Binôme 3 : Dimensionnement d'un procédé de traitement des eaux usées

Dimensionnement d'un procédé de traitement des eaux usées 

Contexte de l'étude :

La nouvelle station d'épuration (STEP) devrait voir le jour d'ici 2015. Cette station permettra à la Régie d'être totalement autonome en matière de traitement des eaux résiduaires. La solution technique à mettre en oeuvre pour traiter les effluents des communes d'Estavar, Llo, Saillagouse et Err devra être dimensionnée en prenant en compte diverses contraintes.

Tout d'abord cette station sera dimensionnée en tenant compte de l'évolution de la population à l'horizon 2030, mais aussi des variations de charges hydrauliques et organiques qui surgissent lors de la saison estivale.  Elle répondra bien sûr aux contraintes réglementaires en termes de rejets d'eaux urbaines résiduaires. La station d'épuration devra satisfaire à des contraintes techniques, en effet la Régie souhaite être totalement autonome au niveau de l'entretien mais aussi de la gestion de la station. Par conséquent, la solution technique à retenir ne devra pas présenter de difficultés de gestion ou d'entretien et sera synonyme de simplicité. 

De plus, des contraintes climatiques seront à prendre en compte pour le choix de la technique, et par conséquent pour le dimensionnement. Les communes se situent en zone montagnarde, avec des altitudes pouvant aller jusqu'a 2230m, les températures hivernales très basses peuvent donc diminuer les qualités épuratoires de la station de traitement.

La station d'épuration sera implantée sur la commune d'Estavar, près de la frontière Espagnole. Le terrain choisit par la Régie est celui d'une station d'épuration désaffectée, sa superficie est de 1750 m2.

Source: GoogleMap                             Terrain choisi pour l'implantation de la STEP

Il est à noter que ce terrain se situe dans une zone inondable, la construction d'une station d'épuration en zone inondable est rendue possible si le choix d'un autre site, hors zone inondable, engendre un coût supplémentaire de 15%. Le prestataire qui sera en charge du projet, devra entre autre étudier d'autres sites d'implantation et fournir une analyse de ces différents sites en prenant compte de divers critères tels que la faisabilité techniques, le coût des travaux, les contraintes réglementaires... Ces études n'étant pas réalisées à ce jour, nous choisirons par défaut le terrain actuellement prévu par la Régie pour implanter la station et ainsi la dimensionner.

Le réseau d'assainissement est un réseau séparatif, cependant la Régie doit faire face à de nombreuses eaux parasites (eaux de pluie). Ces eaux parasites proviennent essentiellement des particuliers dont les gouttières, les grilles de garages, et autres sont connectés directement au réseau d'eaux usées. La part d'anomalies du réseau d'assainissement due aux branchements des particuliers représentait 94% des anomalies constatées sur le réseau. Un gros travail a déjà été réalisé afin de réduire voire supprimer ces branchements illégaux mais toutefois de nombreux particuliers sont toujours connectés au réseau d'eaux usées. Ces eaux parasites influent grandement sur les qualités épuratoires des stations de traitement des eaux usées, c'est pourquoi lors du dimensionnement de la nouvelle station d'épuration il sera important de connaître la quantité d'eau associée à ces eaux parasites.

Objectif :

Notre travail consistera à réaliser le dimensionnement d'une technique de traitement des eaux pour les quatre communes Saillagouse, Estavar, Err et Llo. Les eaux seront relatives aux eaux usées mais aussi aux eaux parasites.

Pour cela, les techniques seront tout d'abord énumérées pour ensuite conduire au choix de celle permettant de répondre au contexte énoncé précédemment. Une recherche des paramètres de calcul nécessaires pour notre installation sera ensuite effectuée. Enfin dans un dernier temps, une phase de calcul conduira au dimensionnement de la technique précédemment choisie. D'ailleurs, cette dernière étape nous permettra d'évaluer l'impact des eaux parasites sur notre dimensionnement. 

Nous avons choisi, dans ce cahier des charges, de présenter le choix de la technique de traitement et les paramètres clés pour notre dimensionnement pour ensuite détailler, dans notre projet, les formules et les étapes de calculs mises en place pour répondre à notre objectif. 

