Dégrillage

1. Principe général

1.1 Principe

Le dégrillage est la première étape du prétraitement des eaux de notre installation (cf. Schéma de la STEP réaménagée) conformément à l'arrêté du 21 juin 1996 portant sur le traitement des eaux résiduaires, et imposant qu'un dégrillage soit placé en amont des dispositifs de traitement ou, le cas échéant, de prétraitement. Il consiste à éliminer les déchets plus ou moins volumineux tels que les chiffons, les textiles, les papiers, les plastiques, ou encore les branches et les feuilles ​entraînés par les eaux s’écoulant dans les canalisations d’assainissement.​ 

Le dégrillage permet de protéger les ouvrages en aval de la station contre les dommages qui peuvent être causés par les objets de grande taille contenus dans le flux des eaux usées (protection des équipements électromécaniques, réduction des risques de colmatage des conduites)​. De plus, il garantit l’absence de matière flottante visible à l’œil nu dans les eaux épurées au niveau des exutoires. Il s'agit d' une étape importante pour obtenir une boue qui ne contienne pas de déchets non biodégradables comme du plastique, et qui soit donc susceptible d’être valorisée.

Comme son nom l'indique, ce traitement est réalisé a l'aide de grilles positionnées au sein d'un canal rectiligne qui interceptent les déchets. Son efficacité dépend en grande partie du dégrilleur utilisé, du diamètre des barreaux et de l'espacement entre chacun d'eux, ainsi que de certaines caractéristiques du milieu dont proviennent les eaux. En effet, la nature des activités industrielles ou commerciales dans le bassin versant et le système d'égout (unitaire ou séparatif) à l'entrée de la STEP ont une influence sur la nature des refus et leur concentration dans les eaux.

       Dégrillage 
(Source : http://www.hellopro.fr/degrilleurs-2006982-fr-1-feuille.html​)

1.2 Différents types de dégrilleurs

Il existe différents systèmes de dégrillage des effluents choisis en fonction de la taille de la station d'épuration, de la charge polluante et du débit d'entrée des eaux. On distingue notamment trois grands types : les pré-dégrilleurs dont l'écartement entre les barreaux est supérieur à 40 mm, les dégrilleurs moyens dont l'écartement est compris entre 10 et 40 mm, et les dégrilleurs fins pour un écartement inférieur à 10 mm. 

Les conditions pluvieuses ont tendance à faire augmenter significativement les quantités de débris (rochers, bouts de bois) à l'entrée des stations d'épuration. Il est alors intéressant d'installer des pré-dégrilleurs dans ces stations régulièrement soumises à de fortes pluies, en amont d'un dégrilleur plus fin, pour éliminer les déchets de taille importante qui risqueraient d'endommager les équipements et notamment les pompes. Ils sont généralement situés en amont des postes de refoulement et de relevage pour cette dernière raison. A Saint-Louis, le risque de cyclone et les précipitations typiques de l'été austral nous incite à prévoir ce type d'aménagement.

De plus, un canal bypass doit être prévu pour tous types de dégrillage pour éviter les risques de débordement et permettre de traiter l'eau en cas de colmatage ou de panne au niveau de la grille principale. 

1.3 Nettoyage des grilles

Le nettoyage des dégrilleurs se fait par ratissage ou raclage et permet d'entraîner les détritus hors de la zone mouillée de la grille où ils s'agglomèrent en s'égouttant, avant d'être envoyés dans un bac de réception. L'eau peut alors s'écouler librement au travers de la grille. Ce nettoyage peut être réalisé manuellement, de façon périodique à l’aide de râteaux, ou automatiquement par l'amont ou par l'aval de la grille. L’opération de ratissage automatique est un mécanisme contrôlé soit par minuterie (horloge qui démarre le processus deux à trois fois par jour) ou par mesure de perte de charge provoquée par la grille colmatée.​ Lorsque l’énergie électrique est disponible sur le site, il est avantageux d’opter pour un dégrillage à nettoyage automatique pour réduire les coûts de main d'oeuvre. 

► L'étape de dégrillage sera donc composée de plusieurs dégrilleurs : 5 dégrilleurs grossiers en amont des postes de relevage et de refoulement, et deux dégrilleurs moyens, dont un dans un canal by-pass. Les dégrilleurs grossiers et le dégrilleur du canal by-pass seront manuels. En effet, les dégrilleurs grossiers ne nécessitent pas forcément d'être automatisés car ils retiendront uniquement les gros débris et seront moins rapidement colmatés, et le dégrilleur du canal by pass n'est utilisé qu'en cas de surdébit ou de dysfonctionnement. En revanche, le dégrilleur moyen du canal principal sera un dégrilleur mécanique. Nous avons choisi de ne dimensionner que le dégrilleur moyen du canal principal.

