par la décharge totale d'un bassin mesureur et par le temps d'écoulement.

Pour l'étude des distributeurs par gravitation on disposait au-dessus et à une hauteur déterminée un caniveau maintenu par deux tiges traversant diamétralement le bassin. Un orifice de 18 millimètres permettait l'écoulement de l'eau qui jaillissait en tombant sur un disque. Le volume d'eau écoulée est, dans certaines limites, avec ce distributeur, indépendant de la hauteur de chute : aussi a-t-on simplement fait varier les orifices, dont la section permettait de calculer le débit.

Chaque compartiment de la cuve a été jaugé de façon à savoir à quel volume correspondait chaque hauteur de liquide.

Pour l'expérience, la cuve était tournée lentement à la main et on l'arrêtait lorsqu'un des compartiments était presque plein. On notait le temps et le volume d'eau écoulés.

Calcul du coefficient d'efficacité des distributeurs. — Le distributeur est un jet pulvérisant l'eau sur une surface circulaire. Suivant un rayon de cette surface, on dispose une série de petites cuves carrées, de surface connue qu'on peut prendre comme unité; on suppose, de plus, que la distribution le long de ce rayon est la même que celle effectuée sur les autres rayons. Les variations selon les rayons seront minimes et la supposition peut être complètement réalisée, si l'on fait tourner cette série de petites cuves autour du centre du cercle, pendant l'expérience. Lorsque celle-ci aura une durée suffi-

santé, on Tarrôte et on mesure le volume d'eau récoltée dans chaque cuve.

A titre d'exemple le tableau suivant montre les résultats obtenus :

Distance

Quantité

Quantités

radiale

d'eau

en excès

Cuve.

DxQ

(ExQ).

D X Ex Q.

Totaux. . 50 73,1 13,43

Dans la 1" colonne sont donnés les numéros des cuves, le n"* 1 étant au centre. Dans la colonne 2 (D) sont données les distances du centre du distributeur au centre de la cuve, le côté de la cuve étant pris pour unité de distance. Dans la 3* colonne (Q) sont données les quantités d'eau mesurées dans chaque cuve après Texpérience. Aucune unité de volume ne dut être employée puisqu'il suffisait de connaître les hauteurs d'eau dans chaque cuve, celles-ci étant proportionnelles aux volumes.

Si Ton porte les valeurs de Q en ordonnées et celles de D en abscisses, on obtient une courbe montrant la distribution relative de Teau suivant le rayon (fig. 11). Cette courbe (A) montre le taux de déversement par unité de surface à tout point dont la distance du centre est connue : ce sera la courbe de distribution radiale. Puisque la distribution radiale mesurée est supposée être la moyenne de toutes les distributions radiales, l'ordonnée de cette courbe à une distance donnée du centre montre le taux de déversement sur tous les points d'une circonférence décrite autour de ce centre à la distance donnée de ce dernier. Donc pour obtenir une courbe montrant la distribution sur tout le cercle, c'est-à-dire sur une infinité de circonférences, il est nécessaire de multiplier l'ordonnée pour chaque point du rayon par la longueur de la circonférence

correspondante, ou, ce qui revient au même relativement, par la distance radiale du point en question. Dans la colonne 4 (D X Q) se trouvent les nombres obtenus par ces opérations : ces quantités représentent les taux relatifs de déversement de

lé

2Z34S6jô^w Fig. 11. — Diagramme de distribulioo.

l'eau sur les anneaux successifs concentriques du cercle, Tépaisseur des anneaux étant Tunitéet leur distance du centre étant les distances correspondantes D. On peut maintenant porter ces nouvelles valeurs en abscisses et obtenir une nouvelle courbe (B) qui est la courbe de distribution sur la surface mouillée.

Dans cette courbe, Tordonnée de chaque point indique le taux relatif de déversement de Teau sur une circonférence à la distance correspondante du centre, la surface de chaque bande verticale montre le déversement total relatif sur Tanneau correspondant du cercle, et la surface totale de la courbe représente le déversement total de Teau par le distributeur.

Il est aussi nécessaire de construire la courbe de parfaite distribution. Cette courbe sera telle que le déversement sur chaque unité de surface sera égal, d'où les déversements sur toutes les circonférences seront directement proportionnels à leurs longueurs, c'est-à-dire à leurs rayons. Ce sera donc une ligne droite passant par lorigine. Son obliquité sera déterminée graphiquement par ce fait que la surface de la courbe représentera le déversement total de leau par le distributeur et sera égale à la surface déterminée précédemment. On peut déterminer cette dernière surface par le planimètre et connaissant la base du triangle on déduit la hauteur. Elle peut être calculée plus facilement mais moins sûrement en additionnant les nombres delà colonne Q x D et divisant la somme par le

75 i rayon du cercle mouillé ^jr^ = i ,46 = M. Ce sera la courbe C.

