Traitement des eaux usées

TECHNIQUE DE L’ASSAINISSEMENTTECHNIQUE DE L’ASSAINISSEMENT

Faculté des Sciences et Techniques de Marrakech

Partie 1 : Données fondamentales :

• Généralités.

• Le milieu naturel dit «milieu récepteur».

• Les analyses de sites.

Plan du cours

• Les analyses de sites.

• Les systèmes d’évacuation des eaux usées et des eau x pluviales.

• Eaux usées et eaux pluviales : aspects qualitatifs.

• L’assainissement non collectif.

Partie 2 : Composante d’un système de collecte :

• Conception des réseaux : principes hydrauliques fon damentaux.

• Eaux usées : aspect quantitatif et dimensionnement des réseaux.

• Eaux pluviales : aspect quantitatif et dimensionnem ent des réseaux.

Plan du cours

• Eaux pluviales : aspect quantitatif et dimensionnem ent des réseaux.

• Les éléments constitutifs du réseau.

• Les déversoirs d’orage.

• Les retenues d’eaux pluviales.

• Les bassins de stockage - restitution.

Partie 3 : Composante d’un traitement :

• Prétraitement et élimination des sous-produits.

• Le traitement primaire.

Plan du cours

• L’élimination de la pollution carbonée.

• L’élimination de l’azote et du phosphore.

• Dimensionnement d’une station d’épuration.

Partie 3 : Prétraitement et élimination des sous-produits.

Figure 33 : Schéma de fonctionnement d’une station d’épuration à boues activés


Le dégrillage :

A l’entrée de la station d’épuration, les effluents bruts doivent subir un dégrillage. Ainsi les matières volumineuses sont retenues au tr avers des grilles.

Le prétraitement peut être défini de la façon suiva nte :

- pré-dégrillage : les barreaux des grilles sont esp acés de 30 à 100 mm.- dégrillage moyen : les barreaux des grilles sont e spacés de 10 à 30 mm.- dégrillage fin : les barreaux des grilles sont esp acés de moins de 10 mm.

Le dégrillage :

Pour le dimensionnement hydraulique, on se base sur la vitesse de passage à travers la grille, qui doit être suffisante pour ob tenir l’application des matières sur la grille sans pour autant provoquer une perte de char ge importante ni entrainer un colmatage en profondeur des barreaux ou un départ d es matières avec l’effluent. Généralement, les vitesses moyennes de passage admi ses sont de l’ordre de


Généralement, les vitesses moyennes de passage admi ses sont de l’ordre de 0,60m/s à 1,40 m/s au débit de pointe.

Le dégrillage :

Les grilles manuelles : Ces grilles sont généraleme nt réservées aux très petites installations d’épuration. Le nettoyage manuellemen t à l’aide d’un râteau. (C = 0,1 à 0,30).

Les grilles mécaniques : Elles sont indispensable à partir d’une certaine taille de


Les grilles mécaniques : Elles sont indispensable à partir d’une certaine taille de stations d’épuration, voire sur des installations d e faible importance afin de réduire les interventions manuelles de nettoyage. (C = 0,40 à 0,50).

Le dégrillage :Exemple de dimensionnement :

Une commune envisage l’extension de sa station d’ép uration pour une capacité de traitement de 16000 EH et d’un volume de 2275 m 3/j. La station d’épuration existante est équipée d’un dégrilleur automatique avec espace ment des barreaux de 10 mm, ayant les caractéristiques suivantes :


ayant les caractéristiques suivantes : Largeur de la grille l = 0,60 m;Hauteur de canal h = 1,20m;Vitesse de passage admise v = 0,8m/s;Coefficient de colmatage c = 0,5.

Le débit maximal à traiter est 145 l/s.La hauteur d’accumulation = Q max/(c × l × v) = 0,145 / (0,6 × 0,5 × 0,8 ) = 0,60 m avec Q en m3/s.La hauteur du canal doit être supérieur à 0,60 m.

RATEAU

ÉVACUATION DES

REFUS DE GRILLE


GRILLE

Figure 34 : Dégrilleur vertical.

Le dessablage :

Le dessablage s’effectue sur des particules de dime nsions supérieures à 200 µm. La vitesse de sédimentation se calcule par chute li bre. On calcule la section du dessableur de manière que la vitesse de l’eau ne de scende pas au-dessous de 0,30 à 0,20 m/s ; on évite ainsi que les matières organi ques se déposent en même temps que les sables.