Étape de dégrillage

2. Choix du dégrilleur

La figure ci-dessous présente différents dégrilleurs et leurs applications :

               Les dégrilleurs et leurs applications
(Source : Guide technique sur les dégrilleurs dans les stations d'épuration)

Nous avons opté pour un dégrilleur incliné à barreaux car ils sont adaptés à notre station. Plusieurs modèles existent chez différents constructeurs qui en donnent les caractéristiques sur leur sites.

Le dégrilleur élévateur incliné type DEI proposé par le fabricant de matériel Inofilter, et dont il existe plusieurs modèles, semble correspondre à nos attentes. Il présente de nombreux avantages comme une installation facile, une automatisation du nettoyage de la grille, un raclage fréquent, une récupération des déchets directement dans une benne, une possibilité d'adaptation aux dimensions du canal et il nécessite peu d'entretien. Ce dégrilleur est construit en acier inoxydable et présente sur les côtés des bavettes latérales en butyl pour assurer l'étanchéité. Les déchets retenus sont évacués au moyen d'un système de raclage composé de peignes crantés en PEHD (ou de brosses) et de bavettes en polyuréthane situées en alternance sur deux chaînes de tirage. Les racleurs remontent les déchets le long de la tôle d'éjection et les rejettent par une goulotte d'évacuation à section rectangulaire au point haut de l'appareil. La vis de convoyage/compactage est une option proposée par le constructeur. Ce dégrilleur est équipé d'un dispositif d'arrêt d'urgence.

Le débit maximal au travers de la grille est de 3 000 m3/h ce qui est largement supérieur au débit de pointe de notre station. Il est incliné de 60° par rapport à l'horizontal. Les barreaux peuvent être espacés de 5 à 50 mm.

Dégrilleur élévateur incliné type DEI 
(source : http://www.inofilter.fr)

3. Dimensionnement

L'objectif du dimensionnement est de déterminer la surface de la grille nécessaire à l'élimination des matières volumineuses, ainsi que la largeur associée. Il faut ensuite s'assurer que la perte de charge à travers la grille reste acceptable. Le dégrilleur doit être dimensionné par rapport au débit de pointe instantané par temps sec de manière à garantir que la grille ne sera pas inondée lors des conditions de pointe. De plus, dans les installations de dégrillage, il est important de s’assurer que les vitesses sont suffisamment grandes pour éviter le dépôt de sédiments. 

Les étapes de calcul sont présentées sur la figure ci dessous :

Organigramme du dimensionnement du dégrilleur moyen 

Les caractéristiques de notre dégrilleur type DEI sont les suivantes (en accord avec les valeurs typiques de conception pour les dégrilleurs mécaniques ​):

Caractéristiques de la grille
Espacement entre barreaux e (mm) 15
Diamètre des barreaux d (mm) 10
Coefficient de colmatage C (-) 0,5
Angle d'inclinaison α (°) 60

Le coefficient de colmatage varie de 0,10 à 0,30 pour une grille manuelle et de 0,40 à 0,50 pour une grille automatique. Plus ce coefficient est faible, plus la surface de la grille est importante. Ce coefficient est normalement renseigné par les constructeurs des dégrilleurs, ici il est de 50%. 

Le débit de pointe instantané par temps sec est de 0,15 m3/s (cf. Caractérisation de l'effluent en entrée).

  • Calcul du coefficient de vide de la grille

La première étape consiste à calculer le coefficient de vide de la grille, noté O en connaissant l'espacement entre les barreaux et leur diamètre.

$$O=\frac{e}{e+d}$$

On obtient un coefficient de vide de 0,6.

  • Calcul de la surface de la grille

La surface de la grille est donnée par la formule liant le débit de pointe instantané par temps sec Qp,sec(m3/s), les coefficients de vide (O) et de colmatage (C), et la vitesse maximale de passage de l'eau à travers la grille vmax (m/s). Cette vitesse est de l'ordre de 0,6 m/s pour un réseau séparatif mais elle peut atteindre 1,2 m/s dans un réseau unitaire comme dans notre cas. Pour notre dimensionnement, nous avons donc pris une vitesse maximale vmax=1,2m/s. Il faudra adapter les dimensions du canal d'arrivée de l'eau pour permettre de placer la grille en fonction de ses dimensions et de respecter la vitesse de passage admissible. 

$$S_{grille}=\frac{Q_{p,sec}}{v_{max}*O*C}$$

La surface de la grille est de 0,41 m².

