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TECHNIQUE DE L’ASSAINISSEMENTTECHNIQUE DE L’ASSAINISSEMENT
Faculté des Sciences et Techniques de Marrakech
Partie 1 : Données fondamentales :
• Généralités.
• Le milieu naturel dit «milieu récepteur».
• Les analyses de sites.
Plan du cours
• Les analyses de sites.
• Les systèmes d’évacuation des eaux usées et des eaux pluviales.
• Eaux usées et eaux pluviales : aspects qualitatifs.
• L’assainissement non collectif.
Partie 2 : Composante d’un système de collecte :
• Conception des réseaux : principes hydrauliques fondamentaux.
• Eaux usées : aspect quantitatif et dimensionnement des réseaux.
• Eaux pluviales : aspect quantitatif et dimensionnement des réseaux.
Plan du cours
• Eaux pluviales : aspect quantitatif et dimensionnement des réseaux.
• Les éléments constitutifs du réseau.
• Les déversoirs d’orage.
• Les retenues d’eaux pluviales.
• Les bassins de stockage - restitution.
Partie 3 : Composante d’un traitement :
• Prétraitement et élimination des sous-produits.
• Le traitement primaire.
Plan du cours
• L’élimination de la pollution carbonée.
• L’élimination de l’azote et du phosphore.
• Dimensionnement d’une station d’épuration.
Partie 3 : Prétraitement et élimination des sous-
produits.
Figure 33 : Schéma de fonctionnement d’une station d’épuration à boues activés
Partie 3 : Prétraitement et élimination des sous-
produits.
Le dégrillage :
A l’entrée de la station d’épuration, les effluents bruts doivent subir un dégrillage.
Ainsi les matières volumineuses sont retenues au travers des grilles.
Le prétraitement peut être défini de la façon suivante :
- pré-dégrillage : les barreaux des grilles sont espacés de 30 à 100 mm.
- dégrillage moyen : les barreaux des grilles sont espacés de 10 à 30 mm.
- dégrillage fin : les barreaux des grilles sont espacés de moins de 10 mm.
Le dégrillage :
Pour le dimensionnement hydraulique, on se base sur la vitesse de passage à
travers la grille, qui doit être suffisante pour obtenir l’application des matières sur la
grille sans pour autant provoquer une perte de charge importante ni entrainer un
colmatage en profondeur des barreaux ou un départ des matières avec l’effluent.
Généralement, les vitesses moyennes de passage admises sont de l’ordre de
Partie 3 : Prétraitement et élimination des sous-
produits.
Généralement, les vitesses moyennes de passage admises sont de l’ordre de
0,60m/s à 1,40 m/s au débit de pointe.
Le dégrillage :
Les grilles manuelles : Ces grilles sont généralement réservées aux très petites
installations d’épuration. Le nettoyage manuellement à l’aide d’un râteau. (C = 0,1 à
0,30).
Les grilles mécaniques : Elles sont indispensable à partir d’une certaine taille de
Partie 3 : Prétraitement et élimination des sous-
produits.
Les grilles mécaniques : Elles sont indispensable à partir d’une certaine taille de
stations d’épuration, voire sur des installations de faible importance afin de réduire
les interventions manuelles de nettoyage. (C = 0,40 à 0,50).
Le dégrillage :
Exemple de dimensionnement :
Une commune envisage l’extension de sa station d’épuration pour une capacité de
traitement de 16000 EH et d’un volume de 2275 m3/j. La station d’épuration existante
est équipée d’un dégrilleur automatique avec espacement des barreaux de 10 mm,
ayant les caractéristiques suivantes :
Partie 3 : Prétraitement et élimination des sous-
produits.
ayant les caractéristiques suivantes :
Largeur de la grille l = 0,60 m;
Hauteur de canal h = 1,20m;
Vitesse de passage admise v = 0,8m/s;
Coefficient de colmatage c = 0,5.
Le débit maximal à traiter est 145 l/s.
La hauteur d’accumulation = Qmax/(c × l × v) = 0,145 / (0,6 × 0,5 × 0,8 ) = 0,60 m avec
Q en m3/s.
La hauteur du canal doit être supérieur à 0,60 m.
RATEAU
ÉVACUATION DES
REFUS DE GRILLE
Partie 3 : Prétraitement et élimination des sous-
produits.
GRILLE
Figure 34 : Dégrilleur vertical.
Le dessablage :
Le dessablage s’effectue sur des particules de dimensions supérieures à 200 µm.
La vitesse de sédimentation se calcule par chute libre. On calcule la section du
dessableur de manière que la vitesse de l’eau ne descende pas au-dessous de 0,30
à 0,20 m/s ; on évite ainsi que les matières organiques se déposent en même
temps que les sables.
Partie 3 : Prétraitement et élimination des sous-
produits.
Le sable est extrait soit mécaniquement par raclage vers un poste de réception,
puis repris par pompage, soit directement par pompe montée sur pont roulant.
POMPE AERATRICE
(DESHUILAGE)
ALIMENTATION
SORTIE
PONT RACLEUR
Partie 3 : Prétraitement et élimination des sous-
produits.
EXTRACTION
DES SABLES
EXTRACTION
DES GRAISSES
Figure 35 : Dessableur-déshuileur.
Le dégraissage-déshuilage :
Le déshuilage-dégraissage se rapporte à l’extraction de toutes les matières
flottantes d’une densité inférieure à celle de l’eau. Ces matières sont de natures
très diverses et la teneur des eaux usées en graisses est de l’ordre de 30 à 75
mg/L.
Néanmoins, certains rejets industriels (abattoirs, laiteries...) peuvent élever ces
Partie 3 : Prétraitement et élimination des sous-
produits.
Néanmoins, certains rejets industriels (abattoirs, laiteries...) peuvent élever ces
valeurs à 300-350 mg/L.
Le dégraissage-déshuilage :
Les résidus graisseux constituent un problème important des rejets urbains. Les
quantités rejetées sont élevées. L’insolubilité dans l’eau et la lente dégradabilité sont
à l’origine de l’encrassement des ouvrages d’assainissement, du colmatage des
canalisations et des perturbations dans la filière de traitement de la station
d’épuration.
L’évacuation des graisses s’effectue à l’aide d’un système de raclage de surface
Partie 3 : Prétraitement et élimination des sous-
produits.
L’évacuation des graisses s’effectue à l’aide d’un système de raclage de surface
poussant les flottants dans une trémie. Les graisses sont ainsi envoyées,
gravitairement ou à l’aide d’une pompe, soit vers les bacs à graisses, soit vers le
réacteur de traitement biologiques des graisses.
Figure 36 : Dégraisseur-déshuileur.
Partie 3 : Le traitement primaire.
Les procédés de traitement primaire sont physiques, comme la décantation plus ou
moins poussée, éventuellement physico-chimique ; les déchets recueillis
constituent ce qu’on appelle les boues primaires.
Procédés physiques de décantation :
La base de ces procédés de séparation solide-liquide est la pesanteur. On utilise leLa base de ces procédés de séparation solide-liquide est la pesanteur. On utilise le
terme de décantation lorsque l’on désire obtenir la clarification d’une eau brute ; si
l’on veut obtenir une boue concentrée, on parle de sédimentation.
Le mécanisme de décantation d’une particule en chute libre se traduit, en eau
calme, par l’équilibre entre la force de gravité et la force de traînée qui lui est
opposée.
Procédés physiques de décantation (suite) :
La formule de Stockes, valable pour les
particules isolées, fines et granulaires en
absence d’effet cohésif, s’exprime sous la
forme suivante :
Us = [(4gd/3C)×(ws – w)/w]1/2
Us vitesse de chute de la particule en eau
Partie 3 : Le traitement primaire.
Us vitesse de chute de la particule en eau
calme (m/s).
D le diamètre de la particule (m).
C coefficient de frottement ou de traînée au
voisinage de la particule.
Pour un nombre de Reynolds Re < 1, on a :
Us = (gd2/18ηηηη)×(ws – w).
ηηηη Viscosité dynamique du liquide (ηηηη = 10-3
Pa.s)
Figure 37 : fonctionnement théorique du
décanteur rectangulaire classique.
Procédés physiques de décantation (suite) :
Les matières en suspension contenues dans les eaux usées domestiques est
d’environ 1,2 g/cm3.
d (mm)
U (cm/s)
MES (ws = 2,5 g/cm3)
U (cm/s)
MES (ws = 1,2 g/cm3)
Partie 3 : Le traitement primaire.
2
1,5
1
0,5
0,2
0,1
0,05
0,01
29,2
23,7
17
8,4
2,5
0,8
0,2
0,01
8,9
6,8
4,4
1,8
0,4
0,1
0,03
0,002
Procédés physiques de décantation (suite) :
Décanteurs longitudinaux :
La décantation longitudinale peut s’opérer au sein de bassins longitudinaux dont les
parois sont inclinées selon une pente de 50°à 60°su r l’horizontale afin d’éviter le
risque d’accrochage des boues sur les parois ou dans les angles.
Partie 3 : Le traitement primaire.
risque d’accrochage des boues sur les parois ou dans les angles.
