Études de cas pratique

EGC

Assainissement des eaux usées

Assainissement des eaux usées

Assainissement des eaux usées

Dimensionnement des Traitements Biologiques

Le traitement biologique est au cœur de la plupart des stations d'épuration des eaux usées. Il vise à éliminer la pollution organique biodégradable grâce à l'action de micro-organismes. Pour dimensionner correctement les ouvrages de traitement biologique (comme les bassins d'aération dans les systèmes à boues activées) et pour assurer leur bon fonctionnement, il est crucial de quantifier la charge organique entrante (principalement en termes de DBO5) et d'estimer les besoins en oxygène nécessaires à la dégradation de cette pollution et à la respiration des micro-organismes. Une bonne estimation de la production de boues en excès est également importante pour la gestion de la filière boues.

Données de l'étude

On considère une station d'épuration à boues activées traitant les eaux usées d'une collectivité. Les données suivantes sont disponibles pour l'évaluation de la charge organique et des besoins en oxygène du traitement biologique (partie carbonée uniquement pour cet exercice simplifié).

Schéma d'un Bassin d'Aération (Traitement Biologique)
Eau Usée Q, DBOe Bassin d'Aération Apport O₂ Vers Clarif. DBOs

Illustration d'un bassin d'aération pour le traitement biologique.

Tableau : Données de la Station et Paramètres de Calcul
Paramètre Valeur Unité
Débit journalier moyen (Q) 4000 m³/jour
DBO5 en entrée (DBO5e) 250 mg/L
DBO5 en sortie visée (DBO5s) 20 mg/L
Coefficient de production de boues (Yobs) 0.45 kg MES produites / kg DBO5 éliminée
Coefficient pour les besoins en oxygène de la DBO5 carbonée (fO2/DBO5) 1.0 kg O₂ / kg DBO5 éliminée (hors respiration endogène)
Taux de respiration endogène (kd) 0.05 jour-1
Concentration en biomasse active dans le bassin (Xv) 3000 mg MESV/L (Matières En Suspension Volatiles)
Volume du bassin d'aération (Vbassin) 1500 m³

Hypothèses : On néglige la DBO5 particulaire entrante qui serait éliminée en traitement primaire. La DBO5 est considérée comme soluble. On se concentre sur l'élimination de la pollution carbonée. MESV = Matières En Suspension Volatiles, représentatives de la biomasse active.

Questions à traiter

  1. Calculer la charge journalière en DBO5 entrant dans le traitement biologique (ChargeDBO5,e) en kg/jour.
  2. Calculer la quantité de DBO5 à éliminer par jour (DBO5élim) en kg/jour.
  3. Calculer la production journalière de boues biologiques en excès (Pboues) en kg MES/jour, due à la croissance sur la DBO5 éliminée.
  4. Calculer les besoins journaliers en oxygène pour l'oxydation de la DBO5 carbonée (BOcarb) en kg O₂/jour (sans compter la respiration endogène initialement).
  5. Calculer les besoins journaliers en oxygène pour la respiration endogène de la biomasse (BOendo) en kg O₂/jour. (Besoin O₂ endogène = 1.42 * kd * Xv * Vbassin).
  6. Calculer les besoins totaux en oxygène (BOtotal) en kg O₂/jour.

Correction : Assainissement des eaux usées

Question 1 : Charge Journalière en DBO5 Entrante (ChargeDBO5,e)

Principe :

La charge journalière entrante est le produit du débit par la concentration en DBO5 à l'entrée.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Charge}_{\text{DBO5,e}} (\text{kg/j}) = Q (\text{m³/j}) \times \text{DBO5}_{\text{e}} (\text{mg/L}) \times 10^{-3} \]
Données spécifiques :
  • Débit (Q) = \(4000 \, \text{m³/jour}\)
  • DBO5 en entrée (DBO5e) = \(250 \, \text{mg/L}\)
Calcul :

Conversion de la concentration DBO5e : \(250 \, \text{mg/L} = 0.250 \, \text{kg/m³}\)

\[ \begin{aligned} \text{Charge}_{\text{DBO5,e}} &= 4000 \, \text{m³/j} \times 0.250 \, \text{kg/m³} \\ &= 1000 \, \text{kg DBO5/j} \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : La charge journalière en DBO5 entrant dans le traitement biologique est de \(1000 \, \text{kg DBO5/jour}\).

