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.