Dessablage/dégraissage

1. Principe général

Les étapes de dessablage et de dégraissage ne sont pas obligatoires dans les stations de traitement des eaux usées. Cependant, comme nous n'avons pas prévu de décantation primaire, nous avons estimé qu'il était nécessaire de mettre en place ces dispositifs. De plus, ils ont été prévus par le projet de réhabilitation de 2015 ce qui confirme leur utilité.

Le dessablage consiste à débarrasser les eaux des solides de taille supérieure à 200 μm (sables, graviers, matières minérales lourdes) par décantation sous l'effet de la gravité. À la différence de la décantation primaire, il n’élimine pas les matières volatils en suspension (MVS). En effet, le dessablage est basé sur la différence de densité entre les solides à séparer (d ≈ 1,7 à 2,6) et les matières organiques (d ≈ 1,2), plus légères, qui restent en suspension. Pour limiter la décantation de ces matières organiques, il faut maintenir une vitesse de l’effluent entre 0,3 et 0,6 m/s. En fait, La décantation a lieu si la vitesse de chute des particules est supérieure à la vitesse de l’eau. 

​Pour information, la vitesse de chute des différentes particules pour un régime laminaire est donnée par la loi de Stockes :

$$v=\frac{g}{18}*\frac{rs-rl}{m}*d^{2}$$

Avec m la viscosité cinématique du liquide (m²/s), rl la masse volumique du liquide, rs la masse volumique du solide, d le diamètre des particules et g l'accélération de la pesanteur (=9,81 m/s²).

Le dégraissage vise à éliminer les graisses et huiles d'origine végétale et animale par flottation naturelle, lorsque la différence de masse volumique est naturellement suffisante pour séparer deux phases, ou accélérée par injection de fines bulles d'air. La flottation est une technique de séparation fondée sur des différences d'hydrophobicité des particules à séparer. 

Ces deux étapes de traitement sont souvent réalisées au sein d’une même unité de traitement, et on parle alors d’ouvrage combiné. L’extraction des sables peut se faire par raclage de fond ou par pompage, et l’extraction des graisses rassemblées à la surface des eaux sous forme d'écume se fait à l’aide de pont racleurs. Elles sont recueillies dans une goulotte avant d'être envoyées dans une cuve de stockage.

Dessableur/dégraisseur, pont racleur
(Source : http://construction-step-erstein.fr/la-nouvelle-station-depuration/​​)

L'objectif est de protéger les installations en aval contre les phénomènes d’érosion (dans le cas des pompes notamment), ou de colmatage (dans le cas des conduites) dont les sables peuvent être responsables. De plus, la séparation des graisses permet une forte augmentation du rendement du traitement secondaire puisque lorsqu'elles sont combinées à la matière organique, elles diminuent l’efficacité de leur dégradation. De plus, cela permet de faciliter le transfert d'oxygène au sein de la boue biologique.

Il est généralement demandé de pouvoir isoler le dessableur/dégraisseur sans entraîner l’arrêt de la station d’épuration. A ce titre, il est souhaitable que cet ouvrage soit by-passable comme l'est le dégrilleur moyen dimensionné dans la partie précédente.
 

2. Choix du dessableur/degraisseur

Si les dessableur-dégraisseurs peuvent être de différentes formes, on les trouve souvent sous la forme cylindro-conique car cette forme correspond à un optimum d’utilisation des volumes disponibles.  De plus, cette forme favorise la décantation des sables. Cependant, un décanteur de section rectangulaire permet de réduire sensiblement la hauteur de l’ouvrage, et donc, les volumes morts par rapport à un décanteur de section cylindrique. 

► Comme ils sont les plus couramment utilisés, nous avons choisi de mettre en œuvre un ouvrage de forme cylindro-conique avec insufflation d’air, évacuation automatique des graisses et reprise des matières sédimentables déposées dans le fond au moyen d’un aéroéjecteur​.

Le stockage des sables se fait dans la partie conique du bassin dont la pente sera fixée à 60° (la valeur minimum admissible étant de 50°). Les ouvrages sont généralement réalisés en béton et l’étanchéité des parties de l'ouvrage en contact avec l'eau est assurée par incorporation d'hydrofuge dans la masse du béton.​

Schéma du dessableur/dégraisseur

3. Dimensionnement

L'objectif du dimensionnement est de déterminer la surface, la hauteur cylindrique et le volume total de l'ouvrage. Le temps de séjour nécessaire à l’ascension des graisses (de l’ordre de 10 minutes) étant supérieur au temps de séjour nécessaire à la décantation des sables (de l’ordre de 3 à 5 minutes), c’est le dégraissage qui conditionne le dimensionnement de l’unité de dessablage-dégraissage.