Le raclage des boues est assuré, dans ce type de décanteur, par des ponts racleurs
qui se déplacent selon un mouvement de va-et-viens. Ils raclent les boues à contre-
courant seulement. Les boues sont ainsi ramenées vers l’un des petits côtés de
l’ouvrage ; par contre, les matières légères sont dirigées vers l’extrémité du bassin.
Procédés physiques de décantation (suite) :
Décanteurs circulaires :
Les décanteurs de forme circulaire ont généralement des diamètres limités entre 50
et 60 m mais ils peuvent atteindre, dans certains cas, 90 m. Cependant, la forme
circulaire est particulièrement sensible aux effets du vent, qui peuvent perturber la
Partie 3 : Le traitement primaire.
circulaire est particulièrement sensible aux effets du vent, qui peuvent perturber la
bonne répartition des filets liquides.
L’arrivée des effluents se fait par un fût central creux pour les décanteurs.
L’alimentation peut aussi être assurée à la périphérie du bassin.
Dans la plupart des bassins circulaires le système de raclage consiste en un
mécanisme à commande périphérique constitué par un pont tournant auto-moteur
reposant, au centre, sur un pivot (fût central) et, à la périphérie sur des galets
porteurs tracteurs.
Dimensionnement des décanteurs :
Décanteur rectangulaire :
Les particules sont animés d’un mouvement théoriquement uniforme dont le vecteur
a pour composante horizontale V, la vitesse de l’eau dans le bassin décanteur, et
pour composante verticale U la vitesse de chute :
Partie 3 : Le traitement primaire.
pour composante verticale U la vitesse de chute :
Le temps de chute théorique, dans un bassin décanteur de hauteur H, est donc égal
à : t = h/U.
La longueur minimale nécessaire pour qu’une particule débouchant dans le
décanteur atteigne le fond est alors égale à : L = (V × h) /U
Dimensionnement des décanteurs :
Décanteur rectangulaire :
Dans un décanteur rectangulaire, les dimensions minimales sont ainsi caractérisées
par la nature de la particule et la vitesse dans la section transversale d’écoulement ;
on a donc :
Partie 3 : Le traitement primaire.
on a donc :
h × b = St = Q/V soit b = Q/(V × h)
h hauteur d’eau (en m).
b largeur minimale (en m).
Q débit d’entrée.
St section transversale du décanteur.
V vitesse de l’effluent (m/s).
Procédés physiques de décantation (suite) :
Décanteurs lamellaires :
En dehors des décanteurs rectangulaires
ou circulaires, il convient de signaler la
mise en œuvre de décanteurs à plaques ou
Partie 3 : Le traitement primaire.
mise en œuvre de décanteurs à plaques ou
tubes inclinés à 60°. Le dispositif, appelé
décanteurs lamellaire oblique, a une
efficacité de sédimentation qui dépend de
sa surface horizontale.
Ces décanteurs sont des systèmes
efficaces par la surface d’échange qu’ils
développent, notamment pour la
décantation des particules de densité
inférieure à 1.
Figure 38 : Décanteur lamellaire.
Procédés physiques de décantation (suite) :
Décanteurs lamellaires :
ces décanteurs peuvent être disposés en parallèle, la circulation de l’effluent se
faisant de bas en haut ou à courant croisés.
Partie 3 : Le traitement primaire.
Figure 39 : Décanteur lamellaire
à contre courant.
Figure 40 : Décanteur lamellaire
à courants croisés.
Dimensionnement des décanteurs :
Décanteur lamellaire :
Connaissant le débit total Q à traiter, le débit entre chaque intervalle n (lamelle) est :
q = Q/n.
b et d respectivement la largeur d’une lamelle et la distance entre deux lamelles et αααα
l’angle d’inclinaison des lamelles.
Partie 3 : Le traitement primaire.
l’angle d’inclinaison des lamelles.
Les composants de la vitesse sont :
La vitesse horizontale Vx = V cos(αααα) = (q/bd) x cotg(αααα).
La vitesse verticale est Vy = V sin(αααα) = (q/bd).
La vitesse de décantation, avec Us la vitesse de chute de la particule est
Vd = Vy – Us = q/(bd) – Us
Dimensionnement des décanteurs :
Décanteur lamellaire :
La particule sera piégée si le temps de parcours vertical : L sin(αααα)/Vd
est supérieur au temps de parcours horizontal : (d+(L × cos(αααα)))/Vx
Avec L la longueur de la lamelle.
On a donc : q/(Lb) ou Q/(nLb) < U × (d/L + cos(αααα))
Partie 3 : Le traitement primaire.
On a donc : q/(Lb) ou Q/(nLb) < Us × (d/L + cos(αααα))
qui conduit à obtenir et pouvoir optimiser les caractéristiques d’un décanteur.
Le nombre de Lamelles est n = Q / [Us × L × b ×((d/L) + cos(αααα))]
La vitesse de sédimentation est Us = Q / [n × b ×(d + L × cos(αααα))]
La largeur de la lamelle est b = Q / [Us × n ×(d + L × cos(αααα))]
L’espacement entre les lamelles est d = (Q/n × b × Us) – (L × cos(αααα))
La longueur des lamelles est L = [(Q/n × L × Us) – d] × (1/cos(αααα)))
L’angle d’inclinaison αααα est αααα = arcos((Q/n × L × Us) × (1/L))
Le débit entrant est : Q = n × b × Us × (d + L cos(αααα))
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
Biomasse :
On désignera par la biomasse l’ensemble des bactéries existantes dans le milieu à
purifier. La croissance de cette biomasse est due à la présence d’élément nutritifs :
le carbone, l’oxygène, l’azote, le phosphore etc.
Cette croissance de la biomasse B peut s’écrire sous la forme :Cette croissance de la biomasse B peut s’écrire sous la forme :
dB/dt = (µµµµ - b) × B0
Avec µµµµ vitesse spécifique de croissance.
b coefficient de mortalité.
B0 biomasse initiale.
B biomasse au temps t.
µµµµ = µµµµmax × S/(Ks+S)
µµµµ = µµµµmax × Le/(KLe+Le) × N/(KN+N) × O2/(KO2+O2) × P/(KP+P) × …
Le désigne le carbone et K la constante de Monod ou de demi-saturation.
Biomasse :
L’accroissement de la biomasse correspond à la phase d’anabolisme. L’autolyse
ou la respiration endogène désigne la mortalité bactérienne et correspond à la
phase de catabolisme. En effet, en l’absence de substrat externe (exogène), les
cellules utilisent leur réserves comme source de carbone.
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
KLe (carbone) KN KP KO2
75 à 80 0,2 0,4 0,5
Dans l’épuration des eaux usées on admet les données suivantes comme valeurs
des constantes de demi-stauration.
Pollution des eaux usées :
Les paramètres mesurant la pollution carbonée et repris par la législation sont au
nombre de 3 : DBO5, DCO et MES. Cette pollution est présente sous 3 formes
physico-chimiques dans les eaux usées. En effet, on peut la subdiviser en fractions
décantables, colloïdales et solubles.
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
Une simple décantation permet d’éliminer environ 30% de la matière carbonée. Le
rendement en mode physico-chimique (coagulation-décantation) monte à 60%, car
la fraction colloïdale est touchée. L’élimination de la partie soluble rend obligatoire
un traitement biologique.
Fraction
décantable
Fraction
colloïdale
Fraction
soluble
MES 2/3 1/3 -
DCO, DBO5 1/3 1/3 1/3
Principe d’épuration biologique :
Il faut s’imaginer l’installation comme une gigantesque table sur laquelle la
pollution est la nourriture et les convives sont les bactéries. On peut ensuite lister
les problèmes posés et émettre les solutions. La pollution arrivent continuellement,
sa dégradation est aérobie est assurée par une biomasse adaptée, suffisante et
constante.
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
constante.
On assiste au transfert d’une pollution de type soluble ou colloïdale en boue
biologique, élément manipulable et décantable. Le périmètre alimentation-
consommateur est fondamental dans tous système vivant. La boue peut être
considérée comme un organisme vivant qui se nourrit, respire, se développe et
meurt.
Principe d’épuration biologique :
L’évaluation de la production de boues est indispensable pour dimensionner la
station. Pour les exploitants, elle permet de valider l’optimisation des réglages.
L’accumulation des MES non biodégradables et l’accroissement de la biomasse
épuratrice sont les deux phénomènes de la production de la boue.
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
Figure 41 : Représentation du floc biologique constituant de la boue
biologique.
Notion de charge et de temps de séjour :
La charge désigne la quantité de la pollution en DBO5 arrivant par jour sur
l’installation ramenée soit au volume du bassin soit à la quantité de la biomasse en
MVS.
Charge massique (Cm) =(Kg de DCO injecté par jour)/(Quantité de biomasse dans
le système (MVS)
Elle s’exprime en kg de DCO à traiter/kg de MVS/jour.