Méthodologie

Notre méthode de travail se décompose en plusieurs étapes : 

  1. Énoncé des techniques - choix

Nous avons voulu dans un premier temps choisir une technique de traitement, technique qui permettrait donc de répondre au contexte de notre étude.

Concernant le traitement, ce dernier se décompose en plusieurs phases : une phase de pré-traitement qui consiste à retirer les déchets les plus encombrants ainsi que les sables ou matières grasses contenus dans les eaux. Puis une seconde phase de traitement primaire composée d'un traitement physique c'est à dire avec un décanteur ou un traitement physico-chimique. Enfin un traitement secondaire généralement biologique est ajouté. Un traitement tertiaire peut également intervenir, traitement plus rigoureux vis à vis de l'azote et du phosphore. 

Le traitement physico-chimique consiste à réaliser deux étapes de coagulation et de floculation. La première réside dans la formation de microflocs par ajout d'un réactif chimique appelé le coagulant, les microflocs contenant des matières minérales telles que les argiles et des matières organiques. La floculation, quant à elle, permet la croissance des flocs précédemment formés pour ensuite amener à une décantation. 

Le traitement biologique repose sur l'action des microorganismes qui vont conduire à la transformation des matières organiques et azotés. 

Dans le cadre de notre projet, selon un rapport de 2011 rédigé par le service d'information sur l'eau Eaufrance​, pour des communes de plus de 2000 équivalent habitant le traitement secondaire c'est à dire biologique est le seul utilisé. D'ailleurs, ce traitement est un des traitements préconisé en haute montagne d'après le document technique FNDAE n°34 du Cémagref.

De plus concernant le traitement physico-chimique, celui-ci est très coûteux, nécessite une connaissance technique très poussée par l'emploi de réactifs chimiques et est généralement moins efficace que le traitement biologique notamment en terme d'élimination de la matière organique.

Ainsi, nous avons décidé d'employer un traitement biologique. Il en existe différents types. Nous avons alors réalisées, à partir d'une recherche bibliographique, une liste des techniques biologiques existantes ainsi que les avantages et les inconvénients vis à vis de notre étude.  

Selon le tableau des techniques biologiques, la plupart ne conviennent pas du fait d'une limitation du domaine d'application. C'est ainsi que les techniques infiltration-percolation, filtres enterrés, épandages souterrains et superficiels sont écartées. De plus, du fait d'une nécessité de résistance aux variations de charge (haute saison et basse saison) et aux faibles températures, les filtres plantés de roseaux et le lit bactérien sont éliminés. Puis le lagunage, à cause d'une élimination moyenne en matière organique et d'une surface d'occupation grande, est mis de côté. Enfin, la biofiltration par sa forte consommation énergétique et son entretien poussé, n'est pas considérée pour le projet. 

Deux techniques sont alors restantes qui sont le disque biologique ainsi que le procédé à boues activées. Du fait d'une très grande utilisation et connaissance du procédé à boues activées,  cette dernière technique est retenue pour notre projet. D'ailleurs selon le même rapport cité précédemment, cette technique constitue à près de 91% le procédé de traitement des eaux le plus employé pour des communes de plus de 2000 habitants. 

Concernant notre projet, nous réaliserons le dimensionnement des phases de pré-traitement (dégrilleur, dessableur et dégraisseur), du bassin et du clarificateur. Le choix des appareils, des formules mais aussi des calculs relatifs au dimensionnement seront également détaillés. La valorisation des boues, quant à elle, sera simplement expliquée et non dimensionnée

  1. Données entrantes

Afin de pouvoir dimensionner la STEP pour le procédé choisi, une étape importante de notre travail consiste à recueillir les données entrantes du projet. Cette étape est primordiale pour notre dimensionnement puisque les différentes données obtenues (débit, charges organiques...) seront utilisées par la suite dans nos formules de calcul. Voici une liste non exhaustive des différents paramètres d'entrée du problème : 

    - débit d'effluent à traiter

    - charge massique (= DBO5 = demande biologique en oxygène mesurée au bout de 5 jours)

    - quantité de DCO (demande chimique en oxygène)

    - quantité d'azote et de phosphore

D'autres paramètres seront à fixer tels que l'âge des boues, ou encore la concentration en biomasse que l'on souhaite stabiliser dans le réacteur.