Le sable est extrait soit mécaniquement par raclage vers un poste de réception, puis repris par pompage, soit directement par pompe montée sur pont roulant.

POMPE AERATRICE(DESHUILAGE)

ALIMENTATIONSORTIE

PONT RACLEUR


EXTRACTIONDES SABLES

EXTRACTIONDES GRAISSES

Figure 35 : Dessableur-déshuileur.

Le dégraissage-déshuilage :

Le déshuilage-dégraissage se rapporte à l’extractio n de toutes les matières flottantes d’une densité inférieure à celle de l’ea u. Ces matières sont de natures très diverses et la teneur des eaux usées en graiss es est de l’ordre de 30 à 75 mg/L.

Néanmoins, certains rejets industriels (abattoirs, laiteries...) peuvent élever ces


Néanmoins, certains rejets industriels (abattoirs, laiteries...) peuvent élever ces valeurs à 300-350 mg/L.

Le dégraissage-déshuilage :

Les résidus graisseux constituent un problème impor tant des rejets urbains. Les quantités rejetées sont élevées. L’insolubilité dan s l’eau et la lente dégradabilité sont à l’origine de l’encrassement des ouvrages d’assain issement, du colmatage descanalisations et des perturbations dans la filière de traitement de la station d’épuration.L’évacuation des graisses s’effectue à l’aide d’un système de raclage de surface


L’évacuation des graisses s’effectue à l’aide d’un système de raclage de surface poussant les flottants dans une trémie. Les graisse s sont ainsi envoyées, gravitairement ou à l’aide d’une pompe, soit vers l es bacs à graisses, soit vers le réacteur de traitement biologiques des graisses.

Figure 36 : Dégraisseur-déshuileur.

Partie 3 : Le traitement primaire.

Les procédés de traitement primaire sont physiques, comme la décantation plus ou moins poussée, éventuellement physico-chimique ; le s déchets recueillis constituent ce qu’on appelle les boues primaires.

Procédés physiques de décantation :

La base de ces procédés de séparation solide -liquide est la pesanteur. On utilise le La base de ces procédés de séparation solide -liquide est la pesanteur. On utilise le terme de décantation lorsque l’on désire obtenir la clarification d’une eau brute ; si l’on veut obtenir une boue concentrée, on parle de sédimentation.

Le mécanisme de décantation d’une particule en chut e libre se traduit, en eau calme, par l’équilibre entre la force de gravité et la force de traînée qui lui est opposée.

Procédés physiques de décantation (suite) :La formule de Stockes, valable pour les particules isolées, fines et granulaires en absence d’effet cohésif, s’exprime sous la forme suivante : Us = [(4gd/3C)×(w s – w)/w] 1/2

Us vitesse de chute de la particule en eau


Us vitesse de chute de la particule en eau calme (m/s).D le diamètre de la particule (m).C coefficient de frottement ou de traînée au voisinage de la particule.Pour un nombre de Reynolds Re < 1, on a : Us = (gd 2/18ηηηη)×(ws – w).ηηηη Viscosité dynamique du liquide ( ηηηη = 10-3

Pa.s)

Figure 37 : fonctionnement théorique du décanteur rectangulaire classique.

Procédés physiques de décantation (suite) :

Les matières en suspension contenues dans les eaux usées domestiques est d’environ 1,2 g/cm 3.

d (mm)U (cm/s)

MES (ws = 2,5 g/cm 3)U (cm/s)

MES (ws = 1,2 g/cm 3)


21,510,50,20,10,050,01

29,223,7178,42,50,80,20,01

8,96,84,41,80,40,10,030,002


Décanteurs longitudinaux :

La décantation longitudinale peut s’opérer au sein de bassins longitudinaux dont les parois sont inclinées selon une pente de 50°à 60°su r l’horizontale afin d’éviter le risque d’accrochage des boues sur les parois ou dan s les angles.


risque d’accrochage des boues sur les parois ou dan s les angles.

Le raclage des boues est assuré, dans ce type de dé canteur, par des ponts racleurs qui se déplacent selon un mouvement de va-et-viens. Ils raclent les boues à contre-courant seulement. Les boues sont ainsi ramenées ve rs l’un des petits côtés de l’ouvrage ; par contre, les matières légères sont d irigées vers l’extrémité du bassin.