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
Charge volumique (Cv) =(Kg de DCO injecté par jour)/(Volume du réacteur)
Elle s’exprime en kg de DCO à traiter/m3 de réacteur/jour
Type de charge Cm Cv
Forte charge 0,4 à 1 1,5
Moyenne charge 0,15 à 0,35 0,5 à 1,5
Faible charge 0,1 0,3
Aération prolongée 0,07 0,25
Notion de charge et de temps de séjour :
Le volume du bassin définit une notion temporelle, le temps de séjour hydraulique
de l’eau dans un bassin avec Ts = VBA/Q en heures.
Le débit de l’effluent étant rarement constant, on définit des temps de séjour
moyen et minimum calculés à partir des débits moyens horaires et de pointe.
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
moyen et minimum calculés à partir des débits moyens horaires et de pointe.
Dans le cas d’installations à forte charge, il y’a peu de biomasse épuratrices par
rapport à la pollution entrante car le volume du bassin est faible. Cette pollution est
seulement collée aux quelques bactéries isolées et très peu dégradée, car le temps
de séjour est faible. Si celui-ci augmente, les bactéries ont le temps de floculer. Elle
forment un floc biologique qui adsorbe et assimile la pollution. De plus, les
bactéries floculées décantent facilement au niveau du clarificateur. Une
augmentation du temps de passage améliore donc l’élimination de la pollution
carbonée.
Procédés d’épuration :
Les procédés les plus couramment utilisés mettent en œuvre des installations
biologiques, tant pour l’épuration des eaux usées urbaines que pour certaines
eaux résiduaires industrielles. On les classe généralement en :
1. Procédés biologiques naturels.
2. Procédés biologiques artificielles.
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
Tous ces procédés conduisent à la formation de déchets (boues) qu’il faudra
valoriser en agriculture ou éliminer par incinération ou par mise en décharge
éventuelle.
L’épuration biologique des eaux usées urbaines repose sur l’application de deux
phénomènes : d’abord la sédimentation partielle des MES ; ensuite l’activité
biologique de très nombreuses bactéries qui se multiplient en dévorant les
matières organiques formant des substances nutritives par excellence.
Dans ce cours, on va étudier principalement le lagunage naturel et les boues
activées.
Lagunage naturel :
On désigne par le lagunage toute dépression ou excavation naturelle ou artificielle
dans laquelle s’écoulent naturellement les eaux usées brutes ou décantées, pour
ressortir, sans intervention extérieure d’aucune sorte, dans un état où elles ne
risquent pas d’altérer la qualité du milieu récepteur.
Toutefois, lorsqu’il s’agit de dépression naturelle, il est d’usage d’employer
l’expression « étang de lagunage ».
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
Figure 41 : Lagunage naturel.
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
Simultanément, les matières en suspension décantent et forment ainsi des boues
au fond des bassins où l’oxygène y parvient difficilement où n’y parvient plus. La
dégradation se poursuit alors grâce à l’action des bactéries cette fois ci
anaérobie. Ce processus est appelé « fermentation» que l’on distingue par le
dégagement du méthane CH4 ainsi qu’une minéralisation des boues.
Figure 42 : processus d’élimination de la pollution par lagunage naturel.
Lagunage naturel :
Selon la présence ou non d’oxygène dissous dans la lagune, on distingue:
- les étangs anaérobies (pas d'O2 ,3 m de profondeur)
- les étangs aérobies (présence d'O2,1 à 1,5 m)
- les étangs facultatifs (O2 uniquement dans la zone supérieure, 1 à 2,5m)
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
Le type de lagune le plus couramment utilisé pour un traitement complet des eaux
usées est le bassin de stabilisation. Il s’agit d’un ou plusieurs bassins en série
dans lesquels les effluents bruts sont soumis aux processus biochimiques
naturels de l’autoépuration ; généralement, ces bassins sont au nombre de trois.
Le milieu interne des bassins est évidement plus ou moins riche en oxygène, et les
bactéries sont donc à la fois aérobies et anaérobies.
Lagunage naturel :
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
Figure 43 : Bassins de lagunage en série
Lagunage naturel :
Le lagunage naturel est un procédé rustique et fiable de traitement des eaux usées
domestiques, intéressant du point de vue économique (investissement,
exploitation). Il convient cependant de mieux le maîtriser, le concevoir et
l’entretenir en vue d’une amélioration de la qualité des rejets.
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
La lagune est généralement composée de trois bassins en série, le premier
représentant la moitié de la surface totale.
Dans des conditions moyennes, la surface d’un lagunage est de 10m2 à 20 m2
environ par équivalent habitant. Il est recommandé de dimensionner les lagunes,
sur la base de 15 m2/EH, afin de garantir une bonne élimination de la matière, la
désinfection des effluents, et de réduire les contraintes d’exploitation.
Lagunage naturel :
Les valeurs couramment utilisées également pour le dimensionnement des
lagunes sont :
- Pour les bassins strictement anaérobies, de 500 à 700 kg de DBO5/ha/jour.
- Pour les bassins strictement aérobies ou mixtes, de 40 à 60 kg de DBO /ha/jour.
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
- Pour les bassins strictement aérobies ou mixtes, de 40 à 60 kg de DBO5/ha/jour.
En terme de nombre d’habitants :
Sans décantation primaire :
- Pour les bassins strictement anaérobies, de 9000 à 13000 hab./ha.
- Pour les bassins aérobies ou mixtes, de 700 à 1000 hab./ha.
Avec décantation primaire :
- Pour les bassins strictement anaérobies, de 14000 à 20000 hab./ha.
- Pour les bassins aérobies ou mixtes, de 1100 à 1700 hab./ha.
Lagunage naturel :
Si réacteur parfaitement mélangé et la cinétique est du 1er ordre :
Seff/Saff = 1/((K × Ts) + 1)
avec :
Saff et Seff concentration à l’entrée et à la sortie.
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
Saff et Seff concentration à l’entrée et à la sortie.
Ts temps de séjour (j) [=V/Q]
K constante de vitesse (j-1) (valeur différentes selon les régions et selon les
périodes).
Lagunage naturel :
Apport d’oxygène :
par aération naturelle durant le jour, par photosynthèse : algues+ CO2 + lumière =>
algues + O2 (l'effluent doit être transparent)
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
Figure 44 : apport naturel d’oxygène dans la
processus d’épuration par lagunage
Lagune aérée artificiellement :
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
Figure 45 : apport artificiel d’oxygène dans la
processus d’épuration par lagunage
Les boues activées :
Les boues activées sont des systèmes qui fonctionnent biologiquement, avec une
aération artificielle comme les lagunes aérées. La différence réside dans la
recirculation des organismes actifs (les boues activées) du décanteur secondaire
vers le bassin d’aération. Cette recirculation a deux conséquences :
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
- La concentration des boues activées dans le bassin d’aération peut être
augmentée par rapport à une situation sans recirculation. Une même quantité
d’organismes actifs peut donc être contenue dans un petit volume (économie
d’espace). Les temps de séjour de l’eau dans les systèmes à boues activées sont
relativement courts (inférieurs à ceux des procédés extensifs).
- Le temps de séjour des organismes actifs dans le système est plus élevé que le
temps de séjour de l’eau. Le contrôle du temps de séjour des boues activées
permet de maîtriser la capacité nitrifiante des boues et le degré d’oxydation des
matières organiques solides.
Les boues activées :
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
Figure 47 : Épuration biologique - principe des boues activées.
Les boues activées :
La quantité de la biomasse doit rester constante dans le bassin d’aération. Les
boues biologiques décantent dans le clarificateur. Le débit de recirculation R, varie
en fonction du débit d’eau brute Q, de la concentration des boues dans le bassin
d’aération CBA et des boues recirculées CR. Ainsi, dans les eaux résiduaires
urbaines moyennement polluées (DBO5 comprise entre 150 et 350 mg/l), on peut
atteindre, après une bonne clarification, un rendement d’épuration de la DBO de
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
atteindre, après une bonne clarification, un rendement d’épuration de la DBO5 de
l’ordre de :
- 95% en aération prolongé à faible charge massique.
- 90% en aération prolongé à moyenne charge massique.
- 85% en aération prolongé à forte à charge massique.
En ce qui concerne les concentrations virales présentes dans les eaux usées, elles
varient de 10 à 10000 unités infectieuses par litre d’eau brute. Le traitement de ces
eaux par boues activées permet de retenir 55% à 95% de cette charge virale.
Les boues activées : production des boues :
Plusieurs modèles d’évaluations de productions de boues ont été développés.
Certains font appel aux coefficient d’anabolisme am et de catabolisme b.
Auteur Productions des boues kg MS/j Paramètres
Eckenfelder Smin + Sdur + am Le - b Sv - Seff am biomasse produite par kg de DBO5
b fraction de biomasse détruite/jour
constructeur K Le K compris entre 0,8 et 1,1
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
constructeur K Le K compris entre 0,8 et 1,1
constructeur Smin + Sdur + 0,25 am Le - Seff
AGHTM Smin + Sdur + (0,83 + 0,21logCm) Le - Seff Cm charge massique de la station
- Smin masse de la matière minérales en suspension de l’eau brute évaluées à 30% des
MES.
- Sdur : masse des matières en suspension difficilement biodégradables évaluées à 17,5%
des MES.
- Le masse de la DBO5 éliminée en kg par jour.
- Sv : masse des boues organiques dans le bassin d’aération en kg de MVS.