  1. Données sortantes​

Au niveau des données sortantes, le dimensionnement de la STEP tiendra compte des contraintes liées à la réglementation. Les valeurs à respecter pour les rejets des eaux en sortie de station d'épuration seront issues de l'arrêté du 22 Juin 2007 relatif à la collecte, au transport et au traitement des eaux usées des agglomérations d'assainissement ainsi qu'à la surveillance de leur fonctionnement et de leur efficacité. Nous veillerons également à respecter les normes locales en termes d'azote et de phosphore.

  1. Dimensionnement

​​Une fois toutes les données récoltées, nous pourrons effectuer le dimensionnement des diverses installations de la station d'épuration. Nous procèderons pas à pas, installations après installations. Pour chaque installation nous déterminerons les grandeurs caractéristiques comme par exemple le volume pour un bassin ou encore la taille du dégrilleur, l'espacement des grilles...

Diagramme de Gantt

De façon à bien prévoir les phases de travail dans notre projet, nous avons réaliser un diagramme de Gantt.

Dans ce diagramme on constate la présence d'une phase déterminante qui réside, bien entendu, au dimensionnement de la technique biologique. Au sein de cette tâche, deux relations avec le binôme 2 et 4 seront nécessaires. La première étant relative à l'intégration de la quantification des eaux parasites et la seconde pour une étude d'impact ciblée vis à vis de notre installation. 

Concernant les périodes de calculs, ces dernières ont été estimées et pourront évoluer en fonction de l'avancée de notre travail. Toutefois, nous avons voulu nous accorder une période de temps assez longue dans la revue des calculs et des résultats pour exclure toutes erreurs. 

Des séances plénières, qui représentent les séances relatives à la présentation des différents intervenants de chaque groupe de projet, ont été ajoutées. Ces séances de quatre heures seront également utiles à la réalisation d'entretien spécifique par groupe, entretien nécessaire au suivi de notre projet. 

Pour la rédaction du site, nous nous sommes accordées trois jours. Cependant, si nous avançons bien dans notre dimensionnement, cette phase sera réalisée au fur et à mesure de notre travail nous permettant ainsi d'accorder, par exemple, plus de temps à l'étude de la  valorisation des boues. 

Estimation de la population à l'horizon 2030

Estimation de la population à l'horizon 2030

L'un des objectifs du projet est de dimensionner la STEP en tenant compte de l'évolution de la population pour l'horizon 2030. Pour cela nous avons donc réalisé une estimation de la population  à l'horizon 2030, en se basant sur des données de l'Insee.

Le tableau ci-dessous présente le recensement de la population pour les communes d'Err, Estavar, Saillagouse et Llo pour l'année 2009, ainsi que le taux annuel moyen de variation de la population entre 1999 et 2009.

Recensement population 2009 et taux d'accroissement annuel
Communes Population en 2009 Taux d'accroissement annuel (%)
Err 640 1,5
Estavar 429 0,5
Llo 154 1,5
Saillagouse  1026 2,3

En considérant, le taux d'accroissement de la population présenté dans le tableau, nous pouvons donc estimer la population pour l'année 2030. Les résultats obtenus sont résumés dans le tableau suivant:

Estimation de la population sédentaire en 2030
Communes  Population sédentaire estimée pour 2030
Err 875
Estavar 476
Llo 211
Saillagouse 1654

La population cumulée pour les 4 communes prévue pour 2030 est de 3216 habitants. Pour dimensionner la station il faudra bien sûr prendre en compte cette estimation mais nous devons également prendre en compte la variation de population due au tourisme. Pour cela nous disposons de données pour l'année 2008.

