Pré-traitement

Pré-traitement

  1. Dégrillage

​​Théorie

Cette étape est considérée, comme obligatoire, à partir de 200 équivalents habitants selon l'arrêté du 21 Juin 1996 portant sur le traitement des eaux résiduaires. Le dégrillage consiste à retenir, au niveau des grilles, des matières volumineuses permettant par la suite de ne pas dégrader les systèmes de relevage ou encore les unités de traitement à proprement dit. 

Il existe différent type de dégrillage : le pré-dégrillage avec des barreaux espacés de 30 à 100 mm, un dégrillage moyen avec un espacement entre 10 et 30 mm puis un dégrillage fin dont les barreaux sont espacés de moins de 10 mm. 

Ces grilles peuvent être de deux types manuelles ou mécaniques :

  • Les grilles manuelles sont des grilles composées de barreaux généralement inclinés sur l'horizontal de 60 à 80 degrés. Ces grilles sont destinées à de petites collectivités et nécessitent un nettoyage manuel régulier par l'intermédiaire d'un râteau. 

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Source : www.observatoire-eau-vendee.fr                                                 Grilles manuelles

  • Les grilles mécaniques, quant à elles, fonctionnent par l'intermédiaire d'un nettoyage automatique pouvant être réalisé à l'amont comme à l'aval.  

Dans le cas d'un nettoyage à l'amont, deux types de configuration existent avec des grilles courbes et droites. 

Les grilles courbes présentent un axe de rotation permettant d'évacuer les matières retenues par la maille. C'est un peigne amovible en inox, fixé au bout de deux bras rotatifs, qui assure un décolmatage optimal du système en envoyant les déchets dans une benne. Ce type de grille accepte des débits variant de 10 à 5000 m3/h. 

 

Source : www.step.ouvaton.org                                                               Dégrilleur à grilles courbes

Les grilles droites sont à nettoyage alternatif ou continu. Le nettoyage est réalisé de diverses façons avec notamment l'emploi de râteaux commandés par un système de câble ou encore de chaîne sans fin. Les débits acceptés varient de 100 à 40000 m3/h

 

Source : www.directindustry.fr                                  Dégrilleur à grilles droites par chaîne sans fin

Dans le cas d'un nettoyage à l'aval, les débits à traiter sont élevés du fait de la configuration avec un domaine de débit allant de 500 à 300000 m3/h. Toutefois, ce type de nettoyage présente un risque de rejet des substances retenues. 

D'autres types de dégrilleur, non classés, sont également employés tels que les dégrilleurs escaliers permettant la rétention, par passage continuel de la grille dans l'eau, de fines matières organiques. 

 

Source : www.directindustry.fr                                                          Dégrilleur escalier

Application pratique 

Du fait de notre besoin de réduction de l'intervention humaine, au niveau du système de traitement, le dégrillage manuel est écarté de notre étude. Concernant le dégrillage mécanique, afin de réduire les risques de colmatage des grilles, une mesure de perte de charge du procédé choisi pourra être réalisée de façon à proposer, lors d'un épisode de traitement important, un dégrillage manuel de secours en by-pass.  

D'autre part, notre faible débit de traitement nous conduit à choisir un dégrilleur courbe. Notre unité de dégrillage reposera alors sur un dégrillage moyen puis fin avec en by-pass un système manuel. 

  1. Dessablage-dégraissage

Théorie

  • Dessablage: cette étape a pour but d'extraire les graviers, les sables et les particules minérales de l'effluent à traiter, afin de réduire le risque d'abrasion des équipements mais aussi de diminuer les dépôts et le colmatage dans les conduites. On utilise les dessableurs pour éliminer des particules de granulométrie égale ou supérieure à 100 μm. La quantité de sable contenue dans l'effluent est très variable, cependant les quantités classiques de sable à extraire sont comprises entre 8 et 15 litres/habitant/an.

