Études de cas pratique

EGC

Analyse du Taux d’Occupation de la Station

Exercice : Analyse du Taux d’Occupation d'une Station d'Épuration

Analyse du Taux d’Occupation d'une Station d'Épuration (STEP)

Introduction à l'Analyse du Taux d'Occupation

Le taux d'occupation d'une station d'épuration (STEP) est un indicateur clé qui permet d'évaluer dans quelle mesure la capacité de traitement de la station est utilisée par rapport à sa capacité nominale (ou de conception). Cette analyse est essentielle pour plusieurs raisons : elle aide à anticiper les besoins d'extension, à identifier les éventuels points de surcharge ou de sous-utilisation, à optimiser le fonctionnement et à planifier les investissements futurs. Le taux d'occupation peut être évalué par rapport à la charge hydraulique (débit), à la charge organique (exprimée en DBO5 ou DCO), ou encore à la charge en matières en suspension (MES).

Cet exercice se concentre sur l'analyse du taux d'occupation organique d'une STEP existante et sur une projection de son évolution.

Données de l'étude

Une station d'épuration (STEP) a été conçue pour une capacité nominale de traitement organique de 20 000 Équivalents-Habitants (EH). On considère qu'un EH génère une charge polluante de 60 g de DBO5 par jour.

Données actuelles de fonctionnement de la STEP :

  • Population actuellement raccordée à la STEP : 16 500 habitants
  • Dotation moyenne en eau potable par habitant raccordé : 170 L/habitant.j
  • Pourcentage d'eaux usées retournant au réseau : 85% de la dotation en eau
  • Concentration moyenne en DBO5 des eaux usées brutes arrivant à la station : 320 mg/L

Projection :

  • On estime une augmentation de la population raccordée de 10% dans les 5 prochaines années.
  • La dotation en eau par habitant et la concentration en DBO5 des eaux usées brutes sont supposées rester constantes.
Schéma : Charge vs Capacité (Illustratif)
Capacité Nominale 100% Charge Actuelle X % Charge (kg DBO5/j ou EH)

Illustration du concept de taux d'occupation.

Questions à traiter

  1. Calculer la capacité nominale de traitement organique de la STEP en kg DBO5/jour.
  2. Calculer le débit journalier moyen actuel des eaux usées (\(Q_{\text{m,actuel}}\)) arrivant à la station.
  3. Calculer la charge organique (DBO5) actuelle arrivant à la station (\(Flux_{\text{DBO5,actuel}}\)) en kg DBO5/jour.
  4. Déterminer le taux d'occupation organique actuel de la station en pourcentage.
  5. Calculer la population raccordée projetée dans 5 ans.
  6. Estimer la charge organique (DBO5) projetée arrivant à la station dans 5 ans (\(Flux_{\text{DBO5,projeté}}\)).
  7. Calculer le taux d'occupation organique projeté de la station dans 5 ans. Commenter ce résultat.

Correction : Analyse du Taux d'Occupation d'une STEP

Question 1 : Capacité Nominale Organique de la STEP (\(Capa_{\text{nom,DBO5}}\))

Principe :

La capacité nominale organique de la STEP est donnée en Équivalents-Habitants (EH). Pour l'exprimer en charge massique (kg DBO5/jour), on multiplie le nombre d'EH par la charge polluante spécifique d'un EH en DBO5.

Formule(s) utilisée(s) :
\[Capa_{\text{nom,DBO5}} (\text{kg/j}) = \text{Capacité Nominale (EH)} \times \text{Charge DBO5 par EH (g/EH.j)} \times \frac{1 \text{ kg}}{1000 \text{ g}}\]
Données spécifiques :
  • Capacité Nominale : 20 000 EH
  • Charge DBO5 par EH : 60 g DBO5/EH.j
Calcul :
\[ \begin{aligned} Capa_{\text{nom,DBO5}} &= 20000 \text{ EH} \times 60 \text{ g DBO5/EH.j} \times \frac{1 \text{ kg}}{1000 \text{ g}} \\ &= 20000 \times 0.060 \text{ kg DBO5/j} \\ &= 1200 \text{ kg DBO5/j} \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : Capacité nominale organique de la STEP = \(1200 \text{ kg DBO5/j}\).

Quiz Intermédiaire 1 : Si la charge DBO5 par EH était de 50 g/EH.j au lieu de 60, la capacité nominale en kg DBO5/j serait :

Question 2 : Débit Journalier Moyen Actuel des Eaux Usées (\(Q_{\text{m,actuel}}\))

Principe :

Le débit journalier moyen actuel est calculé en multipliant la population actuellement raccordée par la dotation moyenne en eau par habitant, puis par le pourcentage d'eaux usées retournant au réseau.