Décanteurs circulaires :

Les décanteurs de forme circulaire ont généralement des diamètres limités entre 50 et 60 m mais ils peuvent atteindre, dans certains c as, 90 m. Cependant, la forme circulaire est particulièrement sensible aux effets du vent, qui peuvent perturber la


circulaire est particulièrement sensible aux effets du vent, qui peuvent perturber la bonne répartition des filets liquides.

L’arrivée des effluents se fait par un fût central creux pour les décanteurs. L’alimentation peut aussi être assurée à la périphé rie du bassin.

Dans la plupart des bassins circulaires le système de raclage consiste en un mécanisme à commande périphérique constitué par un pont tournant auto-moteur reposant, au centre, sur un pivot (fût central) et, à la périphérie sur des galets porteurs tracteurs.

Dimensionnement des décanteurs :

Décanteur rectangulaire :

Les particules sont animés d’un mouvement théorique ment uniforme dont le vecteur a pour composante horizontale V, la vitesse de l’ea u dans le bassin décanteur, et pour composante verticale U la vitesse de chute :


pour composante verticale U la vitesse de chute :

Le temps de chute théorique, dans un bassin décante ur de hauteur H, est donc égal à : t = h/U.

La longueur minimale nécessaire pour qu’une particu le débouchant dans le décanteur atteigne le fond est alors égale à : L = (V × h) /U

Dimensionnement des décanteurs :

Décanteur rectangulaire :

Dans un décanteur rectangulaire, les dimensions min imales sont ainsi caractérisées par la nature de la particule et la vitesse dans la section transversale d’écoulement ; on a donc :


on a donc :

h × b = S t = Q/V soit b = Q/(V × h)

h hauteur d’eau (en m).b largeur minimale (en m).Q débit d’entrée.St section transversale du décanteur.V vitesse de l’effluent (m/s).


Décanteurs lamellaires :

En dehors des décanteurs rectangulaires ou circulaires, il convient de signaler la mise en œuvre de décanteurs à plaques ou


mise en œuvre de décanteurs à plaques ou tubes inclinés à 60°. Le dispositif, appelé décanteurs lamellaire oblique, a une efficacité de sédimentation qui dépend de sa surface horizontale.

Ces décanteurs sont des systèmes efficaces par la surface d’échange qu’ils développent, notamment pour la décantation des particules de densité inférieure à 1.

Figure 38 : Décanteur lamellaire.

Procédés physiques de décantation (suite) :Décanteurs lamellaires : ces décanteurs peuvent être disposés en parallèle, la circulation de l’effluent se faisant de bas en haut ou à courant croisés.


Figure 39 : Décanteur lamellaire à contre courant.

Figure 40 : Décanteur lamellaire à courants croisés.

Dimensionnement des décanteurs : Décanteur lamellaire :Connaissant le débit total Q à traiter, le débit en tre chaque intervalle n (lamelle) est : q = Q/n.

b et d respectivement la largeur d’une lamelle et l a distance entre deux lamelles et ααααl’angle d’inclinaison des lamelles.


l’angle d’inclinaison des lamelles.

Les composants de la vitesse sont :

La vitesse horizontale V x = V cos( αααα) = (q/bd) x cotg( αααα).La vitesse verticale est V y = V sin( αααα) = (q/bd).La vitesse de décantation, avec Us la vitesse de ch ute de la particule est Vd = Vy – Us = q/(bd) – U s

Dimensionnement des décanteurs : Décanteur lamellaire :

La particule sera piégée si le temps de parcours ve rtical : L sin( αααα)/Vd

est supérieur au temps de parcours horizontal : (d+ (L × cos( αααα)))/Vx

Avec L la longueur de la lamelle.On a donc : q/(Lb) ou Q/(nLb) < U × (d/L + cos( αααα))


On a donc : q/(Lb) ou Q/(nLb) < U s × (d/L + cos( αααα))qui conduit à obtenir et pouvoir optimiser les cara ctéristiques d’un décanteur.