- Seff Masse des boues évacuées avec l’effluent traité en kg de MES par jour.
Les boues activées : production des boues :
Les valeurs des coefficients am et b dépendant de la charge massique de la station
d’épuration; En aération prolongée, on peut considérer qu’ils sont respectivement
égaux à 0,6 et 0,055.
Valeur de Cm 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
b 0,065 0,07 0,07 0,07 0,07
am 0,66 0,59 0,56 0,53 0,5
Les boues activées : recirculation - extraction :
La quantité de la biomasse doit rester constante dans le bassin d’aération. La
quantité de boues produites par jour est égale à la quantité extraite. Le débit de
recirculation R est fonction du débit d’eau brute Q, de la concentration des boues
dans le bassin d’aération CBA (ou [MS]BA) et des boues recirculées CR ou [MS]Recir.
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
Montrer en se basant sur ce schéma que r = R/Q = CBA / CR-CBA
MESEB QEB
MESBA(R+QEB)Aérobie
MVSBA g/L
VolBA m3
MESETQET
MESEXQEX
MESRECIR R
Les boues activées : recirculation - extraction :
L’indice de boue représente le volume occupé par un gramme de boue après trente
minutes de décantation statique dans une éprouvette d’un litre à paroi
transparente graduée. Noté IB, exprimé en mL.g-1 de MES, il est défini par la
formule suivante :
IB = VD / [MES] avec : VD = volume de boue décanté en trente minutes
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
IB = VD30 / [MES] avec : VD30 = volume de boue décanté en trente minutes
(en mL.L-1). [MES] = concentration des matières en suspension dans l’éprouvette
en g.L-1.
Les boues activées : recirculation - extraction :
Age des boues :
L’âge des boues représente leur temps de séjour dans l’étage biologique. C’est le
rapport entre la quantité de boue contenue dans le biologique St et la quantité E
soutirée quotidiennement = St/E.
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
Besoins en O2 :
Besoins en O2 en kg/j = a’ Le + b’ Sv + 4,3 NN - 2,85 c’ NDN
- a’ quantité d’oxygène nécessaire à l’oxydation de 1 kg de DBO5.
- Le masse de la DBO5 éliminée par jour.
- b’ quantité d’oxygène nécessaire à la respiration endogène de 1kg de MVS de boues
par jour.
- Sv : masse de la biomasse dans le bassin d’aération en kg de MVS.
- NN flux d’azote à nitrifier.
- c’ fraction de l’oxygène des NO3
- récupérée par dénitrification., soit entre 60 et 70%.
Les boues activées :
Besoins en O2 :
La valeur de c’ constitue un facteur de sécurité dans le dimensionnement de la
station. Pour une sécurité optimale, on prend un facteur c’ nul.
Les valeurs de a’ et b’ sont données en fonction de la charge massique par le
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
Les valeurs de a’ et b’ sont données en fonction de la charge massique par le
tableau suivant :
Valeur de Cm <0,1 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 >0,5
a’ 0,66 0,65 0,62 0,60 0,56 0,53 0,5
b’ 0,06 0,075 0,085 0,7 à 1,2
Les boues activées :
Le clarificateur :
La surface du clarificateur est calculée en fonction de la charge hydraulique Va (ou
vitesse ascensionnelle ou vitesse de Hazen) qui dépend de la qualité de la boue.
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
IB en ml/g 75 100 125 150 175 200 250 300 400 500
Va en m/h 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,85 0,8 0,7 0,6
La surface du clarificateur Scl = Qmax/Va
Les boues activées :
Le clarificateur :
La hauteur du clarificateur se calcule selon plusieurs modèles. Le Cemagref
propose le calcul suivant : ht = h1 + h2 + h3 + h4.
h1 zone d’eau clarifiée ≥≥≥≥ 0,5 m;
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
h1 zone d’eau clarifiée ≥≥≥≥ 0,5 m;
h2 zone de sédimentation = 1 m (réseau séparatif)
0,8 m (réseau unitaire)
h3 zone d’épaississement = [MS]BA × IB / 1000
h4 zone de stockage = ∆∆∆∆C × V ×××× IB / (1000 ×××× Scl).
V volume du bassin d’aération.
∆∆∆∆C = 0,5 à 1 g/L variation de la concentration dans le bassin d’aération par temps
de pluie.
Les boues activées :
Le clarificateur :
La limite supérieure de la concentration en MVS des boues recirculées est :
[MS] = (1000 /IB) × 1,3
Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée
[MS]recir = (1000 /IB) × 1,3
Cette limite permet de calculer le taux de recirculation :
R = [MS]BA/([MS]recir- [MS]BA)
Partie 3 : Élimination de l’azote :
Les boues activées :
Dans les stations d’épuration conventionnelles ne visant que l’élimination de la
pollution carbonée, seule une fraction de l’azote (20% environ) est éliminée par
son utilisation pour la croissance de la biomasse épuratrice. Une élimination plus
poussée de l’azote nécessite la mise en place d’une filière de traitement spécifique
dite de « nitrification-dénitrification ».
L’azote total à éliminer se présente avec environ 30% sous forme d’azote
organique dont une fraction fait partie des MES, et avec 70% d’azote ammoniacal
soluble.
Les boues activées :
Quatre opération sont nécessaire pour l’élimination de l’azote.
ammonification ; assimilation ; nitrification ; dénitrification.
Ammonification : C’est une minéralisation; l’azote organique devient sous l’action
Partie 3 : Élimination de l’azote :
Ammonification : C’est une minéralisation; l’azote organique devient sous l’action
de la biomasse minéral de formule NH4
+.
Norg NH4
+ + OH- + produits carbonés
Les boues activées :
Assimilation : la quantité assimilée répond au ration C/N/P égal à 100/5/1. En
conséquence, l’azote consommé par la biomasse est de l’ordre de 5% de la DBO5
éliminée. Le rendement de l’élimination est en moyenne 20%.
Nitrification :
Partie 3 : Élimination de l’azote :
Nitrification :
La nitritation : il s’agit de l’oxydation des ions ammonium en nitrites selon la
réaction :
NH4
+ + 3/2 O2 2H+ + H2O + NO2
-
La nitratation : oxydation des nitrites en nitrates :
NO2
- + 1/2O2 NO3
-
bactéries
bactéries
Les boues activées :
Dénitrification : Les espèces dénitrifiantes ont la propriété d’utiliser, en cas de
carence du milieu en oxygène, l’oxygène de certains composés chimiques,
notamment des nitrates. Les nitrates sont alors réduits en azote gazeux.
2NO3
- + 2 H+ N2 + 5/2 O2 + H2O
Partie 3 : Élimination de l’azote :
Les phénomènes de nitrification et dénitrification, avec leurs conditions optimales
respectives, sont tout à fait contradictoires.
En conséquence, les constructeurs ont imaginé baser leur procédés sur
l’alternance spatiale et temporelle des phases d’aération et d’anoxie.
Les boues activées :
Le premier schéma exige la mise en place de deux bassins distincts :
Partie 3 : Élimination de l’azote :
Figure 48 : Schéma utilisant un bassin d’anoxie pour l’élimination de l’azote.
Les boues activées :
Le bassin d’anoxie est en tête de filière. Il est le lieu de la dénitrification. L’apport
en NO3
- est assuré par la recirculation de la liqueur mixte ou recirculation nitrates.
La zone d’aération assure la nitrification et l’élimination de la pollution carbonée.
Cette configuration nécessite une recirculation de l’ordre de 150 à 400 % du débit
Partie 3 : Élimination de l’azote :
Cette configuration nécessite une recirculation de l’ordre de 150 à 400 % du débit
d’eau brute des NO3
- qui s’exprime par l’expression (r+c)/(1+r+c).
Le dimensionnement du volume d’anoxie peut se calculer à partir, soit de la
vitesse de dénitrification, soit du temps de contact d’expression volume/(R+Q+C)
qui doit être compris entre 1 et 2h. En général, le volume représente 25% du
volume total nécessaire à l’épuration.
Les boues activées :
Le deuxième schéma consiste en une alternance temporelle permettant une
nitrification et dénitrification dans un bassin unique. Les conditions optimales sont
un âge de boue supérieur à 30% de l’aération par rapport à la seule élimination de
la pollution carbonée, le respect d’un temps minimal d’anoxie de l’ordre de 8 à 10
heures par jour et un taux de boue d’environ 3g/L.
Partie 3 : Élimination de l’azote :
Partie 3 : Élimination du phosphore :
Les boues activées :
L’élimination du phosphore rencontré dans les eaux usées urbaines est très
insuffisante à la suite d’une épuration secondaire classique. Les techniques
d’élimination sont nombreuses, on cite l’élimination physico-chimique et
l’élimination biologique.
Les boues activées :
L’élimination physico-chimique : par précipitation avec l’ajout de la chaux, de sels
ou d’aluminium. Des complexes et de précipités contenant le phosphore sont
formés et éliminés ensuite par décantation.
Partie 3 : Élimination du phosphore :
Figure 49 : Elimination physico-chimique du phosphore.