Connaissant la courbe expérimentale de distribution et la courbe parfaite, il reste à tirer une expression mathématique du rapport de ces deux courbes. Les courbes ont une surface commune qui est marquée par des hachures. De ce qui précède il est évident que plus ces deux courbes coincideront, plus la distribution sera parfaite. Une comparaison directe entre la surface commune et la surface totale donnera, par suite, une expression de l'efficacité de la distribution. Si la distribution est parfaite, le rapport sera égal à l'unité; si la distribution est mauvaise, la surface commune sera petite et le rapport très bas. De plus, une étude plus attentive de ces courbes indique que deux courbes de distribution peuvent présenter un rapport égal mais des différences suivant la disposition des surfaces montrant des conditions actuellement différentes mais identiques en ce qui regarde la distribution relative.

Si l'on définit par le terme d'excès de déversement la partie du déversement d'un distributeur qui coule sur une surface

de filtre en excès sur le taux moyen pour la surface totale (représenté graphiquement par la partie de la surface inscrite par la courbe A en dehors des hachures), on peut dire que le coefficient de distribution est le rapport entre le déversement total moins l'excès de déversement, et le déversement total, soit coefl'icient de distribution :

ou plus simplement

On peut déterminer ces surfaces au planimètre en employant des papiers spécialement quadrillés. On peut aussi calculer la surface hors de la courbe commune en déterminant Texcès au-dessus de la courbe de complète distribution, donné par la distance entre chaque point de la courbe A et le point correspondant de la courbe C. Ces nombres ont été portés dans la 5* colonne du tableau (Ex Q). Dans la 6^ colonne, ces nombres sont multipliés par les valeurs de D correspondantes. La somme des valeurs de (Ex QxD) peut être comparée à la somme des valeurs de D x Q et, pour Texpérience relatée dans le tableau, on peut calculer le coefficient de distribution.

Le coefficient brut ainsi obtenu se rapporte à Inefficacité du distributeur sous les conditions données et figuré par la surface du cercle mouillé; il reste à en tirer le coefficient corrigé vrai, basé sur la surface totale du filtre, comprenant les coins non mouillés entre les cercles. Chaque surface mouillée est inscrite dans une surface dont le côté est la distance entre les centres des distributeurs voisins. Soit Sq la surface et Cir le cube mouillé, le coefficient corrigé sera

Sq

Cette correction rédu ira les coefficients à moins de 78 pour 1 00 de leur valeur pour la surface mouillée. En pratique, toutefois, il serait avantageux de disposer les distributeurs non suivant

deux axes se coupant à angle droit de telle sorte que chacun soit au centre d'un carré, mais sur 3 axes inclinés à 120" de façon que chacun soit au centre d'un hexagone. Dans le premier cas, la surface non mouillée est de 21,5 pour 100 et dans le second seulement de 9,9 pour 100 de la surface totale. La disposition hexagonale permet de faire agir 345 distributeurs au lieu de 303 par la disposition carrée et sans augmenter le déversement sur une partie quelconque de la surface mouillée, les quantités d'eaux déversées sont comme 2000 à 2700.

Distributeurs par gravitation. — Ces distributeurs se composent d'un disque plus ou moins incurvé planté dans le filtre, sur lequel tombe un filet d'eau qui jaillit sur la surface environnante.

Les meilleurs résultats sont obtenus dans les conditions suivantes :

1"* Le débit sur chaque distributeur sera environ de 4 litres 54 par minute, soit pour un débit de 2218 litres par mètre carré, 840 distributeurs par hectare, espacés de 3", 35.

2" La distance séparant le tuyau d'écoulement et le filtre sera aussi grande que possible : 0°,60 est suffisant; 1"',20 donne de bons résultats; mais avec l'^jSO ils sont meilleurs. Lorsqu'on peut disposer d'une hauteur encore plus grande, on emploiera avec avantage des disques larges et profonds.

3** La hauteur de chute sur le distributeur sera de 0",60 à 1"*,20. La meilleure détermination de la hauteur sera précisée dans chaque cas.

4"* Un simple disque concave en métal donne les meilleurs résultats.

5° Le meilleur diamètre de disque est 75 millimètres. Lorsque le taux de distribution est plus faible, on doit employer de plus petits disques; inversement de plus grands disques seront indiqués pour les débits plus importants.

A moins que les disques soient trop larges, il est avantageux d'augmenter la concavité autant que possible. Pour les disques de 75 millimètres, une courbure correspondant à un rayon de 50 millimètres a donné les meilleurs résultats; on peut accroître le rayon de courbure jusqu'à ce que le disque soit une hémisphère. Avec les disques larges, les plus grands rayons de courbure sont nécessaires.

Distributeurs par pression — Les systèmes de becs pulvérisateurs fixes sont très variés {fig, 12).