  • Calcul de la largeur de la grille

Pour calculer la largeur minimale de la grille, il faut tout d'abord déterminer la largeur oblique mouillée L0​ en fixant une valeur du tirant d'eau maximal t correspondant à la hauteur d'eau de la partie immergée de la grille

Représentation du dégrilleur en coupe verticale 
(source modifiée :  Technique de l'ingénieur)

A défaut de calcul hydraulique précis, on choisit t=0,4 m pour une station d'épuration entre 50 000 et 100 000 EH d'après les méthodes de calcul d'une filière de traitement.

$$L_{0}=\frac{t}{sin(α​)}$$

On obtient une largeur oblique mouillée de 0,46 m.

Et finalement, $$ l_{grille}=\frac{S_{grille}}{L_{0}}$$

La largeur minimale de la grille  est de de 0,9 m.

  • Calcul de la perte de charge à travers la grille

La perte de charge a travers la grille lorsqu'elle n'est pas colmatée est donnée par la formule ci-dessous, en considérant un canal rectiligne dont le facteur de forme β vaut alors 2,42.

$$ΔH=β*(\frac{d}{e})^{\frac{4}{3}}*\frac{v_{max}^{2}}{2g}*sin(α)$$

La perte de charge au travers de la grille pour une vitesse maximale de 1,2 m/s est de 90 mm, ce qui est inférieure à la perte de charge permise de 150 mm. Le colmatage a pour effet d'augmenter la perte de charge, et c'est pourquoi il faut nettoyer régulièrement la grille.

4. Étude hydraulique

Dans cette partie, nous avons voulu estimer les hauteurs d'eau et vitesses en amont et en aval de la grille lorsque le débit d'entrée de l'eau est égal au débit moyen de la station de 10 m3/s (cf.Caractérisation de l'effluent d'entrée).

La largeur du canal, notée b, est fixée à 1 m de manière à permettre l'insertion de la grille et pour prévoir un espace pour les bavettes latérales. De plus, on considère un canal en béton lisse de pente i=0,008. Pour cette étude, nous avons utilisé la relation de Bernouilli entre les points 1 et 2 représentés sur la figure ci dessous.

Représentation du dégrilleur moyen

En régime permanent, le débit est conservé de part et d'autre de la grille. Nous avons d'abord déterminer la vitesse v2 et la hauteur h2 en aval de la grille .

D'une part, on a $$h_{2}=\frac{Q_{moyen}}{b*v_{2}}$$

Et, d'autre part, la relation de Manning-Strickler donne $$v_{2}=K*R^{\frac{2}{3}}*\sqrt{i}$$

Avec R le rayon hydraulique tel que $R=\frac{b*h_{2}}{2h_{2}+b}$ et K le coefficient de strickler de 75 m1/3/ s pour un canal en béton lisse.

De ces deux équations, on déduit v2 = 0,46 m/s et h2 = 0,22 m

Pour déterminer la vitesse v1 en amont de la grille, on applique la relation de Bernouilli entre les points 1 et 2 sous les hypothèses d'un régime permanent et d'un fluide incompressible (ρ=cste​). Les points 1 et 2 sont à la pression atmosphérique, et la perte de charge est fonction de la vitesse v1.

$$h_{2}-h_{1}+\frac{p_{2}-p_{1}}{ρg}+\frac{v_{2}^{2}-v_{1}^{2}}{2g}+Δ​H=0$$

On en déduit v1​=0,43 m/s. Cette vitesse doit être supérieure à 0,3 m/s pour éviter le dépôt de sédiment dans le canal, ce qui est bien le cas ici. La perte de charge, relativement faible, est de 12 mm.

Enfin, on peut déduire la hauteur h1 en amont de la grille $h_{1}=\frac{Q_{moyen}}{b*v_{1}}=0,24 m$. Les hauteurs d'eau sont bien inférieures au tirant d'eau maximal que l'on s'était fixé pour le dimensionnement. On aura une différence de hauteur de 1,3cm entre l'amont et l'aval de la grille.

Résultats de l'étude hydraulique
hauteur en amont h1(m) 0,24
hauteur en aval h2(m) 0,22
vitesse en amont v1(m/s) 0,43
vitesse en aval v2(m/s) 0,46
perte de charge Δ​H (m) 0,01

5. Refus de dégrillage

5.1 Quantité de refus

Le refus annuel de dégrillage dépend en grande partie de l'écartement entre les grilles. La figure suivante donne des valeurs indicatives de la quantité de refus en fonction de l'espacement entre les barreaux.