Les boues activées :
L’élimination biologique : le dimensionnement du bassin aérobie est fait sur la
base de 1/5 à 1/3 de la zone aérobie ou un temps de passage de 2h à 4h.
Partie 3 : Élimination du phosphore :
Figure 50 : Elimination biologique du phosphore.

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  • 1. TECHNIQUE DE L’ASSAINISSEMENTTECHNIQUE DE L’ASSAINISSEMENT Faculté des Sciences et Techniques de Marrakech
  • 2. Partie 1 : Données fondamentales : • Généralités. • Le milieu naturel dit «milieu récepteur». • Les analyses de sites. Plan du cours • Les analyses de sites. • Les systèmes d’évacuation des eaux usées et des eaux pluviales. • Eaux usées et eaux pluviales : aspects qualitatifs. • L’assainissement non collectif.
  • 3. Partie 2 : Composante d’un système de collecte : • Conception des réseaux : principes hydrauliques fondamentaux. • Eaux usées : aspect quantitatif et dimensionnement des réseaux. • Eaux pluviales : aspect quantitatif et dimensionnement des réseaux. Plan du cours • Eaux pluviales : aspect quantitatif et dimensionnement des réseaux. • Les éléments constitutifs du réseau. • Les déversoirs d’orage. • Les retenues d’eaux pluviales. • Les bassins de stockage - restitution.
  • 4. Partie 3 : Composante d’un traitement : • Prétraitement et élimination des sous-produits. • Le traitement primaire. Plan du cours • L’élimination de la pollution carbonée. • L’élimination de l’azote et du phosphore. • Dimensionnement d’une station d’épuration.
  • 5. Partie 3 : Prétraitement et élimination des sous- produits. Figure 33 : Schéma de fonctionnement d’une station d’épuration à boues activés
  • 6. Partie 3 : Prétraitement et élimination des sous- produits. Le dégrillage : A l’entrée de la station d’épuration, les effluents bruts doivent subir un dégrillage. Ainsi les matières volumineuses sont retenues au travers des grilles. Le prétraitement peut être défini de la façon suivante : - pré-dégrillage : les barreaux des grilles sont espacés de 30 à 100 mm. - dégrillage moyen : les barreaux des grilles sont espacés de 10 à 30 mm. - dégrillage fin : les barreaux des grilles sont espacés de moins de 10 mm.
  • 7. Le dégrillage : Pour le dimensionnement hydraulique, on se base sur la vitesse de passage à travers la grille, qui doit être suffisante pour obtenir l’application des matières sur la grille sans pour autant provoquer une perte de charge importante ni entrainer un colmatage en profondeur des barreaux ou un départ des matières avec l’effluent. Généralement, les vitesses moyennes de passage admises sont de l’ordre de Partie 3 : Prétraitement et élimination des sous- produits. Généralement, les vitesses moyennes de passage admises sont de l’ordre de 0,60m/s à 1,40 m/s au débit de pointe.
  • 8. Le dégrillage : Les grilles manuelles : Ces grilles sont généralement réservées aux très petites installations d’épuration. Le nettoyage manuellement à l’aide d’un râteau. (C = 0,1 à 0,30). Les grilles mécaniques : Elles sont indispensable à partir d’une certaine taille de Partie 3 : Prétraitement et élimination des sous- produits. Les grilles mécaniques : Elles sont indispensable à partir d’une certaine taille de stations d’épuration, voire sur des installations de faible importance afin de réduire les interventions manuelles de nettoyage. (C = 0,40 à 0,50).
  • 9. Le dégrillage : Exemple de dimensionnement : Une commune envisage l’extension de sa station d’épuration pour une capacité de traitement de 16000 EH et d’un volume de 2275 m3/j. La station d’épuration existante est équipée d’un dégrilleur automatique avec espacement des barreaux de 10 mm, ayant les caractéristiques suivantes : Partie 3 : Prétraitement et élimination des sous- produits. ayant les caractéristiques suivantes : Largeur de la grille l = 0,60 m; Hauteur de canal h = 1,20m; Vitesse de passage admise v = 0,8m/s; Coefficient de colmatage c = 0,5. Le débit maximal à traiter est 145 l/s. La hauteur d’accumulation = Qmax/(c × l × v) = 0,145 / (0,6 × 0,5 × 0,8 ) = 0,60 m avec Q en m3/s. La hauteur du canal doit être supérieur à 0,60 m.
  • 10. RATEAU ÉVACUATION DES REFUS DE GRILLE Partie 3 : Prétraitement et élimination des sous- produits. GRILLE Figure 34 : Dégrilleur vertical.
  • 11. Le dessablage : Le dessablage s’effectue sur des particules de dimensions supérieures à 200 µm. La vitesse de sédimentation se calcule par chute libre. On calcule la section du dessableur de manière que la vitesse de l’eau ne descende pas au-dessous de 0,30 à 0,20 m/s ; on évite ainsi que les matières organiques se déposent en même temps que les sables. Partie 3 : Prétraitement et élimination des sous- produits. Le sable est extrait soit mécaniquement par raclage vers un poste de réception, puis repris par pompage, soit directement par pompe montée sur pont roulant.
  • 12. POMPE AERATRICE (DESHUILAGE) ALIMENTATION SORTIE PONT RACLEUR Partie 3 : Prétraitement et élimination des sous- produits. EXTRACTION DES SABLES EXTRACTION DES GRAISSES Figure 35 : Dessableur-déshuileur.
  • 13. Le dégraissage-déshuilage : Le déshuilage-dégraissage se rapporte à l’extraction de toutes les matières flottantes d’une densité inférieure à celle de l’eau. Ces matières sont de natures très diverses et la teneur des eaux usées en graisses est de l’ordre de 30 à 75 mg/L. Néanmoins, certains rejets industriels (abattoirs, laiteries...) peuvent élever ces Partie 3 : Prétraitement et élimination des sous- produits. Néanmoins, certains rejets industriels (abattoirs, laiteries...) peuvent élever ces valeurs à 300-350 mg/L.
  • 14. Le dégraissage-déshuilage : Les résidus graisseux constituent un problème important des rejets urbains. Les quantités rejetées sont élevées. L’insolubilité dans l’eau et la lente dégradabilité sont à l’origine de l’encrassement des ouvrages d’assainissement, du colmatage des canalisations et des perturbations dans la filière de traitement de la station d’épuration. L’évacuation des graisses s’effectue à l’aide d’un système de raclage de surface Partie 3 : Prétraitement et élimination des sous- produits. L’évacuation des graisses s’effectue à l’aide d’un système de raclage de surface poussant les flottants dans une trémie. Les graisses sont ainsi envoyées, gravitairement ou à l’aide d’une pompe, soit vers les bacs à graisses, soit vers le réacteur de traitement biologiques des graisses. Figure 36 : Dégraisseur-déshuileur.
  • 15. Partie 3 : Le traitement primaire. Les procédés de traitement primaire sont physiques, comme la décantation plus ou moins poussée, éventuellement physico-chimique ; les déchets recueillis constituent ce qu’on appelle les boues primaires. Procédés physiques de décantation : La base de ces procédés de séparation solide-liquide est la pesanteur. On utilise leLa base de ces procédés de séparation solide-liquide est la pesanteur. On utilise le terme de décantation lorsque l’on désire obtenir la clarification d’une eau brute ; si l’on veut obtenir une boue concentrée, on parle de sédimentation. Le mécanisme de décantation d’une particule en chute libre se traduit, en eau calme, par l’équilibre entre la force de gravité et la force de traînée qui lui est opposée.
  • 16. Procédés physiques de décantation (suite) : La formule de Stockes, valable pour les particules isolées, fines et granulaires en absence d’effet cohésif, s’exprime sous la forme suivante : Us = [(4gd/3C)×(ws – w)/w]1/2 Us vitesse de chute de la particule en eau Partie 3 : Le traitement primaire. Us vitesse de chute de la particule en eau calme (m/s). D le diamètre de la particule (m). C coefficient de frottement ou de traînée au voisinage de la particule. Pour un nombre de Reynolds Re < 1, on a : Us = (gd2/18ηηηη)×(ws – w). ηηηη Viscosité dynamique du liquide (ηηηη = 10-3 Pa.s) Figure 37 : fonctionnement théorique du décanteur rectangulaire classique.
  • 17. Procédés physiques de décantation (suite) : Les matières en suspension contenues dans les eaux usées domestiques est d’environ 1,2 g/cm3. d (mm) U (cm/s) MES (ws = 2,5 g/cm3) U (cm/s) MES (ws = 1,2 g/cm3) Partie 3 : Le traitement primaire. 2 1,5 1 0,5 0,2 0,1 0,05 0,01 29,2 23,7 17 8,4 2,5 0,8 0,2 0,01 8,9 6,8 4,4 1,8 0,4 0,1 0,03 0,002
  • 18. Procédés physiques de décantation (suite) : Décanteurs longitudinaux : La décantation longitudinale peut s’opérer au sein de bassins longitudinaux dont les parois sont inclinées selon une pente de 50°à 60°su r l’horizontale afin d’éviter le risque d’accrochage des boues sur les parois ou dans les angles. Partie 3 : Le traitement primaire. risque d’accrochage des boues sur les parois ou dans les angles. Le raclage des boues est assuré, dans ce type de décanteur, par des ponts racleurs qui se déplacent selon un mouvement de va-et-viens. Ils raclent les boues à contre- courant seulement. Les boues sont ainsi ramenées vers l’un des petits côtés de l’ouvrage ; par contre, les matières légères sont dirigées vers l’extrémité du bassin.