Les étapes de calcul sont présentées sur la figure suivante :

Organigramme du dimensionnement du dessableur/dégraisseur

Les valeurs usuelles considérées pour le dimensionnement d'un dessableur/dégraisseur aéré sont les suivantes :

Valeurs caractéristiques pour le dimensionnement de l'unité
Vitesse ascensionnelle, Va 15 m/h
Temps de séjour, $\tau$ 10 min

Le débit de pointe instantané par temps sec est de 537 m3/h, soit 9 m3/min (cf.Caractérisation de l'effluent en entrée).

  • Calcul de la surface et du diamètre

Connaissant la vitesse ascensionnelle et le débit de pointe, on peut déduire la surface nécessaire aux processus de dessablage et de dégraissage, et calculer le diamètre correspondant.

$$S=\frac{Q_{p,sec}}{V_{a}} = 35,8 m^{2}$$

$$D=\sqrt{\frac{4*S}{\pi}}= 6,8 m$$

  • Calcul du volume total de l'ouvrage

​Connaissant le temps de séjour et le débit de pointe, on peut déduire le volume de l'équipement.

$$V=\tau*Q_{p,sec}= 90m^{3}$$

Il est à noter que le rapport du volume de l'ouvrage sur sa surface doit être compris entre 1,25 et 2,5 m, or nous avons un rapport de 2,5 m.

  • Calcul de la hauteur cylindrique

Le volume calculé correspond au volume total soit la somme des volumes de la partie cylindrique et de la partie conique.

$$V=V_{cylindre}+V_{cone} = S*H_{cylindre}+\frac{\pi*D^{2}*H_{cone}}{12}$$

On peut facilement déterminer la hauteur du cône par des considérations géométriques.

Schéma de la partie conique de l'ouvrage 

$$H_{cone} = \frac{D}{2*tan(30°)}$$

On en déduit donc les hauteurs et volumes des parties cylindriques et coniques de l'ouvrage. Il faudra alors s'assurer que la hauteur de la partie cylindrique ne dépasse pas 0,8 m, ce qui est le cas comme on le voit dans le tableau ci-dessous.

Dimensions du dessableur/dégraisseur
Surface 35,8 m²
Volume total 90 m3
Volume partie cylindrique 20 m3
Hauteur du cylindre 0,56 m
Volume partie conique 70 m3
Hauteur du cône 5,82 m

4. Sous-produits du dessablage/dégraissage

4.1 Quantité de sable

Les déchets sableux issus du prétraitement sont classés dans la rubrique n°19 08 02 du décret N°2002-540 du 18 avril 2002, relatif à la classification des déchets. 

Le terme "sable" correspond à un ensemble hétéroclite d'une multitude de composés tels que des noyaux et des pépins de fruits, des matières plastiques, ou encore des produits issus de la dégradation de la chaussée ou des chantiers urbains. Théoriquement, le dessablage élimine 90% des particules de taille supérieure ou égale à 200 μm. Cependant, il est difficile d'évaluer la production et la composition exacte du sable (siccité, % de matières organiques,..) car elles sont très dépendantes du type de réseau. En général, la production varie de 2 à 17 litres par habitant et par an.

En prenant une valeur moyenne de 10 L/EH/an, on obtient une quantité de boue annuelle de 800 m3. La densité moyenne est prise à 2, ce qui donne une production de 1,6 tonnes de sables par an avec une siccité moyenne de 45 %. 

4.2 Devenir des sables 

Les sables peuvent contenir des éléments polluants comme des métaux lourds issus notamment des réseaux pluviaux et ils sont souvent carencés en azote ce qui exclue leur valorisation agricole. Ils peuvent cependant être utilisés en tant que sables de remblais. Comme cette étape de dessablage est nouvelle au niveau de la station, il faudrait se renseigner sur les filières de valorisation ou de traitement des sables qui pourraient être mise place à Saint-Louis.

On peut prévoir un traitement de ces sables avant de les stocker dans des silos au niveau du site : un classificateur de sable permet par exemple d'égoutter et de laver les sables et les graviers et d'arriver à une siccité de l'ordre de 90%. Dans ce cas, il faudra stocker 1,8 t/an de sable. On considère que les sables sont stockés pendant 2 mois au niveau de la station, on aura alors besoin d'un volume minimum de silo de 150 m3 ​(en faisant l'hypothèse que la densité du mélange eau+sable est égale à celle des sables).