Démographie des communes en fonction des saisons pour l'année 2008
Communes Population sédentaire en 2008 Population supplémentaire hivernale Population cumulée en pointe hivernale Population supplémentaire estivale Population cumulée en pointe estivale
Err 652 1092 1744 1531 2183
Estavar 463 1410 1873 2480 2943
Llo 158 160 318 160 318
Saillagouse 1035 1944 2979 2226 3261

Source: mairies et établissements touristiques pour le schéma directeur d'eau potable 2008

Au regard de ce tableau, nous pouvons voir que les différentes communes connaissent une hausse maximale de leur population en été. Pour dimensionner la STEP nous avons choisi de la dimensionner en fonction de la période de l'année où la population est à son maximum, c'est donc à ce moment là que les débits d'effluents et les charges organiques à traiter seront les plus importants. A partir du tableau nous pouvons calculer le coefficient multiplicateur de la population sédentaire par rapport à la saison estivale, et nous pourrons ainsi faire une estimation de la population estivale pour l'horizon 2030 (sous réserve d'une évolution semblable de la population estivale).

Estimation de la population estivale en 2030
Communes Coefficient multiplicateur (été) Population sédentaire estimée pour 2030 Population estivale estimée pour 2030
Err 3,3 875 2929
Estavar 6,4 476 3028
Llo 2,0 211 424
Saillagouse 3,2 1654 5211

D'après ces estimations, la population cumulée pour les quatre communes en période estivale pour 2030, est de 11592 habitants. La station d'épuration devra donc être dimensionnée en tenant compte de ces valeurs, il faudra donc qu'elle puisse traiter les eaux usées d'au moins 11592 habitants. Nous considèrerons donc, 12 000 habitants en période estivale, pour la suite du projet.

De la même façon nous pouvons estimer la population hivernale de la même façon, c'est à dire en nous basant sur un coefficient multiplicateur de la population (sous réserve d'une évolution semblable de la population hivernale).

Estimation de la population hivernale en 2030
Communes Coefficient multiplicateur (hiver) Population sédentaire estimée pour 2030 Population hivernale estimée pour 2030
Err 2,7 875 2340
Estavar 4,0 476 1927
Llo 2,0 211 424
Saillagouse 2,9 1654 4761

D'après ces estimations, la population cumulée pour les quatre communes en période hivernale pour 2030, est de 9452 habitants. Nous considèrerons donc, 10 000 habitants en période hivernale, pour la suite du projet.

Nous pouvons également, calculer une population moyenne sur l'année. Pour cela nous considérons que la population estivale est présente pendant 2 mois ainsi que 2 mois pour la population hivernale, et que les 8 mois restants seule la population sédentaire est comptabilisée.

En appliquant la formule ci-dessous nous pouvons alors, calculer la population moyenne $P_{moyenne}$ sur l'année en 2030.

$$P_{moyenne}​=\frac{2.P_{estivale}+ 2.P_{hivernale}+ 8.P_{sédentaire}}{12}$$

En prenant, une population sédentaire d'environ 3500 personnes en 2030 nous obtenons une population moyenne sur l'année de 6000 personnes.

Les différentes valeurs, estimées pour la population, seront utilisées dans la suite du projet pour le calcul de divers paramètres.

Résumé des techniques biologiques

 

Techniques biologiques de traitement des eaux

Technique Définition 

Surface d'occupation 

(m2 par habitant)

Domaine d'application

(équivalent habitant)

Avantage  Inconvénient
Infiltration - percolation 

Eau à traiter traverse un lit de sable et est récupérée par percolation 

Lits de sable souvent placés en parallèle

1,5  Entre 200 et 1000

Rendement important de dégradation de la matière organique (90 à 95%)

Surface d'occupation faible

Domaine d'application 

Adaptation limitée aux surcharges hydrauliques 

Filtres plantés de roseaux à écoulement vertical 

Alimentation verticale en surface au sein d'un système composé de roseaux et de grains fins à grossiers

Les roseaux sont présents pour apporter les propriétés mécaniques au sol  

Eau éliminée par système de drain 

Entre 4 et 8 Entre 50 et 1000 voire 2000 Bonne intégration paysagère

Emprise moyenne à forte au sol 

Sensible au climat rigoureux (alimentation en surface)