  • 19. Procédés physiques de décantation (suite) : Décanteurs circulaires : Les décanteurs de forme circulaire ont généralement des diamètres limités entre 50 et 60 m mais ils peuvent atteindre, dans certains cas, 90 m. Cependant, la forme circulaire est particulièrement sensible aux effets du vent, qui peuvent perturber la Partie 3 : Le traitement primaire. circulaire est particulièrement sensible aux effets du vent, qui peuvent perturber la bonne répartition des filets liquides. L’arrivée des effluents se fait par un fût central creux pour les décanteurs. L’alimentation peut aussi être assurée à la périphérie du bassin. Dans la plupart des bassins circulaires le système de raclage consiste en un mécanisme à commande périphérique constitué par un pont tournant auto-moteur reposant, au centre, sur un pivot (fût central) et, à la périphérie sur des galets porteurs tracteurs.
  • 20. Dimensionnement des décanteurs : Décanteur rectangulaire : Les particules sont animés d’un mouvement théoriquement uniforme dont le vecteur a pour composante horizontale V, la vitesse de l’eau dans le bassin décanteur, et pour composante verticale U la vitesse de chute : Partie 3 : Le traitement primaire. pour composante verticale U la vitesse de chute : Le temps de chute théorique, dans un bassin décanteur de hauteur H, est donc égal à : t = h/U. La longueur minimale nécessaire pour qu’une particule débouchant dans le décanteur atteigne le fond est alors égale à : L = (V × h) /U
  • 21. Dimensionnement des décanteurs : Décanteur rectangulaire : Dans un décanteur rectangulaire, les dimensions minimales sont ainsi caractérisées par la nature de la particule et la vitesse dans la section transversale d’écoulement ; on a donc : Partie 3 : Le traitement primaire. on a donc : h × b = St = Q/V soit b = Q/(V × h) h hauteur d’eau (en m). b largeur minimale (en m). Q débit d’entrée. St section transversale du décanteur. V vitesse de l’effluent (m/s).
  • 22. Procédés physiques de décantation (suite) : Décanteurs lamellaires : En dehors des décanteurs rectangulaires ou circulaires, il convient de signaler la mise en œuvre de décanteurs à plaques ou Partie 3 : Le traitement primaire. mise en œuvre de décanteurs à plaques ou tubes inclinés à 60°. Le dispositif, appelé décanteurs lamellaire oblique, a une efficacité de sédimentation qui dépend de sa surface horizontale. Ces décanteurs sont des systèmes efficaces par la surface d’échange qu’ils développent, notamment pour la décantation des particules de densité inférieure à 1. Figure 38 : Décanteur lamellaire.
  • 23. Procédés physiques de décantation (suite) : Décanteurs lamellaires : ces décanteurs peuvent être disposés en parallèle, la circulation de l’effluent se faisant de bas en haut ou à courant croisés. Partie 3 : Le traitement primaire. Figure 39 : Décanteur lamellaire à contre courant. Figure 40 : Décanteur lamellaire à courants croisés.
  • 24. Dimensionnement des décanteurs : Décanteur lamellaire : Connaissant le débit total Q à traiter, le débit entre chaque intervalle n (lamelle) est : q = Q/n. b et d respectivement la largeur d’une lamelle et la distance entre deux lamelles et αααα l’angle d’inclinaison des lamelles. Partie 3 : Le traitement primaire. l’angle d’inclinaison des lamelles. Les composants de la vitesse sont : La vitesse horizontale Vx = V cos(αααα) = (q/bd) x cotg(αααα). La vitesse verticale est Vy = V sin(αααα) = (q/bd). La vitesse de décantation, avec Us la vitesse de chute de la particule est Vd = Vy – Us = q/(bd) – Us
  • 25. Dimensionnement des décanteurs : Décanteur lamellaire : La particule sera piégée si le temps de parcours vertical : L sin(αααα)/Vd est supérieur au temps de parcours horizontal : (d+(L × cos(αααα)))/Vx Avec L la longueur de la lamelle. On a donc : q/(Lb) ou Q/(nLb) < U × (d/L + cos(αααα)) Partie 3 : Le traitement primaire. On a donc : q/(Lb) ou Q/(nLb) < Us × (d/L + cos(αααα)) qui conduit à obtenir et pouvoir optimiser les caractéristiques d’un décanteur. Le nombre de Lamelles est n = Q / [Us × L × b ×((d/L) + cos(αααα))] La vitesse de sédimentation est Us = Q / [n × b ×(d + L × cos(αααα))] La largeur de la lamelle est b = Q / [Us × n ×(d + L × cos(αααα))] L’espacement entre les lamelles est d = (Q/n × b × Us) – (L × cos(αααα)) La longueur des lamelles est L = [(Q/n × L × Us) – d] × (1/cos(αααα))) L’angle d’inclinaison αααα est αααα = arcos((Q/n × L × Us) × (1/L)) Le débit entrant est : Q = n × b × Us × (d + L cos(αααα))
  • 26. Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée Biomasse : On désignera par la biomasse l’ensemble des bactéries existantes dans le milieu à purifier. La croissance de cette biomasse est due à la présence d’élément nutritifs : le carbone, l’oxygène, l’azote, le phosphore etc. Cette croissance de la biomasse B peut s’écrire sous la forme :Cette croissance de la biomasse B peut s’écrire sous la forme : dB/dt = (µµµµ - b) × B0 Avec µµµµ vitesse spécifique de croissance. b coefficient de mortalité. B0 biomasse initiale. B biomasse au temps t. µµµµ = µµµµmax × S/(Ks+S) µµµµ = µµµµmax × Le/(KLe+Le) × N/(KN+N) × O2/(KO2+O2) × P/(KP+P) × … Le désigne le carbone et K la constante de Monod ou de demi-saturation.
  • 27. Biomasse : L’accroissement de la biomasse correspond à la phase d’anabolisme. L’autolyse ou la respiration endogène désigne la mortalité bactérienne et correspond à la phase de catabolisme. En effet, en l’absence de substrat externe (exogène), les cellules utilisent leur réserves comme source de carbone. Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée KLe (carbone) KN KP KO2 75 à 80 0,2 0,4 0,5 Dans l’épuration des eaux usées on admet les données suivantes comme valeurs des constantes de demi-stauration.
  • 28. Pollution des eaux usées : Les paramètres mesurant la pollution carbonée et repris par la législation sont au nombre de 3 : DBO5, DCO et MES. Cette pollution est présente sous 3 formes physico-chimiques dans les eaux usées. En effet, on peut la subdiviser en fractions décantables, colloïdales et solubles. Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée Une simple décantation permet d’éliminer environ 30% de la matière carbonée. Le rendement en mode physico-chimique (coagulation-décantation) monte à 60%, car la fraction colloïdale est touchée. L’élimination de la partie soluble rend obligatoire un traitement biologique. Fraction décantable Fraction colloïdale Fraction soluble MES 2/3 1/3 - DCO, DBO5 1/3 1/3 1/3
  • 29. Principe d’épuration biologique : Il faut s’imaginer l’installation comme une gigantesque table sur laquelle la pollution est la nourriture et les convives sont les bactéries. On peut ensuite lister les problèmes posés et émettre les solutions. La pollution arrivent continuellement, sa dégradation est aérobie est assurée par une biomasse adaptée, suffisante et constante. Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée constante. On assiste au transfert d’une pollution de type soluble ou colloïdale en boue biologique, élément manipulable et décantable. Le périmètre alimentation- consommateur est fondamental dans tous système vivant. La boue peut être considérée comme un organisme vivant qui se nourrit, respire, se développe et meurt.
  • 30. Principe d’épuration biologique : L’évaluation de la production de boues est indispensable pour dimensionner la station. Pour les exploitants, elle permet de valider l’optimisation des réglages. L’accumulation des MES non biodégradables et l’accroissement de la biomasse épuratrice sont les deux phénomènes de la production de la boue. Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée Figure 41 : Représentation du floc biologique constituant de la boue biologique.