Formule(s) utilisée(s) :
\[Q_{\text{m,actuel}} = \text{Population Actuelle} \times \text{Dotation Eau} \times \text{Pourcentage Retour Réseau}\]
Données spécifiques :
  • Population Actuelle : 16 500 habitants
  • Dotation Eau : 170 L/habitant.j = 0.170 m³/habitant.j
  • Pourcentage Retour Réseau : 85% = 0.85
Calcul :
\[ \begin{aligned} Q_{\text{m,actuel}} &= 16500 \text{ hab.} \times 0.170 \text{ m³/hab.j} \times 0.85 \\ &= 2805 \text{ m³/j} \times 0.85 \\ &= 2384.25 \text{ m³/j} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : Débit journalier moyen actuel \(Q_{\text{m,actuel}} = 2384.25 \text{ m³/j}\).

Quiz Intermédiaire 2 : Si la dotation en eau par habitant augmente, le débit journalier moyen actuel :

Question 3 : Charge Organique (DBO5) Actuelle Arrivant à la Station (\(Flux_{\text{DBO5,actuel}}\))

Principe :

La charge organique actuelle est le produit du débit journalier moyen actuel par la concentration moyenne en DBO5 des eaux usées brutes. Les unités doivent être cohérentes (kg/j).

Formule(s) utilisée(s) :
\[Flux_{\text{DBO5,actuel}} (\text{kg/j}) = Q_{\text{m,actuel}} (\text{m³/j}) \times C_{\text{DBO5,actuel,ent}} (\text{mg/L}) \times \frac{1 \text{ kg}}{10^6 \text{ mg}} \times \frac{1000 \text{ L}}{1 \text{ m³}}\] \[\text{Simplifié : } Flux_{\text{DBO5,actuel}} (\text{kg/j}) = Q_{\text{m,actuel}} (\text{m³/j}) \times C_{\text{DBO5,actuel,ent}} (\text{g/m³}) \times \frac{1 \text{ kg}}{1000 \text{ g}}\]
Données spécifiques :
  • \(Q_{\text{m,actuel}} = 2384.25 \text{ m³/j}\)
  • \(C_{\text{DBO5,actuel,ent}} = 320 \text{ mg/L} = 320 \text{ g/m³}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} Flux_{\text{DBO5,actuel}} &= 2384.25 \text{ m³/j} \times 320 \text{ g/m³} \times \frac{1 \text{ kg}}{1000 \text{ g}} \\ &= 2384.25 \times 0.320 \text{ kg/j} \\ &= 762.96 \text{ kg DBO5/j} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : Charge organique (DBO5) actuelle \(Flux_{\text{DBO5,actuel}} = 762.96 \text{ kg DBO5/j}\).

Quiz Intermédiaire 3 : Si la concentration en DBO5 des eaux brutes diminue, la charge organique actuelle :

Question 4 : Taux d'Occupation Organique Actuel de la Station

Principe :

Le taux d'occupation organique actuel est le rapport entre la charge organique actuelle arrivant à la station et la capacité nominale de traitement organique de la station, exprimé en pourcentage.

Formule(s) utilisée(s) :
\[\text{Taux d'Occupation Organique Actuel} (\%) = \frac{Flux_{\text{DBO5,actuel}}}{Capa_{\text{nom,DBO5}}} \times 100\]
Données spécifiques :
  • \(Flux_{\text{DBO5,actuel}} = 762.96 \text{ kg DBO5/j}\)
  • \(Capa_{\text{nom,DBO5}} = 1200 \text{ kg DBO5/j}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{Taux d'Occupation Actuel} &= \frac{762.96 \text{ kg DBO5/j}}{1200 \text{ kg DBO5/j}} \times 100 \\ &= 0.6358 \times 100 \\ &\approx 63.58 \% \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : Taux d'occupation organique actuel \(\approx 63.6\%\).

Quiz Intermédiaire 4 : Un taux d'occupation de 50% signifie que :

Question 5 : Population Raccordée Projetée dans 5 ans

Principe :

La population projetée est calculée en augmentant la population actuelle du pourcentage d'augmentation estimé.

Formule(s) utilisée(s) :
\[\text{Population}_{\text{projetée}} = \text{Population}_{\text{actuelle}} \times (1 + \text{Taux d'Augmentation})\]
Données spécifiques :
  • Population Actuelle : 16 500 habitants
  • Taux d'Augmentation : 10% = 0.10
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{Population}_{\text{projetée}} &= 16500 \text{ hab.} \times (1 + 0.10) \\ &= 16500 \text{ hab.} \times 1.10 \\ &= 18150 \text{ habitants} \end{aligned} \]
Résultat Question 5 : Population raccordée projetée dans 5 ans = \(18150 \text{ habitants}\).

Quiz Intermédiaire 5 : Si le taux d'augmentation de la population est négatif (décroissance), la population projetée sera :

Question 6 : Charge Organique (DBO5) Projetée (\(Flux_{\text{DBO5,projeté}}\))

Principe :

La charge organique projetée est calculée de la même manière que la charge actuelle, mais en utilisant la population projetée. La dotation en eau et la concentration en DBO5 sont supposées constantes.