Le nombre de Lamelles est n = Q / [U s × L × b ×((d/L) + cos( αααα))]La vitesse de sédimentation est U s = Q / [n × b ×(d + L × cos( αααα))]La largeur de la lamelle est b = Q / [U s × n ×(d + L × cos( αααα))]L’espacement entre les lamelles est d = (Q/n × b × U s) – (L × cos( αααα))La longueur des lamelles est L = [(Q/n × L × U s) – d] × (1/cos( αααα)))L’angle d’inclinaison αααα est αααα = arcos((Q/n × L × U s) × (1/L))Le débit entrant est : Q = n × b × Us × (d + L cos( αααα))

Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée

Biomasse :

On désignera par la biomasse l’ensemble des bactéri es existantes dans le milieu à purifier. La croissance de cette biomasse est due à la présence d’élément nutritifs : le carbone, l’oxygène, l’azote, le phosphore etc.

Cette croissance de la biomasse B peut s’écrire sou s la forme : Cette croissance de la biomasse B peut s’écrire sou s la forme : dB/dt = ( µµµµ - b) × B0

Avec µµµµ vitesse spécifique de croissance.b coefficient de mortalité. B0 biomasse initiale. B biomasse au temps t.

µµµµ = µµµµmax × S/(Ks+S)µµµµ = µµµµmax × Le/(KLe+Le) × N/(KN+N) × O2/(KO2+O2) × P/(KP+P) × …Le désigne le carbone et K la constante de Monod ou de demi-saturation.

Biomasse :

L’accroissement de la biomasse correspond à la phas e d’anabolisme. L’autolyse ou la respiration endogène désigne la mortalité bac térienne et correspond à la phase de catabolisme. En effet, en l’absence de sub strat externe (exogène), les cellules utilisent leur réserves comme source de ca rbone.


KLe (carbone) K N KP KO2

75 à 80 0,2 0,4 0,5

Dans l’épuration des eaux usées on admet les donnée s suivantes comme valeurs des constantes de demi-stauration.

Pollution des eaux usées :

Les paramètres mesurant la pollution carbonée et re pris par la législation sont au nombre de 3 : DBO 5, DCO et MES. Cette pollution est présente sous 3 f ormes physico-chimiques dans les eaux usées. En effet, on peut la subdiviser en fractions décantables, colloïdales et solubles.


Une simple décantation permet d’éliminer environ 30 % de la matière carbonée. Le rendement en mode physico-chimique (coagulation-déc antation) monte à 60%, car la fraction colloïdale est touchée. L’élimination d e la partie soluble rend obligatoire un traitement biologique.

Fraction décantable

Fraction colloïdale

Fraction soluble

MES 2/3 1/3 -

DCO, DBO5 1/3 1/3 1/3

Principe d’épuration biologique :

Il faut s’imaginer l’installation comme une gigante sque table sur laquelle la pollution est la nourriture et les convives sont le s bactéries. On peut ensuite lister les problèmes posés et émettre les solutions. La po llution arrivent continuellement, sa dégradation est aérobie est assurée par une biom asse adaptée, suffisante et constante.


constante.

On assiste au transfert d’une pollution de type sol uble ou colloïdale en boue biologique, élément manipulable et décantable. Le p érimètre alimentation-consommateur est fondamental dans tous système viv ant. La boue peut être considérée comme un organisme vivant qui se nourrit , respire, se développe et meurt.

Principe d’épuration biologique :L’évaluation de la production de boues est indispen sable pour dimensionner la station. Pour les exploitants, elle permet de valid er l’optimisation des réglages. L’accumulation des MES non biodégradables et l’accr oissement de la biomasse épuratrice sont les deux phénomènes de la productio n de la boue.


Figure 41 : Représentation du floc biologique const ituant de la boue biologique.

Notion de charge et de temps de séjour : La charge désigne la quantité de la pollution en DB O5 arrivant par jour sur l’installation ramenée soit au volume du bassin soi t à la quantité de la biomasse en MVS. Charge massique (C m) =(Kg de DCO injecté par jour)/(Quantité de biomas se dans

le système (MVS)Elle s’exprime en kg de DCO à traiter/kg de MVS/jou r.


Charge volumique (C v) =(Kg de DCO injecté par jour)/(Volume du réacteur )Elle s’exprime en kg de DCO à traiter/m 3 de réacteur/jour

Type de charge C m Cv

Forte charge 0,4 à 1 1,5

Moyenne charge 0,15 à 0,35 0,5 à 1,5

Faible charge 0,1 0,3

Aération prolongée 0,07 0,25

Notion de charge et de temps de séjour :

Le volume du bassin définit une notion temporelle, le temps de séjour hydraulique de l’eau dans un bassin avec T s = VBA/Q en heures.