  • 31. Notion de charge et de temps de séjour : La charge désigne la quantité de la pollution en DBO5 arrivant par jour sur l’installation ramenée soit au volume du bassin soit à la quantité de la biomasse en MVS. Charge massique (Cm) =(Kg de DCO injecté par jour)/(Quantité de biomasse dans le système (MVS) Elle s’exprime en kg de DCO à traiter/kg de MVS/jour. Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée Charge volumique (Cv) =(Kg de DCO injecté par jour)/(Volume du réacteur) Elle s’exprime en kg de DCO à traiter/m3 de réacteur/jour Type de charge Cm Cv Forte charge 0,4 à 1 1,5 Moyenne charge 0,15 à 0,35 0,5 à 1,5 Faible charge 0,1 0,3 Aération prolongée 0,07 0,25
  • 32. Notion de charge et de temps de séjour : Le volume du bassin définit une notion temporelle, le temps de séjour hydraulique de l’eau dans un bassin avec Ts = VBA/Q en heures. Le débit de l’effluent étant rarement constant, on définit des temps de séjour moyen et minimum calculés à partir des débits moyens horaires et de pointe. Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée moyen et minimum calculés à partir des débits moyens horaires et de pointe. Dans le cas d’installations à forte charge, il y’a peu de biomasse épuratrices par rapport à la pollution entrante car le volume du bassin est faible. Cette pollution est seulement collée aux quelques bactéries isolées et très peu dégradée, car le temps de séjour est faible. Si celui-ci augmente, les bactéries ont le temps de floculer. Elle forment un floc biologique qui adsorbe et assimile la pollution. De plus, les bactéries floculées décantent facilement au niveau du clarificateur. Une augmentation du temps de passage améliore donc l’élimination de la pollution carbonée.
  • 33. Procédés d’épuration : Les procédés les plus couramment utilisés mettent en œuvre des installations biologiques, tant pour l’épuration des eaux usées urbaines que pour certaines eaux résiduaires industrielles. On les classe généralement en : 1. Procédés biologiques naturels. 2. Procédés biologiques artificielles. Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée Tous ces procédés conduisent à la formation de déchets (boues) qu’il faudra valoriser en agriculture ou éliminer par incinération ou par mise en décharge éventuelle. L’épuration biologique des eaux usées urbaines repose sur l’application de deux phénomènes : d’abord la sédimentation partielle des MES ; ensuite l’activité biologique de très nombreuses bactéries qui se multiplient en dévorant les matières organiques formant des substances nutritives par excellence. Dans ce cours, on va étudier principalement le lagunage naturel et les boues activées.
  • 34. Lagunage naturel : On désigne par le lagunage toute dépression ou excavation naturelle ou artificielle dans laquelle s’écoulent naturellement les eaux usées brutes ou décantées, pour ressortir, sans intervention extérieure d’aucune sorte, dans un état où elles ne risquent pas d’altérer la qualité du milieu récepteur. Toutefois, lorsqu’il s’agit de dépression naturelle, il est d’usage d’employer l’expression « étang de lagunage ». Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée Figure 41 : Lagunage naturel.
  • 35. Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée Simultanément, les matières en suspension décantent et forment ainsi des boues au fond des bassins où l’oxygène y parvient difficilement où n’y parvient plus. La dégradation se poursuit alors grâce à l’action des bactéries cette fois ci anaérobie. Ce processus est appelé « fermentation» que l’on distingue par le dégagement du méthane CH4 ainsi qu’une minéralisation des boues. Figure 42 : processus d’élimination de la pollution par lagunage naturel.
  • 36. Lagunage naturel : Selon la présence ou non d’oxygène dissous dans la lagune, on distingue: - les étangs anaérobies (pas d'O2 ,3 m de profondeur) - les étangs aérobies (présence d'O2,1 à 1,5 m) - les étangs facultatifs (O2 uniquement dans la zone supérieure, 1 à 2,5m) Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée Le type de lagune le plus couramment utilisé pour un traitement complet des eaux usées est le bassin de stabilisation. Il s’agit d’un ou plusieurs bassins en série dans lesquels les effluents bruts sont soumis aux processus biochimiques naturels de l’autoépuration ; généralement, ces bassins sont au nombre de trois. Le milieu interne des bassins est évidement plus ou moins riche en oxygène, et les bactéries sont donc à la fois aérobies et anaérobies.
  • 37. Lagunage naturel : Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée Figure 43 : Bassins de lagunage en série
  • 38. Lagunage naturel : Le lagunage naturel est un procédé rustique et fiable de traitement des eaux usées domestiques, intéressant du point de vue économique (investissement, exploitation). Il convient cependant de mieux le maîtriser, le concevoir et l’entretenir en vue d’une amélioration de la qualité des rejets. Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée La lagune est généralement composée de trois bassins en série, le premier représentant la moitié de la surface totale. Dans des conditions moyennes, la surface d’un lagunage est de 10m2 à 20 m2 environ par équivalent habitant. Il est recommandé de dimensionner les lagunes, sur la base de 15 m2/EH, afin de garantir une bonne élimination de la matière, la désinfection des effluents, et de réduire les contraintes d’exploitation.
  • 39. Lagunage naturel : Les valeurs couramment utilisées également pour le dimensionnement des lagunes sont : - Pour les bassins strictement anaérobies, de 500 à 700 kg de DBO5/ha/jour. - Pour les bassins strictement aérobies ou mixtes, de 40 à 60 kg de DBO /ha/jour. Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée - Pour les bassins strictement aérobies ou mixtes, de 40 à 60 kg de DBO5/ha/jour. En terme de nombre d’habitants : Sans décantation primaire : - Pour les bassins strictement anaérobies, de 9000 à 13000 hab./ha. - Pour les bassins aérobies ou mixtes, de 700 à 1000 hab./ha. Avec décantation primaire : - Pour les bassins strictement anaérobies, de 14000 à 20000 hab./ha. - Pour les bassins aérobies ou mixtes, de 1100 à 1700 hab./ha.
  • 40. Lagunage naturel : Si réacteur parfaitement mélangé et la cinétique est du 1er ordre : Seff/Saff = 1/((K × Ts) + 1) avec : Saff et Seff concentration à l’entrée et à la sortie. Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée Saff et Seff concentration à l’entrée et à la sortie. Ts temps de séjour (j) [=V/Q] K constante de vitesse (j-1) (valeur différentes selon les régions et selon les périodes).
  • 41. Lagunage naturel : Apport d’oxygène : par aération naturelle durant le jour, par photosynthèse : algues+ CO2 + lumière => algues + O2 (l'effluent doit être transparent) Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée Figure 44 : apport naturel d’oxygène dans la processus d’épuration par lagunage
  • 42. Lagune aérée artificiellement : Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée Figure 45 : apport artificiel d’oxygène dans la processus d’épuration par lagunage
  • 43. Les boues activées : Les boues activées sont des systèmes qui fonctionnent biologiquement, avec une aération artificielle comme les lagunes aérées. La différence réside dans la recirculation des organismes actifs (les boues activées) du décanteur secondaire vers le bassin d’aération. Cette recirculation a deux conséquences : Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée - La concentration des boues activées dans le bassin d’aération peut être augmentée par rapport à une situation sans recirculation. Une même quantité d’organismes actifs peut donc être contenue dans un petit volume (économie d’espace). Les temps de séjour de l’eau dans les systèmes à boues activées sont relativement courts (inférieurs à ceux des procédés extensifs). - Le temps de séjour des organismes actifs dans le système est plus élevé que le temps de séjour de l’eau. Le contrôle du temps de séjour des boues activées permet de maîtriser la capacité nitrifiante des boues et le degré d’oxydation des matières organiques solides.
  • 44. Les boues activées : Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée Figure 47 : Épuration biologique - principe des boues activées.
  • 45. Les boues activées : La quantité de la biomasse doit rester constante dans le bassin d’aération. Les boues biologiques décantent dans le clarificateur. Le débit de recirculation R, varie en fonction du débit d’eau brute Q, de la concentration des boues dans le bassin d’aération CBA et des boues recirculées CR. Ainsi, dans les eaux résiduaires urbaines moyennement polluées (DBO5 comprise entre 150 et 350 mg/l), on peut atteindre, après une bonne clarification, un rendement d’épuration de la DBO de Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée atteindre, après une bonne clarification, un rendement d’épuration de la DBO5 de l’ordre de : - 95% en aération prolongé à faible charge massique. - 90% en aération prolongé à moyenne charge massique. - 85% en aération prolongé à forte à charge massique. En ce qui concerne les concentrations virales présentes dans les eaux usées, elles varient de 10 à 10000 unités infectieuses par litre d’eau brute. Le traitement de ces eaux par boues activées permet de retenir 55% à 95% de cette charge virale.
  • 46. Les boues activées : production des boues : Plusieurs modèles d’évaluations de productions de boues ont été développés. Certains font appel aux coefficient d’anabolisme am et de catabolisme b. Auteur Productions des boues kg MS/j Paramètres Eckenfelder Smin + Sdur + am Le - b Sv - Seff am biomasse produite par kg de DBO5 b fraction de biomasse détruite/jour constructeur K Le K compris entre 0,8 et 1,1 Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée constructeur K Le K compris entre 0,8 et 1,1 constructeur Smin + Sdur + 0,25 am Le - Seff AGHTM Smin + Sdur + (0,83 + 0,21logCm) Le - Seff Cm charge massique de la station - Smin masse de la matière minérales en suspension de l’eau brute évaluées à 30% des MES. - Sdur : masse des matières en suspension difficilement biodégradables évaluées à 17,5% des MES. - Le masse de la DBO5 éliminée en kg par jour. - Sv : masse des boues organiques dans le bassin d’aération en kg de MVS. - Seff Masse des boues évacuées avec l’effluent traité en kg de MES par jour.
