Études de cas pratique

EGC

Analyse et Atténuation de la Pollution Aquatique

Analyse et Atténuation de la Pollution Aquatique en Assainissement

Analyse et Atténuation de la Pollution Aquatique en Assainissement

Comprendre l'Analyse et l'Atténuation de la Pollution Aquatique en Assainissement

La pollution aquatique issue des activités humaines, notamment via les rejets d'eaux usées, constitue une menace majeure pour les ressources en eau et la biodiversité. L'analyse de cette pollution implique la caractérisation des eaux usées par la mesure de divers paramètres (tels que la DBO5, les MES, l'azote, le phosphore, les micro-organismes pathogènes) afin d'évaluer leur impact potentiel sur le milieu récepteur. L'atténuation de cette pollution repose sur la mise en œuvre de systèmes d'assainissement efficaces, comprenant différentes étapes de traitement (primaire, secondaire, tertiaire) visant à réduire la concentration des polluants à des niveaux acceptables avant le rejet, préservant ainsi la qualité des écosystèmes aquatiques et la santé publique.

Données de l'étude

Une petite agglomération de 2000 équivalents-habitants (EH) rejette ses eaux usées domestiques. On souhaite évaluer la pollution et l'effet d'un décanteur primaire.

Caractéristiques et Données :

  • Population : \(P = 2000 \, \text{EH}\)
  • Dotation en eau par habitant : \(Dot_{\text{eau}} = 150 \, \text{L/EH/jour}\)
  • Concentration en DBO5 dans les eaux usées brutes : \(C_{\text{DBO5,brut}} = 300 \, \text{mg/L}\)
  • Concentration en MES dans les eaux usées brutes : \(C_{\text{MES,brut}} = 350 \, \text{mg/L}\)
  • Rendement épuratoire du décanteur primaire pour la DBO5 : \(R_{\text{DBO5}} = 30\%\)
  • Rendement épuratoire du décanteur primaire pour les MES : \(R_{\text{MES}} = 60\%\)
Schéma Simplifié du Traitement Primaire
Eaux brutes Q, C_brut Décanteur Primaire Eaux traitées Q, C_traite

Flux d'eaux usées brutes entrant dans un décanteur primaire, et flux d'eaux traitées en sortie.

Questions à Traiter

  1. Calculer le débit journalier moyen des eaux usées (\(Q\)) en \(\text{m}^3\text{/jour}\).
  2. Calculer le flux journalier de DBO5 entrant (\(Flux_{\text{DBO5,brut}}\)) en \(\text{kg/jour}\).
  3. Calculer la concentration en DBO5 (\(C_{\text{DBO5,traite}}\)) en \(\text{mg/L}\) à la sortie du décanteur.
  4. Calculer le flux journalier de DBO5 rejeté après traitement primaire (\(Flux_{\text{DBO5,rejete}}\)) en \(\text{kg/jour}\).
  5. Calculer la concentration en MES (\(C_{\text{MES,traite}}\)) en \(\text{mg/L}\) à la sortie du décanteur.
  6. Citer trois autres types de polluants (hors DBO5 et MES) couramment présents dans les eaux usées domestiques et décrire brièvement un impact potentiel pour chacun.
  7. Proposer deux filières de traitement complémentaires qui pourraient être installées après ce décanteur primaire pour améliorer significativement la qualité de l'eau avant rejet. Expliquer brièvement leur principe de fonctionnement.

Correction : Analyse et Atténuation de la Pollution Aquatique

Question 1 : Débit journalier moyen (\(Q\))

Principe / Rappel Théorique :

Le débit journalier est le volume total d'eau usée produit par la population en une journée. Il se calcule en multipliant le nombre d'équivalents-habitants par la dotation en eau par équivalent-habitant.

Formule(s) Clé(s) :
\[Q = P \times Dot_{\text{eau}}\]
Données Spécifiques pour cette Question :
  • Population (\(P\)): \(2000 \, \text{EH}\)
  • Dotation en eau (\(Dot_{\text{eau}}\)): \(150 \, \text{L/EH/jour}\)
Calcul et Développement :
\[ \begin{aligned} Q &= 2000 \, \text{EH} \times 150 \, \text{L/EH/jour} \\ &= 300000 \, \text{L/jour} \end{aligned} \]

Conversion en \(\text{m}^3\text{/jour}\) (sachant que \(1 \, \text{m}^3 = 1000 \, \text{L}\)) :

\[ Q = \frac{300000 \, \text{L/jour}}{1000 \, \text{L/m}^3} = 300 \, \text{m}^3\text{/jour} \]
Résultat Question 1 : Le débit journalier moyen des eaux usées est \(Q = 300 \, \text{m}^3\text{/jour}\).