 Quantité de refus retenus par les grilles à barreaux mécaniques​ 
(source modifiée : Guide Technique sur les Dégrilleurs dans Les Stations d’Épuration Directeur​)

Comme on peut le voir, le dégrilleur moyen, dont l'espacement entre barreau est de 15 mm, permet de retenir 40 m3 de refus de dégrillage pour 10m3 d'eau traitée. Connaissant le volume  d'eau moyen entrant dans notre station chaque année (3 230 250 m3/an), on en déduit que la quantité de refus au niveau de ce dégrilleur s'élèvera à 130 m3/an en moyenne. L'espacement des barreaux des dégrilleurs grossiers est choisi à 55 mm, et on obtient de la même manière une quantité moyenne de refus de 23 m3/an. On suppose que cette quantité est la somme des refus de dégrillage des 5 pré-dégrilleurs. Finalement, l'étape de dégrillage permettra de retenir en moyenne 150 m3/an de déchets volumineux, avec une siccité de 20% après avoir été égouttés. Il peut être intéressant de réduire le volume de ces déchets par différentes techniques de compactage plus ou moins efficaces. 

5.2 Devenir des refus de dégrillage

Les refus de dégrillage sont assimilés aux ordures ménagères et ils suivent généralement les mêmes filières de collecte et de traitement que celles-ci. D'après les calculs, on aurait environ 3 m3 par semaine de déchets à éliminer, ce qui peut se faire en une fois en prévoyant une benne de stockage sur le site. Il faut en effet une capacité de stockage de 48 heures minimum à l’abri des rats, et des insectes. Cependant, il ne faudra pas les stocker beaucoup plus longtemps car ils peuvent être a l'origine de dégagements de mauvaises odeurs et il peut être souhaitable de mettre en place des bennes hermétiques, ou des locaux sous dépression​. ​A Saint Louis, dans le secteur F où se situe la station, la collecte des déchets ménagers est réalisée 2 fois par semaine le mercredi et le samedi. 

En France, 59% des refus de dégrillage sont envoyés en CDSU (Centre de stockage des déchets ultimes) de classe II et 24% d'entres eux sont incinérés. Le reste est stocké (7%) ou composté (10%) même si cette voie est à éviter au vue de la composition de ces déchets.

6. Besoins énergétiques

L'étape de dégrillage nécessite un apport énergétique pour l'entraînement des déchets. Les dégrilleurs de type DEI sont équipés d'un moteur d'une puissance pouvant aller de 0,37 à 1,5 kW. En supposant un fonctionnement fréquent de 10 min par heure (soit 4h/jour) et en considérant une puissance moyenne de 0,93 kW, on en déduit que le dégrilleur consomme  1,3 MW.h en un an.


Bibliographie

A.G.Sadowski, Méthode de calcul d'une filière de traitement, Engees, 2002. 

C.Cardot, Génie de l'environnement: Les traitements de l'eau pour l'ingénieur, Ellipses, 2010.

E.Paul, Traitement biologique des eaux: Systèmes de dégrillage des effluents, INSA Toulouse, 2014-2015.

Fiches d'exploitation des stations d'épuration, Conseil général de la Loire, 2006.

Fiche technique : Dégrilleur, élévateur incliné - type DEI, Inofilter, URL : http://www.inofilter.fr/medias/fichier/DEI_-_DEGRILLEUR_ELEVATEUR_INCLINE.pdf, consulté le 1/03/2015

G.Degoutte, traité d'hydraulique a surface libre.

J.M.Berland, Traitement des eaux résiduaires des agglomérations-concepts et relevage, Techniques de l'ingénieur, 2014.

J.Pronost, R.Pronost, L. Delpat, J.Malrieu, JM Berland, Stations d'épuration: dispositions constructives pour améliorer leur fonctionnement et faciliter leur exploitationDocument technique fndae n°22Ministère de l'agriculture, de l'alimentation, de la pêche et des affaires rurales, CEMAGREF Editions, 2002.

M.Mahi​, Guide technique sur les dégrilleurs dans les stations d’épuration​,ONEE/IEA, 2013 

P.A Vesilind, Wastewater treatment plant design,IWA, 2003.

Ville 25 000 EH, Station d'épuration : Note de calcul et matériel d'équipement, Hydranet Ingénierie, 2006.

Y.Falcon, Les ouvrages de génie civil des stations d’épuration des petites collectivités : conception et dimensionnement rapide, CNAM, 2010.