  • 47. Les boues activées : production des boues : Les valeurs des coefficients am et b dépendant de la charge massique de la station d’épuration; En aération prolongée, on peut considérer qu’ils sont respectivement égaux à 0,6 et 0,055. Valeur de Cm 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée b 0,065 0,07 0,07 0,07 0,07 am 0,66 0,59 0,56 0,53 0,5
  • 48. Les boues activées : recirculation - extraction : La quantité de la biomasse doit rester constante dans le bassin d’aération. La quantité de boues produites par jour est égale à la quantité extraite. Le débit de recirculation R est fonction du débit d’eau brute Q, de la concentration des boues dans le bassin d’aération CBA (ou [MS]BA) et des boues recirculées CR ou [MS]Recir. Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée Montrer en se basant sur ce schéma que r = R/Q = CBA / CR-CBA MESEB QEB MESBA(R+QEB)Aérobie MVSBA g/L VolBA m3 MESETQET MESEXQEX MESRECIR R
  • 49. Les boues activées : recirculation - extraction : L’indice de boue représente le volume occupé par un gramme de boue après trente minutes de décantation statique dans une éprouvette d’un litre à paroi transparente graduée. Noté IB, exprimé en mL.g-1 de MES, il est défini par la formule suivante : IB = VD / [MES] avec : VD = volume de boue décanté en trente minutes Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée IB = VD30 / [MES] avec : VD30 = volume de boue décanté en trente minutes (en mL.L-1). [MES] = concentration des matières en suspension dans l’éprouvette en g.L-1.
  • 50. Les boues activées : recirculation - extraction : Age des boues : L’âge des boues représente leur temps de séjour dans l’étage biologique. C’est le rapport entre la quantité de boue contenue dans le biologique St et la quantité E soutirée quotidiennement = St/E. Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée Besoins en O2 : Besoins en O2 en kg/j = a’ Le + b’ Sv + 4,3 NN - 2,85 c’ NDN - a’ quantité d’oxygène nécessaire à l’oxydation de 1 kg de DBO5. - Le masse de la DBO5 éliminée par jour. - b’ quantité d’oxygène nécessaire à la respiration endogène de 1kg de MVS de boues par jour. - Sv : masse de la biomasse dans le bassin d’aération en kg de MVS. - NN flux d’azote à nitrifier. - c’ fraction de l’oxygène des NO3 - récupérée par dénitrification., soit entre 60 et 70%.
  • 51. Les boues activées : Besoins en O2 : La valeur de c’ constitue un facteur de sécurité dans le dimensionnement de la station. Pour une sécurité optimale, on prend un facteur c’ nul. Les valeurs de a’ et b’ sont données en fonction de la charge massique par le Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée Les valeurs de a’ et b’ sont données en fonction de la charge massique par le tableau suivant : Valeur de Cm <0,1 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 >0,5 a’ 0,66 0,65 0,62 0,60 0,56 0,53 0,5 b’ 0,06 0,075 0,085 0,7 à 1,2
  • 52. Les boues activées : Le clarificateur : La surface du clarificateur est calculée en fonction de la charge hydraulique Va (ou vitesse ascensionnelle ou vitesse de Hazen) qui dépend de la qualité de la boue. Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée IB en ml/g 75 100 125 150 175 200 250 300 400 500 Va en m/h 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,85 0,8 0,7 0,6 La surface du clarificateur Scl = Qmax/Va
  • 53. Les boues activées : Le clarificateur : La hauteur du clarificateur se calcule selon plusieurs modèles. Le Cemagref propose le calcul suivant : ht = h1 + h2 + h3 + h4. h1 zone d’eau clarifiée ≥≥≥≥ 0,5 m; Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée h1 zone d’eau clarifiée ≥≥≥≥ 0,5 m; h2 zone de sédimentation = 1 m (réseau séparatif) 0,8 m (réseau unitaire) h3 zone d’épaississement = [MS]BA × IB / 1000 h4 zone de stockage = ∆∆∆∆C × V ×××× IB / (1000 ×××× Scl). V volume du bassin d’aération. ∆∆∆∆C = 0,5 à 1 g/L variation de la concentration dans le bassin d’aération par temps de pluie.
  • 54. Les boues activées : Le clarificateur : La limite supérieure de la concentration en MVS des boues recirculées est : [MS] = (1000 /IB) × 1,3 Partie 3 : Élimination de la pollution carbonée [MS]recir = (1000 /IB) × 1,3 Cette limite permet de calculer le taux de recirculation : R = [MS]BA/([MS]recir- [MS]BA)
  • 55. Partie 3 : Élimination de l’azote : Les boues activées : Dans les stations d’épuration conventionnelles ne visant que l’élimination de la pollution carbonée, seule une fraction de l’azote (20% environ) est éliminée par son utilisation pour la croissance de la biomasse épuratrice. Une élimination plus poussée de l’azote nécessite la mise en place d’une filière de traitement spécifique dite de « nitrification-dénitrification ». L’azote total à éliminer se présente avec environ 30% sous forme d’azote organique dont une fraction fait partie des MES, et avec 70% d’azote ammoniacal soluble.
  • 56. Les boues activées : Quatre opération sont nécessaire pour l’élimination de l’azote. ammonification ; assimilation ; nitrification ; dénitrification. Ammonification : C’est une minéralisation; l’azote organique devient sous l’action Partie 3 : Élimination de l’azote : Ammonification : C’est une minéralisation; l’azote organique devient sous l’action de la biomasse minéral de formule NH4 +. Norg NH4 + + OH- + produits carbonés
  • 57. Les boues activées : Assimilation : la quantité assimilée répond au ration C/N/P égal à 100/5/1. En conséquence, l’azote consommé par la biomasse est de l’ordre de 5% de la DBO5 éliminée. Le rendement de l’élimination est en moyenne 20%. Nitrification : Partie 3 : Élimination de l’azote : Nitrification : La nitritation : il s’agit de l’oxydation des ions ammonium en nitrites selon la réaction : NH4 + + 3/2 O2 2H+ + H2O + NO2 - La nitratation : oxydation des nitrites en nitrates : NO2 - + 1/2O2 NO3 - bactéries bactéries
  • 58. Les boues activées : Dénitrification : Les espèces dénitrifiantes ont la propriété d’utiliser, en cas de carence du milieu en oxygène, l’oxygène de certains composés chimiques, notamment des nitrates. Les nitrates sont alors réduits en azote gazeux. 2NO3 - + 2 H+ N2 + 5/2 O2 + H2O Partie 3 : Élimination de l’azote : Les phénomènes de nitrification et dénitrification, avec leurs conditions optimales respectives, sont tout à fait contradictoires. En conséquence, les constructeurs ont imaginé baser leur procédés sur l’alternance spatiale et temporelle des phases d’aération et d’anoxie.
  • 59. Les boues activées : Le premier schéma exige la mise en place de deux bassins distincts : Partie 3 : Élimination de l’azote : Figure 48 : Schéma utilisant un bassin d’anoxie pour l’élimination de l’azote.
  • 60. Les boues activées : Le bassin d’anoxie est en tête de filière. Il est le lieu de la dénitrification. L’apport en NO3 - est assuré par la recirculation de la liqueur mixte ou recirculation nitrates. La zone d’aération assure la nitrification et l’élimination de la pollution carbonée. Cette configuration nécessite une recirculation de l’ordre de 150 à 400 % du débit Partie 3 : Élimination de l’azote : Cette configuration nécessite une recirculation de l’ordre de 150 à 400 % du débit d’eau brute des NO3 - qui s’exprime par l’expression (r+c)/(1+r+c). Le dimensionnement du volume d’anoxie peut se calculer à partir, soit de la vitesse de dénitrification, soit du temps de contact d’expression volume/(R+Q+C) qui doit être compris entre 1 et 2h. En général, le volume représente 25% du volume total nécessaire à l’épuration.
  • 61. Les boues activées : Le deuxième schéma consiste en une alternance temporelle permettant une nitrification et dénitrification dans un bassin unique. Les conditions optimales sont un âge de boue supérieur à 30% de l’aération par rapport à la seule élimination de la pollution carbonée, le respect d’un temps minimal d’anoxie de l’ordre de 8 à 10 heures par jour et un taux de boue d’environ 3g/L. Partie 3 : Élimination de l’azote :
  • 62. Partie 3 : Élimination du phosphore : Les boues activées : L’élimination du phosphore rencontré dans les eaux usées urbaines est très insuffisante à la suite d’une épuration secondaire classique. Les techniques d’élimination sont nombreuses, on cite l’élimination physico-chimique et l’élimination biologique.
  • 63. Les boues activées : L’élimination physico-chimique : par précipitation avec l’ajout de la chaux, de sels ou d’aluminium. Des complexes et de précipités contenant le phosphore sont formés et éliminés ensuite par décantation. Partie 3 : Élimination du phosphore : Figure 49 : Elimination physico-chimique du phosphore.
  • 64. Les boues activées : L’élimination biologique : le dimensionnement du bassin aérobie est fait sur la base de 1/5 à 1/3 de la zone aérobie ou un temps de passage de 2h à 4h. Partie 3 : Élimination du phosphore : Figure 50 : Elimination biologique du phosphore.