Entretien des roseaux

Filtres plantés de roseaux à écoulement horizontal  

Alimentation enterrée au sein du même système que précédemment

Les roseaux sont présents pour apporter les propriétés mécaniques au sol 

Saturation en eau à traiter et évacuation horizontale via des drains

Entre 8 et 9  Entre 50 et 1000 voire 2000 

Bonne intégration paysagère 

Sensibilité au climat rigoureux faible (alimentation enterrée)

Emprise forte au sol 

Apport oxygène plus faible que dans le cas vertical

Risque de colmatage important 

Entretien des roseaux 

Filtres enterrés  Alimentation en surface au sein d'un milieu composé d'une couche de terre ou de gravier puis d'une couche de grains en profondeur  5 Entre 0 et 300

Rendement important de la dégradation de la matière organique (90 à 95 %)

Impact visuel réduit

Bonne adaptation au climat rigoureux 

Domaine d'application

Risque de colmatage si pas d'injection alternée de l'eau à traiter

Épandage souterrain 

Alimentation en profondeur au sein de tranchées de traitement 

Utilisation de la capacité d'infiltration et d'épuration du sol 

Généralement supérieure à 5 

Dépend du type de sol 

Entre 50 et 300

Facilité d'exploitation

Bonne intégration paysagère  

Domaine d'application

Étude de sol préalable  

Pas de terrain en pente (besoin horizontalité des tranchées de traitement) 

Pollution éventuelle des nappes souterraines

Coût investissement important

Épandage superficiel 

Alimentation en surface via des billons (petites tranchées de 30 à 50 cm de profondeur)

Décantation des matières en suspension via les billons 

Généralement supérieure à 5 

Dépend du type de sol 

Entre 0 et 250  Facilité d'exploitation 

Domaine d'application 

Colmatage des billons 

Ajout d'arbre pour réduire le visuel 

Lit bactérien  Eau à traiter répartie de façon uniforme au sein d'un lit, lit présentant des bactéries au niveau de ses porosités  Entre 1 et 5  Entre 200 et 2000 

Emprise faible au sol 

Bonne résistance aux variations de charge organique et hydraulique

Sensibilité au froid 

Entretien régulier 

Abattement limité de l'azote et du phosphore 

Disque biologique 

Disque est mis en place au sein de l'eau à traiter et est animé par un mouvement de rotation permettant à la fois le mélange et l'aération 

Une absorption de la matière organique sur le disque permet, lors de la phase d'aération, une dégradation de la matière organique 

Les boues au fur et à mesure formées se détachent

Entre 1 et 5  Entre 300 et 2000 

Emprise faible au sol 

Bonne résistance aux surcharges hydrauliques et organiques passagères

Adaptation au froid (système couvert)

Abattement limité de l'azote 

Connaissance technique (système électromécanique)

Lagunage 

 Eau à traiter, déversée dans la lagune, assure le développement de certaines espèces telles que les algues 

Ces dernières, par la photosynthèse, libèrent de l'oxygène; oxygène permettant aux bactéries de survivre 

La matière organique est décomposée par l'action des bactéries du milieu 

10

Entre 400 et 2000 (lagune aérée) 

Entre 250 et 1500 (lagune naturelle)

Bonne intégration paysagère 

 Exploitation aisée 

Bon rendement élimination azote et phosphore 

Adaptation variation de charge hydraulique (aérée et naturelle) et organique (aérée) 

Très forte emprise au sol 

Élimination moyenne de la matière organique

Connaissance technique (aérée)

Difficulté extraction des boues en fond de bassin 

Temps de traitement long : 20 jours (aérée) à 70 jours (naturelle) 

 

Biofiltration 

Eau à traiter s'écoule à travers un filtre, filtre constitué d'un matériau granuleux

Les microorganismes sont au sein du milieu poreux 

Ce filtre peut être de différente nature (organique ou inorganique)

Inférieur à 0,25  Entre 1000 et 3000 à plus

Très faible emprise au sol 

Aucun risque de lessivage (fixation sur support)

Domaine d'application 

Coût d'exploitation élevé

Entretien technique régulier 

Colmatage important 

Boues activées 

Eau à traiter, préalablement décantée, séjourne dans un bassin où il existe une concentration fixée en biomasse