A Salfordy on expérimenta d'abord une coiffe en forme de disque placée un peu au-dessus du bec de façon à briser le jet d'eau et à le réduire en pluie ; puis on essaya de briser le jet par le choc de deux courants; enfin, on adapta un bec garni d'une série de trous arrangés en spirale. Barwise à Derbyshire décrivit un modèle analogue au premier de Satford. A Birmingham^ on emploie un bec dans lequel l'eau passe à travers un espace annulaire étroit et se brise en frappant le bas d'un tampon de métal placé un peu au-dessus.

En Amérique, les premiers essais furent faits à Columbus où on expérimenta un type de bec rappelant celui de Salford : Teau était déversée par 8 tuyaux de laiton de 3 millimètres sous un angle de 45** avec la verlicale, dans un espace compris entre deux cônes. Ce bec se bouchant trop rapidement dut être abandonné. Le dernier modèle a été décrit par Gregory; il consiste en un bec en bronze à un seul orifice de 13""", 5 de diamètre avec les bords arrondis, sur lequel est fixé par deux tiges minces, un cône retourné de 90*^, l'axe du cône coïncidant avec l'axe de rorifice. Le jet en sortant de l'orifice frappe le cône et se transforme en une pluie de fines gouttelettes .

A Waterbury, M, Taylor a imaginé un autre type. Il a remarqué que, dans le type de Columbus^ les tiges supportant le cône séparent d'une façon fâcheuse la pluie formée, surtout lorsque ces tiges se recouvrent de cultures de moisissures. De plus, il déclare que l'uniformité de distribution, obtenue par l'effet d'un simple cône sur la pression de 1"',50 n'est pas satisfaisante. Pour remédier à ce défaut, il eut l'idée de placer un cône secondaire plus bas sur l'orifice, dans le but d'intercepter une partie de l'eau et de la distribuer sur le cinquième intérieur de la surface circulaire arrosée par le bec. Ce résultai fut obtenu par une ouverture dans le cône le plus bas, légèrement plus étroite que l'orifice du bec, le diamètre de l'ouverture dans ce cône étant ainsi par rapport au diamètre de l'orifice du bec dans une proportion telle que les 4/5 du jet passent au travers du cône le plus bas pour être pulvérisés, et le 1/5 restant est intercepté par le cône le plus bas et pulvérisé sur la surface centrale.

Calmf.tte. — IV. 7

Nombre de becs

par hectare

sous un débit

Ooe fil oient

Coefficient de 22.180 m*

brul.

corrigé.

par jour.

li93

Les résultats comparatifs des essais pour déterminer les coefficients de chaque modèle travaillant dans les meilleures conditions sont rapportés ci-dessous (Pression de l'",20 pour le bec de Birmingham et de l^'jSO pour les autres).

D^ibit en litres par Type. mipuie.

Meilleur distributeur par

gravitation 18,52

Salford (ancien modèle). 13,11

— (nouveau — ). 9,53

Birmingham 9,08

Columbus 67,19

Waterbury 47,21

Les becs américains à pression montrent par ces nombres une efficacité de distribution inférieure. Ils couvrent bien la surface mouillée dans les meilleures conditions, mais leur débit est si grand que, au taux de 2"', 21 8 par mètre carré et par jour, ils laissent entre eux une grande surface et leurs coefficients corrigés sont très bas. Il faut remarquer cependant qu'avec un débit de 4™',436 par mètre carré et par jour, pour lequel le bec Columbus a été construit, les coefficients corrigés sont beaucoup plus élevés. Le bec Columbus oflfre de grands avantages par la simplicité de sa construction et par son grand orifice si ce débit excessif peut être diminué par remploi de bassins à siphons.

Les meilleurs distributeurs par gravitation (disque de métal de 75 millimètres avec cavité d'un rayon de 50 millimètres) ont donné de très bons résultats sans la complication de bassins à siphons. Les ouvertures les plus petites des tubes d'écoulement pour éviter l'obstruction ont un diamètre de 18 millimètres. L'entretien en est facile.

Le Salford nouveau modèle et le Birmingham donnent les meilleures distributions. Avec une pression de 1 m. 80 le Birmingham fournit un coefficient de 0,69 et avec une pression de 1 m. 20 le coefficient est encore meilleur : 0,80, la distribution étant presque parfaite. Ces bons résultats dépendent malheureusement de l'emploi de becs qui se bouchent très facilement. Les ouvertures du Salford ont un diamètre de

7 mill. 5 et le cône est tout à fait propre à retenir les matières on suspension dans Teau. Celles de Biinningham ont un diamètre de 3 mill. 8; le tampon mobile indique que mc^me en

Dessus

Section AB

Fig. 12. — Principaux types de bacs pulvérisateurs.

i. — Columbus.