4.3 Quantité de graisse 

 Les déchets graisseux issus du prétraitement sont classés dans la rubrique n°19 08 10 du décret N°2002-540 du 18 avril 2002, relatif à la classification des déchets. Ils sont considérés comme des déchets non ultimes en raison de leur traitabilité, de leur faible siccité et de leur taux élevé en matière organique.

Les teneurs en graisses sont évaluées par la mesure des MEH (Matières Extractibles à l’Hexane). En général, la quantité de graisse arrivant en station est estimée à 16 gMEH/EH/jour. On en déduit une estimation de la quantité de graisse présente dans les eaux de 1,28 t/j, soit 467 t/an. Cependant, l’efficacité des dégraisseurs est de l’ordre de 5 à 25 % pour des eaux résiduaires domestiques. En prenant une efficacité moyenne de 15%, on obtient une production annuelle de 70 tonnes

​On peut noter que les graisses présentes dans les eaux usées constituent entre 30 et 35% de la DCO en tête de station. ​On a 1 g de graisse ≈ 2,5 g DCO, donc 1,28 tMEH/j * 2,5 = 3,2 tDCO/j, ce qui correspond à 34% de la DCO en tête de notre station. En prenant en compte le rendement de l'ouvrage de 15%, on voit que le dégraisseur permet d'éliminer 5 % de la DCO initiale. Nous avons choisi de ne pas considérer cet abattement de la DCO dans les étapes suivantes. 

4.4 Devenir des graisses

La mise en décharge ou en CSDU des graisses à été interdite à compter du 31/07/2002 car elles ne sont plus considérées comme des déchets ultimes et que leur siccité est trop faible. De plus, on constate que la revalorisation des sous produits graisseux est quasiment inexistante, et que l'épandage agricole est peu recommandé car la valeur nutritive des graisses est relativement faible (3 kgN/tonne). La plupart du temps, elles sont incinérées or ce n'est pas possible à Saint-Louis puisqu'il n'y a pas d'incinérateur. L'hydrolyse par traitement biologique aéré est de plus en plus utilisé. D'ailleurs, c'est la voie proposée par l'arrêté du 18 novembre 2013 relatif au réaménagement de la STEP. Il est mentionné que les résidus secs après séchage sur un lit dédié pourraient être envoyés dans un centre de traitement des déchets, tandis que les eaux de colatures pourraient être renvoyées dans le traitement secondaire. Une autre possibilité serait de valoriser les graisses par codigestion dans le méthaniseur. Finalement, il serait intéressant d'étudier plus précisément chacune de ces possibilités.

En considérant un stockage des graisses préalablement concentrée de l'ordre de 1 mois (siccité de 30%, densité 0,9), il faudra prévoir un bac de stockage d'environ 21 m3

5. Besoins énergétiques

L'insufflation d'air requiert une puissance de 20 à 30 W.m-3, ce qui représente dans notre cas 2,25 kW pour une puissance moyenne de 25 W.m-3. Le temps de fonctionnement journalier est de 24h, ce qui donne une consommation de 19,7 MW.h par an.

La puissance absorbée par le dispositif d'évacuation automatique des graisses par raclage est de 0,2 kW et fonctionne 24h/24. Cela donne une consommation de 1,7 MW.h par an.

L'aéroéjecteur qui permet d'extraire les sables fonctionne avec un débit de surpresseur d'air de 150 m3/h.


Bibliographie

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

C.Cardot, Génie de l'environnement : Techniques appliquées au traitement de l'eau, Ellipses, 2001.

C.Dagot, J.Laurent, Le dégraissage, consulté le 20/02/2015, URL:http://uved-ensil.unilim.fr/co/Degraissage.html​, ENSIL, 2013.

Construction STEP Erstein. Consulté le 6/03/2015, URL: http://construction-step-erstein.fr/​

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

JP.Canler, Dysfonctionnements des stations d'épuration : origines et solutions, Document technique fndae n°33; Ministère de l'agriculture, de l'alimentation, de la pêche et des affaires rurales, CEMAGREF editions, 2005.

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

Ville 25 000 EH, station d'épuration : Note et calcul et matériel d'équipement, Hydranet ingenierie, 2006

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