Le débit de l’effluent étant rarement constant, on définit des temps de séjour moyen et minimum calculés à partir des débits moyen s horaires et de pointe.


moyen et minimum calculés à partir des débits moyen s horaires et de pointe.

Dans le cas d’installations à forte charge, il y’a peu de biomasse épuratrices par rapport à la pollution entrante car le volume du ba ssin est faible. Cette pollution est seulement collée aux quelques bactéries isolées et très peu dégradée, car le temps de séjour est faible. Si celui-ci augmente, les bac téries ont le temps de floculer. Elle forment un floc biologique qui adsorbe et assimile la pollution. De plus, les bactéries floculées décantent facilement au niveau du clarificateur. Une augmentation du temps de passage améliore donc l’él imination de la pollution carbonée.

Procédés d’épuration : Les procédés les plus couramment utilisés mettent e n œuvre des installations biologiques, tant pour l’épuration des eaux usées u rbaines que pour certaines eaux résiduaires industrielles. On les classe génér alement en :1. Procédés biologiques naturels.2. Procédés biologiques artificielles.


Tous ces procédés conduisent à la formation de déch ets (boues) qu’il faudra valoriser en agriculture ou éliminer par incinérati on ou par mise en décharge éventuelle.

L’épuration biologique des eaux usées urbaines repo se sur l’application de deux phénomènes : d’abord la sédimentation partielle des MES ; ensuite l’activité biologique de très nombreuses bactéries qui se mult iplient en dévorant les matières organiques formant des substances nutritiv es par excellence.

Dans ce cours, on va étudier principalement le lagu nage naturel et les boues activées.

Lagunage naturel : On désigne par le lagunage toute dépression ou exca vation naturelle ou artificielle dans laquelle s’écoulent naturellement les eaux us ées brutes ou décantées, pour ressortir, sans intervention extérieure d’aucune so rte, dans un état où elles ne risquent pas d’altérer la qualité du milieu récepte ur. Toutefois, lorsqu’il s’agit de dépression naturelle , il est d’usage d’employer l’expression « étang de lagunage ».


Figure 41 : Lagunage naturel.


Simultanément, les matières en suspension décantent et forment ainsi des boues au fond des bassins où l’oxygène y parvient diffici lement où n’y parvient plus. La dégradation se poursuit alors grâce à l’action des bactéries cette fois ci anaérobie. Ce processus est appelé « fermentation» q ue l’on distingue par le dégagement du méthane CH 4 ainsi qu’une minéralisation des boues.

Figure 42 : processus d’élimination de la pollution par lagunage naturel.

Lagunage naturel :

Selon la présence ou non d’oxygène dissous dans la lagune, on distingue:- les étangs anaérobies (pas d'O 2 ,3 m de profondeur)- les étangs aérobies (présence d'O 2,1 à 1,5 m)- les étangs facultatifs (O 2 uniquement dans la zone supérieure, 1 à 2,5m)


Le type de lagune le plus couramment utilisé pour u n traitement complet des eaux usées est le bassin de stabilisation. Il s’agit d’u n ou plusieurs bassins en série dans lesquels les effluents bruts sont soumis aux p rocessus biochimiques naturels de l’autoépuration ; généralement, ces bas sins sont au nombre de trois. Le milieu interne des bassins est évidement plus ou moins riche en oxygène, et les bactéries sont donc à la fois aérobies et anaérobie s.

Lagunage naturel :


Figure 43 : Bassins de lagunage en série

Lagunage naturel :

Le lagunage naturel est un procédé rustique et fiab le de traitement des eaux usées domestiques, intéressant du point de vue économique (investissement, exploitation). Il convient cependant de mieux le ma îtriser, le concevoir et l’entretenir en vue d’une amélioration de la qualit é des rejets.


La lagune est généralement composée de trois bassin s en série, le premier représentant la moitié de la surface totale.

Dans des conditions moyennes, la surface d’un lagun age est de 10m 2 à 20 m2

environ par équivalent habitant. Il est recommandé de dimensionner les lagunes, sur la base de 15 m 2/EH, afin de garantir une bonne élimination de la m atière, la désinfection des effluents, et de réduire les contr aintes d’exploitation.

Lagunage naturel :

Les valeurs couramment utilisées également pour le dimensionnement des lagunes sont :

- Pour les bassins strictement anaérobies, de 500 à 700 kg de DBO 5/ha/jour.- Pour les bassins strictement aérobies ou mixtes, de 40 à 60 kg de DBO /ha/jour.