​​Il existe différents types de dessableur:

  • ​Dessableur couloir : ils sont constitués de chenaux profilés. La vitesse d'écoulement dans ces dessableurs varie avec le débit. Le sable est extrait de façon manuelle d'une rigole longitudianale. Leur utilisation est limitée au petites installations.
  • Dessableur rectangulaire : ces ouvrages permettent de traiter des débits important pouvant aller jusqu'à 15000 m3/h. Un système d'insufflation peut être installé sur toute la longueur de l'ouvrage. L'air insufflé permet une séparation des matières organiques déposées sur les particules de sables et permet également une séparation des matières flottantes. L'extraction du sable s'effectue de plusieurs façons: par raclage ou par pompe suceuse.​​
  • ​​Dessableur circulaire : de forme cylindro-conique, la vitesse de balayage du radier est maintenue constante grâce à une alimentation tangentielle de l'eau ou bien par un brassage mécanique. Les particules denses vont pouvoir se plaquer sur les parois de l'appareil par effet centrifuge, et seront recueillies dans le fond conique de l'ouvrage.

 

Source: www.directindustry.fr                                                                                Dessableur circulaire​

  • Dessableur-dégraisseur combiné : le dessablage et le dégraissage sont effectués dans un même bassin. Ces ouvrages permettent de séparer les sables, l'eau et les graisses grâce à la différence de densité. En effet les sables vont décanter dans le fond du dessableur (cylindroconique le plus souvent), les graisses sont quant à elles mises en flottation par l'insufflation de bulle d'air. Les graisses sont raclées en surface par un écumeur rotatif. Ce sont les dessableurs les plus utilisés.​

 

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Source: www.ecoledeleau.eau-artois-picardie.fr                    Dessableur-dégraisseur combiné

  • Dégraissage: cette étape a pour but d'éliminer les matières grasses et les huiles difficilement biodégradables, qui possèdent des densités inférieures à l'eau, par effet de flottation. La récupération des graisses permet de palier à divers problèmes comme le colmatage des conduites. Pour les eaux résiduaires domestiques, lorsqu’il n’y a pas d’étape de décantation primaire, le dégraissage est indispensable. Les dégraisseurs sont généralement fabriqués pour traiter des débits compris entre 20 et 30 L/s. Le temps de séjour couramment utilisés pour le dimensionnement des dégraisseurs est compris entre 10 et 20 minutes et la vitesse ascensionnelle de sédimentation utilisée est de l'ordre de 15 m/h. Parmi les dégraisseurs nous distinguons des dégraisseurs statiques ou aérés. Les dégraisseurs aérés sont plus performants, l’insufflation d’air permet de faire remonter les graisses en surface.

Le dégraissage est généralement combiné avec l’étape de dessablage. Les dessableurs-dégraisseurs que nous pouvons trouver sont soient de type circulaire (cylindro-conique) ou bien de type rectangulaire.

 

Source: www.pravarini.free.fr                                                    Dessableur-dégraisseur rectangulaire

Application pratique

Pour notre étude nous avons donc choisi de réaliser l'étape de dessablage-dégraissage dans un même ouvrage, puisqu'il s'agit de la technique la plus couramment utilisée et que cet ouvrage permet de réduire l'emprise au sol. Pour dimensionner l'ouvrage dessableur-dégraisseur combiné, nous devons déterminer les surfaces des ouvrages séparément, la surface la plus importante, imposera la taille de l'ouvrage combiné.

Dimensionnement des dégrilleurs

Dimensionnement des dégrilleurs

 

Nous allons détailler, dans cette partie, la phase de dimensionnement relative à la première étape de traitement. Comme nous l'avons expliqué précédemment, cette étape est composée d'un dégrillage grossier puis fin et d'un dégrilleur en by-pass manuel.

Les calculs, relatifs au dégrilleur, consistent à déterminer la surface de la grille nécessaire à l'élimination des matières volumineuses puis la largeur associée. 

  • Surface de grille

Cette surface S est déterminée par la formule suivante : 

$$S=\frac{Q_{max}}{V.O.C}$$

Avec  

$Q_{max}$ le débit maximum arrivant en entrée de grille  

$V$ la vitesse de l'influent qui est une vitesse permettant la bonne élimination des résidus et qui évite également une sédimentation de la grille. 

$O$ grandeur relative au rapport espace libre entre les barreaux noté e et la somme de l'espace libre entre les barreaux et leur épaisseur notée E. 

$C$ un coefficient de colmatage de grille automatique (dans notre cas)

Ce sont donc ces grandeurs qu'ils nous faut fixer pour nos deux types de dégrilleur courbe fin puis grossier. 