Formule(s) utilisée(s) :
\[Q_{\text{m,projeté}} = \text{Population}_{\text{projetée}} \times \text{Dotation Eau} \times \text{Pourcentage Retour Réseau}\] \[Flux_{\text{DBO5,projeté}} = Q_{\text{m,projeté}} \times C_{\text{DBO5,actuel,ent}} \times \frac{1 \text{ kg}}{1000 \text{ g}}\]
Données spécifiques :
  • Population Projetée : 18150 habitants
  • Dotation Eau : 0.170 m³/habitant.j
  • Pourcentage Retour Réseau : 0.85
  • \(C_{\text{DBO5,actuel,ent}} = 320 \text{ g/m³}\)
Calcul :

Débit journalier moyen projeté :

\[ \begin{aligned} Q_{\text{m,projeté}} &= 18150 \text{ hab.} \times 0.170 \text{ m³/hab.j} \times 0.85 \\ &= 3085.5 \text{ m³/j} \times 0.85 \\ &= 2622.675 \text{ m³/j} \end{aligned} \]

Charge organique DBO5 projetée :

\[ \begin{aligned} Flux_{\text{DBO5,projeté}} &= 2622.675 \text{ m³/j} \times 320 \text{ g/m³} \times \frac{1 \text{ kg}}{1000 \text{ g}} \\ &= 2622.675 \times 0.320 \text{ kg/j} \\ &= 839.256 \text{ kg DBO5/j} \end{aligned} \]
Résultat Question 6 : Charge organique (DBO5) projetée \(Flux_{\text{DBO5,projeté}} \approx 839.26 \text{ kg DBO5/j}\).

Question 7 : Taux d'Occupation Organique Projeté et Commentaire

Principe :

Le taux d'occupation organique projeté est le rapport entre la charge organique projetée et la capacité nominale de la station.

Formule(s) utilisée(s) :
\[\text{Taux d'Occupation Organique Projeté} (\%) = \frac{Flux_{\text{DBO5,projeté}}}{Capa_{\text{nom,DBO5}}} \times 100\]
Données spécifiques :
  • \(Flux_{\text{DBO5,projeté}} \approx 839.26 \text{ kg DBO5/j}\)
  • \(Capa_{\text{nom,DBO5}} = 1200 \text{ kg DBO5/j}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{Taux d'Occupation Projeté} &= \frac{839.26 \text{ kg DBO5/j}}{1200 \text{ kg DBO5/j}} \times 100 \\ &= 0.69938 \times 100 \\ &\approx 69.94 \% \end{aligned} \]
Commentaire :

Le taux d'occupation organique projeté dans 5 ans est d'environ 69.9%. Actuellement, il est de 63.6%. L'augmentation de la population raccordée entraîne une hausse du taux d'occupation. Un taux de 69.9% indique que la station dispose encore d'une marge de capacité significative. Cependant, il est important de surveiller cette évolution. Si le taux d'occupation continue d'augmenter et s'approche de 80-90%, la station pourrait commencer à rencontrer des difficultés pour maintenir ses performances épuratoires, surtout lors des pointes de charge. Une planification à plus long terme pourrait être nécessaire si la croissance démographique se poursuit au même rythme. Un taux d'occupation très bas (ex: < 30-40%) pourrait indiquer un surdimensionnement initial ou une baisse d'activité, ce qui peut aussi poser des problèmes de fonctionnement pour certains types de filières.

Résultat Question 7 : Taux d'occupation organique projeté \(\approx 69.9\%\). La station aura encore une marge de capacité, mais une surveillance continue est recommandée.

Quiz Intermédiaire 7 : Si la capacité nominale de la STEP était plus faible, le taux d'occupation projeté (pour la même charge projetée) serait :

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. La capacité nominale d'une STEP représente :

2. Un taux d'occupation organique élevé (proche de 100%) indique généralement que la STEP :

3. Pour calculer la charge organique en DBO5 (kg/j) arrivant à une STEP, on a besoin :

Glossaire

Taux d'Occupation
Rapport entre la charge (hydraulique, organique, etc.) réellement appliquée à une station d'épuration et sa capacité nominale de traitement pour cette même charge. Il est généralement exprimé en pourcentage.
Capacité Nominale (ou de Conception)
Charge maximale (hydraulique, organique en DBO5 ou DCO, MES) pour laquelle une station d'épuration a été conçue pour garantir un niveau de traitement conforme aux normes de rejet.
Charge Hydraulique
Volume d'eau usée arrivant à la station par unité de temps (ex: m³/j, m³/h).
Charge Organique
Quantité de matière organique polluante (exprimée en DBO5, DCO) arrivant à la station par unité de temps (ex: kg DBO5/j).
Équivalent-Habitant (EH)
Unité de mesure normalisée de la pollution organique biodégradable produite. En Europe, un EH correspond conventionnellement à 60 grammes de DBO5 par jour.
DBO5 (Demande Biochimique en Oxygène sur 5 jours)
Mesure de la quantité d'oxygène consommée par les micro-organismes pour décomposer la matière organique biodégradable dans l'eau sur une période de 5 jours à 20°C.
Analyse du Taux d’Occupation d'une STEP - Exercice d'Application

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