- Pour les bassins strictement aérobies ou mixtes, de 40 à 60 kg de DBO 5/ha/jour.

En terme de nombre d’habitants : Sans décantation primaire : - Pour les bassins strictement anaérobies, de 9000 à 13000 hab./ha. - Pour les bassins aérobies ou mixtes, de 700 à 1000 hab./ha.

Avec décantation primaire : - Pour les bassins strictement anaérobies, de 14000 à 20000 hab./ha. - Pour les bassins aérobies ou mixtes, de 1100 à 170 0 hab./ha.

Lagunage naturel :

Si réacteur parfaitement mélangé et la cinétique es t du 1 er ordre :

Seff/Saff = 1/((K × Ts) + 1)

avec :Saff et Seff concentration à l’entrée et à la sortie.


Saff et Seff concentration à l’entrée et à la sortie.

Ts temps de séjour (j) [=V/Q]

K constante de vitesse (j -1) (valeur différentes selon les régions et selon le s périodes).

Lagunage naturel : Apport d’oxygène : par aération naturelle durant le jour, par photosyn thèse : algues+ CO2 + lumière => algues + O2 (l'effluent doit être transparent)


Figure 44 : apport naturel d’oxygène dans la processus d’épuration par lagunage

Lagune aérée artificiellement :


Figure 45 : apport artificiel d’oxygène dans la processus d’épuration par lagunage

Les boues activées :

Les boues activées sont des systèmes qui fonctionne nt biologiquement, avec une aération artificielle comme les lagunes aérées. La différence réside dans la recirculation des organismes actifs (les boues acti vées) du décanteur secondaire vers le bassin d’aération. Cette recirculation a de ux conséquences :


- La concentration des boues activées dans le bassin d’aération peut être augmentée par rapport à une situation sans recircul ation. Une même quantité d’organismes actifs peut donc être contenue dans un petit volume (économie d’espace). Les temps de séjour de l’eau dans les sy stèmes à boues activées sont relativement courts (inférieurs à ceux des procédés extensifs).

- Le temps de séjour des organismes actifs dans le s ystème est plus élevé que le temps de séjour de l’eau. Le contrôle du temps de s éjour des boues activées permet de maîtriser la capacité nitrifiante des bou es et le degré d’oxydation des matières organiques solides.



Figure 47 : Épuration biologique - principe des boue s activées.


La quantité de la biomasse doit rester constante da ns le bassin d’aération. Les boues biologiques décantent dans le clarificateur. Le débit de recirculation R, varie en fonction du débit d’eau brute Q, de la concentra tion des boues dans le bassin d’aération C BA et des boues recirculées C R. Ainsi, dans les eaux résiduaires urbaines moyennement polluées (DBO 5 comprise entre 150 et 350 mg/l), on peut atteindre, après une bonne clarification, un rendem ent d’épuration de la DBO de


atteindre, après une bonne clarification, un rendem ent d’épuration de la DBO 5 de l’ordre de :

- 95% en aération prolongé à faible charge massique.- 90% en aération prolongé à moyenne charge massique .- 85% en aération prolongé à forte à charge massique .

En ce qui concerne les concentrations virales prése ntes dans les eaux usées, elles varient de 10 à 10000 unités infectieuses par litre d’eau brute. Le traitement de ces eaux par boues activées permet de retenir 55% à 95% de cette charge virale.

Les boues activées : production des boues :Plusieurs modèles d’évaluations de productions de b oues ont été développés. Certains font appel aux coefficient d’anabolisme a m et de catabolisme b.

Auteur Productions des boues kg MS/j Paramètres

Eckenfelder S min + Sdur + am Le - b Sv - Seff am biomasse produite par kg de DBO 5

b fraction de biomasse détruite/jour

constructeur K Le K compris entre 0,8 et 1,1

� Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée

constructeur K Le K compris entre 0,8 et 1,1

constructeur S min + Sdur + 0,25 am Le - Seff

AGHTM Smin + Sdur + (0,83 + 0,21logCm) L e - Seff Cm charge massique de la station

- Smin masse de la matière minérales en suspension de l’eau brute évaluées à 30% des MES.- Sdur : masse des matières en suspension difficilement biodégradables évaluées à 17,5% des MES.- Le masse de la DBO5 éliminée en kg par jour.- Sv : masse des boues organiques dans le bassin d’aération en kg de MVS.- Seff Masse des boues évacuées avec l’effluent traité en kg de MES par jour.