Quiz Intermédiaire 1.1 : Si la dotation en eau diminuait, le débit journalier :

Question 2 : Flux journalier de DBO5 entrant (\(Flux_{\text{DBO5,brut}}\))

Principe / Rappel Théorique :

Le flux d'un polluant est la masse de ce polluant transportée par unité de temps. Il se calcule en multipliant le débit par la concentration du polluant. Attention aux unités !

Formule(s) Clé(s) :
\[Flux_{\text{polluant}} = Q \times C_{\text{polluant}}\]
Données Spécifiques pour cette Question :
  • Débit (\(Q\)): \(300 \, \text{m}^3\text{/jour}\)
  • Concentration DBO5 brute (\(C_{\text{DBO5,brut}}\)): \(300 \, \text{mg/L}\)
Calcul et Développement :

Il faut convertir les unités pour obtenir un flux en kg/jour. \(1 \, \text{mg/L} = 1 \, \text{g/m}^3\). Donc, \(C_{\text{DBO5,brut}} = 300 \, \text{g/m}^3\). Et \(1 \, \text{kg} = 1000 \, \text{g}\).

\[ \begin{aligned} Flux_{\text{DBO5,brut}} &= 300 \, \text{m}^3\text{/jour} \times 300 \, \text{g/m}^3 \\ &= 90000 \, \text{g/jour} \end{aligned} \]

Conversion en kg/jour :

\[ Flux_{\text{DBO5,brut}} = \frac{90000 \, \text{g/jour}}{1000 \, \text{g/kg}} = 90 \, \text{kg/jour} \]
Résultat Question 2 : Le flux journalier de DBO5 entrant est \(Flux_{\text{DBO5,brut}} = 90 \, \text{kg/jour}\).

Question 3 : Concentration en DBO5 (\(C_{\text{DBO5,traite}}\)) après traitement

Principe / Rappel Théorique :

La concentration d'un polluant après traitement dépend de sa concentration initiale et du rendement épuratoire de l'étape de traitement pour ce polluant.

Formule(s) Clé(s) :
\[C_{\text{traite}} = C_{\text{brut}} \times (1 - \frac{R}{100})\]

Où R est le rendement en pourcentage.

Données Spécifiques pour cette Question :
  • Concentration DBO5 brute (\(C_{\text{DBO5,brut}}\)): \(300 \, \text{mg/L}\)
  • Rendement DBO5 (\(R_{\text{DBO5}}\)): \(30\%\)
Calcul et Développement :
\[ \begin{aligned} C_{\text{DBO5,traite}} &= 300 \, \text{mg/L} \times (1 - \frac{30}{100}) \\ &= 300 \, \text{mg/L} \times (1 - 0.30) \\ &= 300 \, \text{mg/L} \times 0.70 \\ &= 210 \, \text{mg/L} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : La concentration en DBO5 après traitement primaire est \(C_{\text{DBO5,traite}} = 210 \, \text{mg/L}\).

Question 4 : Flux journalier de DBO5 rejeté (\(Flux_{\text{DBO5,rejete}}\))

Principe / Rappel Théorique :

Le flux rejeté se calcule avec la concentration après traitement et le débit (qui est supposé constant à travers le traitement primaire pour ce calcul simplifié).

Formule(s) Clé(s) :
\[Flux_{\text{rejete}} = Q \times C_{\text{traite}}\]

Alternativement, \(Flux_{\text{rejete}} = Flux_{\text{brut}} \times (1 - \frac{R}{100})\).