Après avoir réalisé des recherches bibliographiques dans le domaine, les valeurs suivantes de paramètre ont été retenues :

Paramètres d'entrée pour la détermination de la surface de grille

Paramètres 

Intervalle théorique admis

Valeur choisie

$V$ = Vitesse influent dans le caniveau  (m/s)

0,3 - 0,6 

0,45 (en moyenne)         

$e$ = Espace libre entre les barreaux (mm)

Grossier : 30 - 100 

Fin : inférieur ou égal à 10 

Grossier : 60 

Fin : 10

$E$ = Épaisseur des barreaux (mm) aucun  10
$C$ = Coefficient de colmatage de grille automatique  0,4 - 0,5 0,5 

Le débit maximum, dans notre cas, sera relatif au débit maximum obtenu en été c'est à dire égal à 2160 m3/jour. Il est considéré comme maintenu d'une étape de dégrillage à l'autre.

Concernant la vitesse, cette dernière est également maintenue à 0,45 m/s malgré la conservation du débit et le changement de section. Il nous serait, en effet, impossible de déterminer notre surface et donc notre largeur de grille sans imposer celle-ci.

Les surfaces suivantes ont alors été obtenues : 

Surface obtenue en m2​ pour les deux types de dégrilleur
Surface $S$ Valeur calculée (m2)
Dégrilleur grossier automatique  0,13
Dégrilleur fin automatique

0,22

  • Largeur de grille

Une fois les surfaces obtenues, nous avons déterminé la largeur $l$ des grilles relatives. Pour cela, nous sommes parties de la notion de tirant d'eau noté $t$

Le tirant d'eau représente la hauteur d'eau de la partie immergée de la grille. Cette hauteur peut être représentée de la façon schématique suivante : 

Source : Méthode de calcul d'une unité de traitement, A.G Sadowski              Représentation schématique du tirant d'eau

Ainsi il est possible de relier le tirant d'eau avec, d'une part, la longueur mouillée $Lo$ de la grille puis la largeur $l$ de la façon suivante : 

$$t=\sin(\alpha).Lo$$

Avec $\alpha$ l'angle entre le fond du caniveau, dans lequel la grille est placée, et la grille courbe. Cette angle est pris égal à 26,5 degrès selon le rapport "méthode de calcul d'une unité de traitement" de Mr Sadowski

Cette première relation est applicable en considérant que, sur cette longueur mouillée, la grille courbe reste relativement droite. 

Le tirant d'eau a été initialement imposé à 20 cm, à défaut de calcul plus précis, selon le rapport précédent proposant plusieurs valeurs de tirant d'eau en fonction de la population traitée. Cette valeur de 20 cm a été choisie en considérant une population inférieure à 20000. 

Le tirant d'eau a été imposé pour les deux ouvrages dégrilleur fin et grossier malgré une variation de cette hauteur. 

Puis : 

$$l=\frac{S}{Lo}$$

Les résultats suivants ont été obtenus : 

Largeur de grille en cm
Largeur de grille $l$  Valeur (cm)
Dégrilleur grossier  30
Dégrilleur fin  50

Il faudra alors adapter les dimensions du caniveau, contenant la grille, de façon à respecter la vitesse nécessaire au bon dégrillage et convenant de ce fait à la largeur de la grille installée. En effet, en imaginant une vitesse classique de canalisation de l'ordre de 1 m/s et notre débit maximum, une section de canalisation nécessaire serait de 0,025 m2 soit un diamètre égal à 18 cm environ. Il faudrait, alors dans ce cas, avoir une arrivée d'eau usée sur un caniveau de largeur supérieure de façon à répondre aux conditions du dégrilleur.  

Le dimensionnement du caniveau devrait donc être en adéquation avec le réseau d'eau usée arrivant en tête de station. 

  • Quantité de refus au dégrillage 

​​Il est possible, en fonction du type de dégrilleur employé, de déterminer la quantité de refus obtenue en litre sur une année. 

De façon générale, pour un habitant, ce volume correspond à : 

$$V_{refus}=\frac{\text{8 à 10}}{e}$$

Avec

$e$ espace libre entre les barreaux en cm 

$V_{refus}$ volume de refus en litre par équivalent habitant sur une année

Cette quantité sera alors celle qui sera évacuée de façon à maintenir un bon fonctionnement global. 