Question 2 : Quantité de DBO5 à Éliminer par Jour (DBO5élim)

Principe :

La quantité de DBO5 à éliminer est la différence entre la charge entrante et la charge sortante (calculée à partir de la DBO5 en sortie visée).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Charge}_{\text{DBO5,s}} (\text{kg/j}) = Q (\text{m³/j}) \times \text{DBO5}_{\text{s}} (\text{mg/L}) \times 10^{-3} \]
\[ \text{DBO5}_{\text{élim}} = \text{Charge}_{\text{DBO5,e}} - \text{Charge}_{\text{DBO5,s}} \]
Données spécifiques :
  • ChargeDBO5,e = \(1000 \, \text{kg DBO5/j}\)
  • Débit (Q) = \(4000 \, \text{m³/jour}\)
  • DBO5 en sortie visée (DBO5s) = \(20 \, \text{mg/L}\)
Calcul :

Charge DBO5 en sortie (ChargeDBO5,s) :

Conversion de la concentration DBO5s : \(20 \, \text{mg/L} = 0.020 \, \text{kg/m³}\)

\[ \begin{aligned} \text{Charge}_{\text{DBO5,s}} &= 4000 \, \text{m³/j} \times 0.020 \, \text{kg/m³} \\ &= 80 \, \text{kg DBO5/j} \end{aligned} \]

DBO5 à éliminer :

\[ \begin{aligned} \text{DBO5}_{\text{élim}} &= 1000 \, \text{kg/j} - 80 \, \text{kg/j} \\ &= 920 \, \text{kg DBO5/j} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : La quantité de DBO5 à éliminer par jour est de \(920 \, \text{kg DBO5/jour}\).

Question 3 : Production Journalière de Boues Biologiques en Excès (Pboues)

Principe :

La production de boues en excès est directement liée à la quantité de DBO5 éliminée et au coefficient de production de boues observé (Yobs), qui tient compte de la croissance cellulaire et de la respiration endogène.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ P_{\text{boues}} (\text{kg MES/j}) = \text{DBO5}_{\text{élim}} (\text{kg DBO5/j}) \times Y_{\text{obs}} (\text{kg MES/kg DBO5 élim}) \]
Données spécifiques :
  • DBO5élim = \(920 \, \text{kg DBO5/j}\)
  • Coefficient de production de boues (Yobs) = \(0.45 \, \text{kg MES/kg DBO5 élim}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} P_{\text{boues}} &= 920 \, \text{kg DBO5/j} \times 0.45 \, \text{kg MES/kg DBO5 élim} \\ &= 414 \, \text{kg MES/j} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : La production journalière de boues biologiques en excès est de \(414 \, \text{kg MES/jour}\).

Quiz Intermédiaire 1 : Si le coefficient de production de boues (Yobs) était plus faible (ex: 0.35 au lieu de 0.45), la quantité de boues produites serait :

Question 4 : Besoins Journaliers en Oxygène pour la DBO5 Carbonée (BOcarb)

Principe :

Les besoins en oxygène pour l'oxydation de la pollution carbonée (représentée par la DBO5 éliminée) sont calculés en utilisant un coefficient stœchiométrique (fO2/DBO5). Ce coefficient représente la masse d'oxygène nécessaire pour oxyder une masse donnée de DBO5.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{BO}_{\text{carb}} (\text{kg O₂/j}) = \text{DBO5}_{\text{élim}} (\text{kg DBO5/j}) \times f_{\text{O2/DBO5}} (\text{kg O₂/kg DBO5 élim}) \]
Données spécifiques :
  • DBO5élim = \(920 \, \text{kg DBO5/j}\)
  • Coefficient fO2/DBO5 = \(1.0 \, \text{kg O₂/kg DBO5 élim}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{BO}_{\text{carb}} &= 920 \, \text{kg DBO5/j} \times 1.0 \, \text{kg O₂/kg DBO5 élim} \\ &= 920 \, \text{kg O₂/j} \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : Les besoins journaliers en oxygène pour l'oxydation de la DBO5 carbonée sont de \(920 \, \text{kg O₂/jour}\).