​Cette biomasse est responsable de la consommation de la matière organique 

Entre 1 et 5  Entre 1000 et 3000 à plus

Domaine d'application

Bon niveau de rejet  

Coûts d'installation et d'exploitation élevés

Connaissance technique 

Source : Ministère de l'agriculture et de la pêche - FNDAE n°22- 1997

Procédé à boues activées

Ce procédé, comme nous l'avons précédemment expliqué, consiste à traiter les eaux par action des bactéries au sein d'un bassin. C'est l'agrégation des bactéries qui conduit à la présence de flocs; flocs dans lesquels les réactions ont lieu. 

Ces bactéries, de nature hétérotrophe ou autotrophe, vont assurer les réactions microbiennes du milieu et donc l'épuration des eaux. Les bactéries hétérotrophes sont responsables des transformations de la matière organique mais aussi de la dénitrification c'est à dire la réduction des nitrates NO3en azote N2 en absence d'oxygène. Les bactéries autotrophes permettent de réaliser la nitrification c'est à dire l'oxydation de l'azote ammoniacal NH3​ en nitrate NO3-.

Du fait de ces diverses réactions, le procédé à boues activées peut être organisé sous deux arrangements différents : 

  • Un premier dit à aération séquencée : 

La nitrification et la dénitrification se réalisent dans le même bassin par alternance des phases d'anoxie (dénitrification) et d'aérobie (nitrification).

 

Source : Mr Spérandio - Cours "Traitement des eaux résiduaires" 

  • Un procédé multi-bassin :

Ce procédé est composé de deux bassins, chacun étant relatif respectivement à un milieu aérobie et l'autre anoxie. 

Source : Mr Spérandio - Cours "Traitement des eaux résiduaires" 

Dans le cas d'une absence de dénitrification, un seul bassin aérobie est présent. 

 

Cette technique par boues activées est composée de diverses parties : 

  • Un point de dégrillage

Cette première étape permet de retenir les déchets de grande taille, déchets qui seront ensuite égouttés et traités. Les types de déchets retenus vont dépendre de l'espace inter-barreau entre les barreaux du système. Ce dégrilleur peut être automatique ou manuel, le premier évitant un nettoyage journalier des grilles de la part du technicien. 

  • Un dessableur 

Cette appareil conduit à la rétention du sable contenu dans l'eau à traiter. De nombreux systèmes existent avec notamment les déssableurs rectangulaire ou encore couloir mais dans tous les cas, les sables seront stockés pour ensuite être récupérés une à deux fois par semaine. Les sables récoltés vont, comme dans le précédent cas, être égouttés et traités. 

  • Un dégraisseur 

Le dégraisseur est présent pour séparer les huiles et matières grasses de l'eau. La récupération de ces composés sera réalisée régulièrement pour éviter les nuisances olfactives. Deux types de dégraisseur existent : dégraisseur statique et aéré. Le dégraisseur statique agit par gravité permettant aux huiles de remonter en surface. Le dégraisseur aéré, quant à lui, repose sur une injection d'air et donc à une amélioration de la séparation eau-huile.  

Cependant, il existe également des ouvrages combinant les deux  fonctions de dessableur et de dégraisseur. 

Ces trois premières étapes sont considérées comme indispensables au bon fonctionnement de l'installation en réduisant notamment les risques de colmatage. 

  • Un bassin d'aération 
  • Un dégazage (pour enlever l'air en amont de la décantation) 
  • Un clarificateur 

​​Son rôle est de séparer les boues formées des eaux à traiter. D'une façon générale, le procédé de décantation consiste à mettre en place un système de vitesse tel que le flux ascendant épuré ne perturbe pas le flux descendant du mélange boue-eau. Une vérification de la quantité des boues doit être réalisée tous les jours. De plus des tests de décantation en éprouvette sont menés pour assurer le bon fonctionnement de l'installation. Concernant l'entretien, les parois du clarificateur doivent être brossées. 

Source : MAGE - fiche d'exploitation traitement des boues - Novembre 2006

Diagramme de Gantt