Les valeurs suivantes ont été obtenues (en prenant 10 au numérateur de façon à avoir un volume de refus maximal et en considérant les différentes périodes de l'année c'est à dire la variation de population sur l'année) : 

Volume $V$ de refus pour les différentes période de l'année en litre par jour

Type de dégrilleur  Population estivale Population hivernale  Population sédentaire   Population moyenne
Grossier  55 46 16 28
Fin  329 274 96 164

Il faudra alors que les bennes de contenu présentent des volumes adaptés. Les bennes devront être relatives à un volume de refus sur quelques jours de façon à évacuer régulièrement ces déchets. 

  • Dégrilleur en by-pass manuel 

Ce dégrilleur sera employé lorsque la hauteur d'eau en amont de la première grille sera telle que le système de dégrillage est colmaté. Ainsi un orifice surélevé par rapport à l'entrée des eaux usées permettra un écoulement de ces eaux, en by-pass, vers le dégrilleur manuel. 

Dans notre cas, nous avons choisi de dimensionner notre grille manuelle en considérant une première grille automatique totalement obturée et de ce fait un passage de l'eau usée directement au niveau du by-pass. 

De façon à dimensionner le dégrilleur manuel, nous allons considérer le fait que ce dernier est droit, penché de 60 degrés par rapport à l'horizontale et que la grille présente les mêmes caractéristiques que celles du dégrilleur grossier. Toutefois, le coefficient de colmatage est fixé à 0,3 (coefficient dans le cas d'un dégrillage manuel, pouvant aller de 0,1 à 0,3). Le débit maximal est conservé égal à 0,025 m3/s. Le tirant d'eau est mis égal à 0,2 m, comme dans les cas précédents. 

La vitesse est également fixée à 0,45 m/s, vitesse respectant les conditions générales de fonctionnement du dégrilleur.

La surface du dégrilleur manuel peut alors être calculée : 

Surface dégrilleur manuel en m2
Dégrilleur Surface $S$ de grille (m2) Largeur $l$ de grille (cm)
manuel  0,22 94 

Dimensionnement du dessableur-deshuileur

Dimensionnement du dessableur-dégraisseur

 

Dans cette partie,  les calculs concernant le dimensionnement de l'ouvrage permettant la séparation, des graisses et des sables, seront détaillés. Les deux ouvrages, dessableur et dégraisseur, seront dimensionnés de façon séparée, puis la surface retenue sera la plus importante des deux.

La surface et le volume de l'ouvrage combiné seront alors déterminés.

  • Dessableur

Le dimensionnement de l'ouvrage repose sur la charge hydraulique ($Ch$), encore appelée vitesse ascensionnelle exprimée en m3/m2/h soit des m/h. Le temps de séjour ($T_S$) est un paramètre important qui nous permettra de déterminer le volume du dessableur. Le tableau ci-dessous présente les valeurs couramment rencontrées pour des dessableurs circulaires.

Valeurs nécessaires au dimensionnement
Paramètre Intervalle  Valeur retenue 
Charge hydraulique (m3/m2/h) 40-70 50 (m3/m2/h)
Temps de séjour (min) / 5 min

Il est courant d'utiliser une charge hydraulique de 50 m3/m2​/h pour un dessableur, lorsqu'il est dimensionné pour un débit maximum.

La surface du dessableur est déterminée de la manière suivante:

$$S=\frac{Q_{max}}{Ch}$$

Avec un débit $Q_{max}$ de 2160 m3/j comme dans notre étude, la surface nécessaire pour le dessableur est de 1,80 m2.

Nous utiliserons la formule suivante pour calculer le volume du dessableur:

$$V={Q_{max}}.{T_S}$$

Avec les paramètres retenus pour notre étude, le volume nécessaire pour le dessableur est de 7,5 m3.

  • Dégraisseur

​​Pour dimensionner un dégraisseur, une vitesse ascensionnelle ($V_a$) des particules de graisse doit être fixée. Or, comme il a déjà été précisé, il est courant d'utiliser la valeur de 15 m/h pour la vitesse ascensionnelle afin de dimensionner un dégraisseur. Le tableau ci-dessous résume les valeurs des différents paramètres nécessaires au dimensionnement.