Question 5 : Besoins Journaliers en Oxygène pour la Respiration Endogène (BOendo)

Principe :

La respiration endogène correspond à l'oxydation par les micro-organismes de leur propre matière cellulaire pour leur maintien en l'absence de substrat externe suffisant. Les besoins en oxygène pour ce processus dépendent de la masse de biomasse active (MESV) dans le bassin, du volume du bassin et d'un taux de respiration endogène (kd). Le facteur 1.42 représente la DCO de la biomasse (kg DCO / kg MESV).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{BO}_{\text{endo}} (\text{kg O₂/j}) = 1.42 \times k_{\text{d}} (\text{j}^{-1}) \times X_{\text{v}} (\text{kg MESV/m³}) \times V_{\text{bassin}} (\text{m³}) \]
Données spécifiques :
  • Taux de respiration endogène (kd) = \(0.05 \, \text{j}^{-1}\)
  • Concentration en biomasse active (Xv) = \(3000 \, \text{mg MESV/L} = 3.0 \, \text{kg MESV/m³}\)
  • Volume du bassin d'aération (Vbassin) = \(1500 \, \text{m³}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{BO}_{\text{endo}} &= 1.42 \times 0.05 \, \text{j}^{-1} \times 3.0 \, \text{kg MESV/m³} \times 1500 \, \text{m³} \\ &= 0.071 \times 3.0 \times 1500 \, \text{kg O₂/j} \\ &= 0.213 \times 1500 \, \text{kg O₂/j} \\ &= 319.5 \, \text{kg O₂/j} \end{aligned} \]
Résultat Question 5 : Les besoins journaliers en oxygène pour la respiration endogène sont de \(319.5 \, \text{kg O₂/jour}\).

Question 6 : Besoins Totaux en Oxygène (BOtotal)

Principe :

Les besoins totaux en oxygène pour l'élimination de la pollution carbonée sont la somme des besoins pour l'oxydation de la DBO5 et des besoins pour la respiration endogène. (Si la nitrification était considérée, ses besoins s'ajouteraient également).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{BO}_{\text{total}} = \text{BO}_{\text{carb}} + \text{BO}_{\text{endo}} \]
Données spécifiques :
  • BOcarb = \(920 \, \text{kg O₂/j}\) (calculé à la Q4)
  • BOendo = \(319.5 \, \text{kg O₂/j}\) (calculé à la Q5)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{BO}_{\text{total}} &= 920 \, \text{kg O₂/j} + 319.5 \, \text{kg O₂/j} \\ &= 1239.5 \, \text{kg O₂/j} \end{aligned} \]
Résultat Question 6 : Les besoins totaux journaliers en oxygène pour la dégradation de la pollution carbonée sont de \(1239.5 \, \text{kg O₂/jour}\).

Quiz Intermédiaire 2 : Si le volume du bassin d'aération (Vbassin) était plus grand, avec la même concentration de biomasse (Xv) et le même kd, les besoins en oxygène pour la respiration endogène (BOendo) seraient :

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. La charge organique entrante dans une STEP est typiquement exprimée en :

2. Le coefficient Yobs (production de boues observée) relie :

3. La respiration endogène correspond à :

4. Les besoins totaux en oxygène dans un traitement biologique aérobie (sans nitrification) sont principalement la somme de :

Glossaire

Charge Organique
Quantité de matière organique polluante présente dans les eaux usées, généralement exprimée en termes de DBO5 ou de DCO.
DBO5 (Demande Biochimique en Oxygène sur 5 jours)
Quantité d'oxygène consommée par les micro-organismes pour dégrader biologiquement la matière organique dans l'eau à 20°C pendant 5 jours.
Boues Activées
Procédé de traitement biologique des eaux usées où une culture de micro-organismes (la biomasse ou boue activée) est maintenue en suspension dans un bassin aéré pour dégrader la pollution organique.
Besoins en Oxygène (BO)
Quantité d'oxygène nécessaire aux micro-organismes pour réaliser les processus d'épuration biologique (oxydation de la pollution carbonée, nitrification, respiration endogène).
Production de Boues en Excès
Masse de nouvelle biomasse microbienne produite lors du traitement biologique, qui doit être régulièrement extraite du système pour maintenir un équilibre.
Coefficient de Production de Boues (Yobs)
Rapport entre la masse de boues (MESV ou MES totales) produites et la masse de substrat (ex: DBO5) consommée ou éliminée. Il tient compte de la croissance et de la décroissance (lyse, respiration endogène).
Respiration Endogène
Processus métabolique au cours duquel les micro-organismes, en l'absence ou en faible présence de substrat externe, oxydent leurs propres constituants cellulaires pour obtenir l'énergie nécessaire à leur maintien. Ce processus consomme de l'oxygène.
MESV (Matières En Suspension Volatiles)
Fraction des matières en suspension qui est perdue par calcination à une température élevée (généralement 550°C). Elle est souvent utilisée comme un indicateur de la fraction organique des MES, et donc de la biomasse active dans les systèmes biologiques.
Assainissement des eaux usées - Exercice d'Application

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