Données Spécifiques pour cette Question :
  • Débit (\(Q\)): \(300 \, \text{m}^3\text{/jour}\)
  • Concentration DBO5 traitée (\(C_{\text{DBO5,traite}}\)): \(210 \, \text{mg/L} = 210 \, \text{g/m}^3\)\)
  • Flux DBO5 brut (\(Flux_{\text{DBO5,brut}}\)): \(90 \, \text{kg/jour}\)
  • Rendement DBO5 (\(R_{\text{DBO5}}\)): \(30\%\)
Calcul et Développement (Méthode 1) :
\[ \begin{aligned} Flux_{\text{DBO5,rejete}} &= 300 \, \text{m}^3\text{/jour} \times 210 \, \text{g/m}^3 \\ &= 63000 \, \text{g/jour} \\ &= 63 \, \text{kg/jour} \end{aligned} \]

Calcul (Méthode 2) :

\[ \begin{aligned} Flux_{\text{DBO5,rejete}} &= 90 \, \text{kg/jour} \times (1 - \frac{30}{100}) \\ &= 90 \, \text{kg/jour} \times 0.70 \\ &= 63 \, \text{kg/jour} \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : Le flux journalier de DBO5 rejeté après traitement primaire est \(Flux_{\text{DBO5,rejete}} = 63 \, \text{kg/jour}\).

Quiz Intermédiaire 4.1 : Un rendement épuratoire plus élevé pour la DBO5 conduirait à un flux de DBO5 rejeté :

Question 5 : Concentration en MES (\(C_{\text{MES,traite}}\)) après traitement

Principe / Rappel Théorique :

Similaire à la DBO5, la concentration en MES après traitement dépend de la concentration initiale et du rendement du décanteur pour les MES.

Formule(s) Clé(s) :
\[C_{\text{traite}} = C_{\text{brut}} \times (1 - \frac{R}{100})\]
Données Spécifiques pour cette Question :
  • Concentration MES brute (\(C_{\text{MES,brut}}\)): \(350 \, \text{mg/L}\)
  • Rendement MES (\(R_{\text{MES}}\)): \(60\%\)
Calcul et Développement :
\[ \begin{aligned} C_{\text{MES,traite}} &= 350 \, \text{mg/L} \times (1 - \frac{60}{100}) \\ &= 350 \, \text{mg/L} \times (1 - 0.60) \\ &= 350 \, \text{mg/L} \times 0.40 \\ &= 140 \, \text{mg/L} \end{aligned} \]
Résultat Question 5 : La concentration en MES après traitement primaire est \(C_{\text{MES,traite}} = 140 \, \text{mg/L}\).

Question 6 : Autres polluants et leurs impacts

Explication :

Outre la DBO5 (matière organique biodégradable) et les MES (particules solides), les eaux usées domestiques contiennent divers autres polluants :

  • Azote (N) (principalement sous forme d'azote ammoniacal \(NH_4^+\) et d'azote organique) :
    • Impact potentiel : Eutrophisation des milieux aquatiques (prolifération excessive d'algues due à un excès de nutriments, conduisant à une baisse de l'oxygène dissous et à la mort de la faune aquatique). L'ammoniac est également toxique pour les poissons.
  • Phosphore (P) (principalement sous forme de phosphates \(PO_4^{3-}\)) :
    • Impact potentiel : Principal facteur limitant de l'eutrophisation dans de nombreux écosystèmes d'eau douce. Contribue également à la prolifération algale.
  • Micro-organismes pathogènes (bactéries, virus, parasites) :
    • Impact potentiel : Risques sanitaires pour l'homme (maladies hydriques comme la gastro-entérite, le choléra, l'hépatite A) en cas de contact ou de consommation d'eau contaminée, et impacts sur la faune aquatique.
  • Micropolluants organiques et minéraux (résidus de médicaments, pesticides, métaux lourds, produits de soins personnels, détergents) :
    • Impact potentiel : Toxicité chronique ou aiguë pour les organismes aquatiques, perturbation endocrinienne, bioaccumulation dans la chaîne alimentaire, contamination des sources d'eau potable.

Question 7 : Filières de traitement complémentaires

Explication :

Après un traitement primaire (décantation), qui élimine principalement les solides décantables et une partie de la matière organique, des traitements complémentaires (secondaires et tertiaires) sont nécessaires pour atteindre des normes de rejet plus strictes et protéger le milieu récepteur.