Les boues activées : production des boues :

Les valeurs des coefficients a m et b dépendant de la charge massique de la station d’épuration; En aération prolongée, on peut considé rer qu’ils sont respectivement égaux à 0,6 et 0,055.

Valeur de C m 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5


b 0,065 0,07 0,07 0,07 0,07

am 0,66 0,59 0,56 0,53 0,5

Les boues activées : recirculation - extraction :

La quantité de la biomasse doit rester constante da ns le bassin d’aération. La quantité de boues produites par jour est égale à la quantité extraite. Le débit de recirculation R est fonction du débit d’eau brute Q , de la concentration des boues dans le bassin d’aération C BA (ou [MS] BA) et des boues recirculées C R ou [MS] Recir.

� Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée

Montrer en se basant sur ce schéma que r = R/Q = C BA / CR-CBA

MESEB QEB

MESBA(R+QEB)AérobieMVSBA g/LVolBA m3

MESETQET

MESEXQEX

MESRECIR R


L’indice de boue représente le volume occupé par un gramme de boue après trente minutes de décantation statique dans une éprouvette d’un litre à paroi transparente graduée. Noté IB, exprimé en mL.g -1 de MES, il est défini par la formule suivante :

IB = VD / [MES] avec : VD = volume de boue décanté en trente minutes


IB = VD30 / [MES] avec : VD 30 = volume de boue décanté en trente minutes (en mL.L -1). [MES] = concentration des matières en suspension dans l’éprouvette en g.L -1.


Age des boues :

L’âge des boues représente leur temps de séjour dan s l’étage biologique. C’est le rapport entre la quantité de boue contenue dans le biologique S t et la quantité E soutirée quotidiennement = S t/E.


Besoins en O 2 :

Besoins en O 2 en kg/j = a’ L e + b’ S v + 4,3 NN - 2,85 c’ NDN

- a’ quantité d’oxygène nécessaire à l’oxydation de 1 kg de DBO5. - Le masse de la DBO5 éliminée par jour.- b’ quantité d’oxygène nécessaire à la respiration endogène de 1kg de MVS de boues par jour. - Sv : masse de la biomasse dans le bassin d’aération en kg de MVS.- NN flux d’azote à nitrifier.- c’ fraction de l’oxygène des NO3

- récupérée par dénitrification., soit entre 60 et 70%.


Besoins en O 2 :

La valeur de c’ constitue un facteur de sécurité da ns le dimensionnement de la station. Pour une sécurité optimale, on prend un fa cteur c’ nul.

Les valeurs de a’ et b’ sont données en fonction de la charge massique par le


Les valeurs de a’ et b’ sont données en fonction de la charge massique par le tableau suivant :

Valeur de Cm <0,1 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 >0,5

a’ 0,66 0,65 0,62 0,60 0,56 0,53 0,5

b’ 0,06 0,075 0,085 0,7 à 1,2


Le clarificateur :

La surface du clarificateur est calculée en fonctio n de la charge hydraulique V a (ou vitesse ascensionnelle ou vitesse de Hazen) qui dép end de la qualité de la boue.


IB en ml/g 75 100 125 150 175 200 250 300 400 500

Va en m/h 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,85 0,8 0,7 0,6

La surface du clarificateur S cl = Qmax/Va


Le clarificateur :

La hauteur du clarificateur se calcule selon plusie urs modèles. Le Cemagref propose le calcul suivant : h t = h1 + h2 + h3 + h4.h1 zone d’eau clarifiée ≥≥≥≥ 0,5 m;


h1 zone d’eau clarifiée ≥≥≥≥ 0,5 m;h2 zone de sédimentation = 1 m (réseau séparatif)

0,8 m (réseau unitaire)h3 zone d’épaississement = [MS] BA × IB / 1000

h4 zone de stockage = ∆∆∆∆C × V ×××× IB / (1000 ×××× Scl).V volume du bassin d’aération.∆∆∆∆C = 0,5 à 1 g/L variation de la concentration dans le bassin d’aération par temps de pluie.