Valeurs des paramètres nécessaires au dimensionnement
Paramètre Intervalle Valeur retenue
Vitesse ascensionnelle (m/h) 10-20 15
Temps de séjour (min) 10-20 20

Nous pouvons alors déterminer la surface $S$ et le volume $V$ du dégraisseur avec les formules suivantes:

$$S=\frac{Q_{max}}{V_a}$$

$$V={Q_{max}}.{T_S}$$

Les résultats suivants sont ainsi obtenus: $S$ = 6 m2 et $V$ = 30 m3.

Au vu des résultats obtenus pour le dimensionnement des deux ouvrages, c'est donc le dégraisseur qui impose sa taille ainsi que son temps de séjour. Le temps de séjour couramment utilisé pour les dégraisseurs, est supérieur à celui requis pour les dessableurs ce qui ne pose donc aucun problème.

Nous pouvons donc déterminer, la hauteur ($H$) et diamètre de l'ouvrage ($D$) en appliquant les relations suivantes:

$$H=\frac{V}{S}$$

$$D=\sqrt{\frac{4.S}{\Pi}}$$

Dimension du dessableur-dégraisseur
Paramètre Valeur
Hauteur $H$ (m)
Diamètre $D$ (m) 3

Il est possible d'estimer la quantité, de sable et de graisse, produite par les habitants. En effet, selon le "Guide technique de l'assainissement" de R.Bourrier, un habitant produit entre 5 et 12 litres de sable par an. De plus, d'après la fiche numéro 24 de la FNDAE, la production journalière de graisse, dans les eaux résiduaires urbaines, est estimée entre 15 à 20 grammes (exprimé en MEH = matières extractibles à l'hexane) par équivalent-habitant. Le tableau suivant présente les paramètres classiques, utilisés pour calculer la production de sable et de graisse.

Paramètres classiques pour l'estimation de la production de graisse et de sable
Paramètre Intervalle Valeur choisie
Production de sable (L/hab/an) 5 à 12 8,5
Production de graisse (g/hab/j) 15 à 20 17,5
Densité sable / 1,7
Densité graisse / 0,9
Concentration graisse (g/L de MEH) 13 à 100 56,5

Le tableau ci-dessous résume les résultats obtenus.

Quantités de graisse et de sables produites
  Population
Estivale Hivernale Sédentaire Moyenne
Paramètre Valeur
Volume de sable (m3/an) 102 85 30 51
Masse de sable (kg/an) 173 145 51 87
Production de graisse (T/an) 77 64 22 38
Débit à extraire (L/j) 3700 3100 1100 1900

Les déchets graisseux représentent une part importante de la pollution organique puisque selon la fiche 24 de la FNDAE, ils correspondent à 35 % de la DCO totale à traiter. Nous pouvons alors estimer la part de DCO contenu dans les graisses et vérifier si la DCO contenue dans nos graisses se rapproche de la valeur théorique. Pour cela, nous savons que 1 g de graisse (exprimée en MEH) équivaut à 2,3 g de DCO. Nous connaissons également le rendement des dégraisseurs, il nous est donc possible de déterminer la quantité de DCO éliminée au niveau du dégraissage.

Estimation de la quantité de DCO éliminée par le dégraissage
  Population
Estivale Hivernale Sédentaire Moyenne
Paramètre Valeur
Production de graisse (T/an) 77 64 22 38
Quantité équivalente en DCO (T/an) 176 147 51 88
Quantité de DCO entrante STEP (kg/j) 1620 1350 473 810
Part des graisses dans la DCO (%) 30 30 30 30
Quantité de graisse en sortie de dégraisseur (T/an) 69 57 20 34
Quantité de DCO en sortie de dégraisseur* (kg/j) 1185 988 346 593
Part de DCO éliminée (%) 27 27 27 27
$S(DCO)$ (g/L) 0,55 0,55 0,55 0,55

*Quantité DCO en sortie=(Quantité DCO entrante – Quantité graisse sortie dégraisseur).2,3/365

Ce tableau confirme bien la part théorique, d'environ 35 %, de DCO contenue dans les graisses. En effet, nous trouvons dans notre étude que la part de DCO correspond à environ 30 % des graisses. Les calculs, nous ont permis d'estimer la concentration en DCO en sortie de dégraisseur, cependant pour le dimensionnement de notre traitement biologique, nous ne tiendrons pas compte de cet abattement en DCO au niveau du dégraissage afin d'être dans les conditions les plus critiques.