Deux propositions de filières complémentaires :

  1. Traitement Biologique (secondaire) - Exemple : Boues Activées
    • Principe : Les eaux issues du décanteur primaire sont mises en contact avec une biomasse de micro-organismes (bactéries, protozoaires) en suspension dans un bassin aéré (bassin d'aération). Ces micro-organismes dégradent la matière organique dissoute et colloïdale restante (DBO5) en la transformant en biomasse nouvelle, CO2 et eau. L'azote peut également être partiellement éliminé par des processus de nitrification (transformation de l'ammoniac en nitrates) et de dénitrification (transformation des nitrates en azote gazeux) si les conditions opératoires sont adaptées (alternance de zones anoxies et aérées). Après le bassin d'aération, un clarificateur secondaire sépare la biomasse (boues activées) de l'eau traitée. Une partie des boues est recirculée vers le bassin d'aération pour maintenir une concentration suffisante de micro-organismes.
  2. Traitement Tertiaire - Exemple : Désinfection par UV
    • Principe : Après le traitement biologique et la clarification secondaire, l'eau peut encore contenir des micro-organismes pathogènes. La désinfection vise à inactiver ces pathogènes pour prévenir les risques sanitaires. La désinfection par ultraviolets (UV) expose l'eau à des rayonnements UV-C (généralement à une longueur d'onde de 254 nm). Ces rayonnements pénètrent les cellules des micro-organismes et endommagent leur ADN (ou ARN pour les virus), les empêchant de se reproduire et de provoquer des infections. C'est une méthode physique qui n'ajoute pas de produits chimiques à l'eau, contrairement à la chloration.

D'autres options tertiaires incluent la filtration sur sable (pour éliminer les MES résiduelles), l'adsorption sur charbon actif (pour les micropolluants) ou des traitements spécifiques de l'azote et du phosphore (ex: déphosphatation physico-chimique).

Quiz Récapitulatif

1. Qu'est-ce que la DBO5 mesure principalement ?

2. Si le débit d'eaux usées est de \(200 \, \text{m}^3\text{/jour}\) et la concentration en MES est de \(250 \, \text{mg/L}\), quel est le flux de MES en kg/jour ?

3. L'eutrophisation est principalement causée par un excès de :

Glossaire des Termes Clés

Assainissement
Ensemble des techniques de collecte, de transport et de traitement des eaux usées et pluviales avant leur rejet dans le milieu naturel ou leur réutilisation.
DBO5 (Demande Biochimique en Oxygène sur 5 jours)
Quantité d'oxygène consommée par les micro-organismes aérobies pour décomposer la matière organique biodégradable présente dans l'eau, à 20°C et à l'obscurité, pendant 5 jours. Exprimée en mg O2/L.
MES (Matières En Suspension)
Ensemble des particules solides, minérales ou organiques, non dissoutes, présentes dans l'eau et retenues par un filtre d'une porosité définie (généralement 0.45 µm ou 1.2 µm). Exprimées en mg/L.
Équivalent-Habitant (EH)
Unité de mesure de la charge polluante générée. Un EH correspond à la pollution moyenne produite par une personne par jour (par convention, souvent 60g de DBO5/jour, 90g de MES/jour).
Flux de pollution
Masse de polluant transportée par unité de temps (ex: kg/jour). Calculé par \(Flux = Q \times C\).
Rendement Épuratoire (R)
Pourcentage de réduction de la concentration ou du flux d'un polluant par une étape de traitement. \(R = \frac{C_{\text{brut}} - C_{\text{traite}}}{C_{\text{brut}}} \times 100\).
Eutrophisation
Processus par lequel un milieu aquatique s'enrichit excessivement en nutriments (principalement azote et phosphore), entraînant une prolifération végétale (algues, plantes aquatiques), une diminution de l'oxygène dissous et une dégradation de la qualité de l'eau et des écosystèmes.
Traitement Primaire
Première étape majeure du traitement des eaux usées, visant à éliminer les matières solides grossières (dégrillage, dessablage) et une partie des matières en suspension décantables (décantation primaire).
Traitement Secondaire (ou Biologique)
Étape de traitement visant à éliminer la matière organique dissoute et colloïdale, ainsi que certains nutriments, grâce à l'action de micro-organismes.
Traitement Tertiaire
Étape de traitement avancée appliquée après le traitement secondaire pour éliminer des polluants spécifiques (ex: phosphore, azote résiduel, pathogènes, micropolluants) ou pour atteindre une qualité d'eau permettant sa réutilisation.
Exercice : Analyse et Atténuation de la Pollution Aquatique - Assainissement

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