Le clarificateur :

La limite supérieure de la concentration en MVS des boues recirculées est :

[MS] = (1000 /IB) × 1,3


[MS] recir = (1000 /IB) × 1,3

Cette limite permet de calculer le taux de recircul ation : R = [MS]BA/([MS] recir - [MS]BA)

Partie 3 : Élimination de l’azote :


Dans les stations d’épuration conventionnelles ne v isant que l’élimination de la pollution carbonée, seule une fraction de l’azote ( 20% environ) est éliminée par son utilisation pour la croissance de la biomasse é puratrice. Une élimination plus poussée de l’azote nécessite la mise en place d’une filière de traitement spécifique dite de « nitrification-dénitrification ».

L’azote total à éliminer se présente avec environ 3 0% sous forme d’azote organique dont une fraction fait partie des MES, et avec 70% d’azote ammoniacal soluble.


Quatre opération sont nécessaire pour l’élimination de l’azote.

ammonification ; assimilation ; nitrification ; dén itrification.

Ammonification : C’est une minéralisation; l’azote organique devient sous l’action


Ammonification : C’est une minéralisation; l’azote organique devient sous l’action de la biomasse minéral de formule NH 4

+.

Norg NH4+ + OH- + produits carbonés


Assimilation : la quantité assimilée répond au rati on C/N/P égal à 100/5/1. En conséquence, l’azote consommé par la biomasse est d e l’ordre de 5% de la DBO 5éliminée. Le rendement de l’élimination est en moye nne 20%.

Nitrification :


Nitrification : La nitritation : il s’agit de l’oxydation des ions ammonium en nitrites selon la réaction :NH4

+ + 3/2 O2 2H+ + H2O + NO2-

La nitratation : oxydation des nitrites en nitrates :

NO2- + 1/2O2 NO3

-

bactéries

bactéries


Dénitrification : Les espèces dénitrifiantes ont la propriété d’utiliser, en cas de carence du milieu en oxygène, l’oxygène de certains composés chimiques, notamment des nitrates. Les nitrates sont alors réd uits en azote gazeux. 2NO3

- + 2 H+ N2 + 5/2 O2 + H2O


Les phénomènes de nitrification et dénitrification, avec leurs conditions optimales respectives, sont tout à fait contradictoires.

En conséquence, les constructeurs ont imaginé baser leur procédés sur l’alternance spatiale et temporelle des phases d’aé ration et d’anoxie.


Le premier schéma exige la mise en place de deux ba ssins distincts :


Figure 48 : Schéma utilisant un bassin d’anoxie pou r l’élimination de l’azote.


Le bassin d’anoxie est en tête de filière. Il est l e lieu de la dénitrification. L’apport en NO3

- est assuré par la recirculation de la liqueur mixte ou recirculation nitrates. La zone d’aération assure la nitrification et l’éli mination de la pollution carbonée.

Cette configuration nécessite une recirculation de l’ordre de 150 à 400 % du débit


Cette configuration nécessite une recirculation de l’ordre de 150 à 400 % du débit d’eau brute des NO 3

- qui s’exprime par l’expression (r+c)/(1+r+c).

Le dimensionnement du volume d’anoxie peut se calcu ler à partir, soit de la vitesse de dénitrification, soit du temps de contac t d’expression volume/(R+Q+C) qui doit être compris entre 1 et 2h. En général, le volume représente 25% du volume total nécessaire à l’épuration.


Le deuxième schéma consiste en une alternance tempo relle permettant une nitrification et dénitrification dans un bassin uni que. Les conditions optimales sont un âge de boue supérieur à 30% de l’aération par ra pport à la seule élimination de la pollution carbonée, le respect d’un temps minima l d’anoxie de l’ordre de 8 à 10 heures par jour et un taux de boue d’environ 3g/L.


Partie 3 : Élimination du phosphore :


L’élimination du phosphore rencontré dans les eaux u sées urbaines est très insuffisante à la suite d’une épuration secondaire classique. Les techniques d’élimination sont nombreuses, on cite l’éliminatio n physico-chimique et l’élimination biologique.

Les boues activées : L’élimination physico-chimique : par précipitation avec l’ajout de la chaux, de sels ou d’aluminium. Des complexes et de précipités cont enant le phosphore sont formés et éliminés ensuite par décantation.


Figure 49 : Elimination physico-chimique du phospho re.


L’élimination biologique : le dimensionnement du ba ssin aérobie est fait sur la base de 1/5 à 1/3 de la zone aérobie ou un temps de passage de 2h à 4h.


Figure 50 : Elimination biologique du phosphore.

Traitement des eaux usées

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