Études de cas pratique

EGC

Calcul du Débit Sanitaire Maximal

Calcul du Débit Sanitaire Maximal en Assainissement

Calcul du Débit Sanitaire Maximal en Assainissement

Comprendre le Calcul du Débit Sanitaire Maximal en Assainissement

Le débit sanitaire maximal (DSM) représente le débit de pointe des eaux usées d'origine purement domestique (sanitaire), incluant éventuellement les eaux claires parasites si elles sont considérées comme permanentes et incompressibles dans le réseau sanitaire. Ce débit est crucial pour le dimensionnement des ouvrages de traitement des eaux usées et des plus petites sections de réseaux séparatifs, car il conditionne leur capacité à traiter efficacement les flux sans débordement ni sous-utilisation excessive. Il ne prend généralement pas en compte les apports pluviaux directs, qui sont gérés séparément dans les systèmes séparatifs ou inclus dans le débit de pointe total pour les systèmes unitaires.

Données de l'étude

Une nouvelle zone résidentielle de 3500 habitants est planifiée. On doit calculer le Débit Sanitaire Maximal (DSM) pour dimensionner les infrastructures d'assainissement de cette zone.

Caractéristiques et Données :

  • Population desservie (\(P\)) : \(3500 \, \text{habitants}\)
  • Dotation moyenne en eau potable par habitant (\(Dot_{\text{eau}}\)) : \(160 \, \text{L/habitant/jour}\)
  • Pourcentage de retour à l'égout (\(p_{\text{retour}}\)) : \(85\%\)
  • Coefficient de pointe horaire pour les eaux usées sanitaires (\(C_{\text{ph}}\)) : \(2.8\)
  • Apport d'eaux claires parasites (\(Q_{\text{ecp}}\)) estimé à : \(0.5 \, \text{L/s}\) (valeur forfaitaire pour la zone)
Schéma des Composantes du Débit Sanitaire Maximal
Habitations (P x Dot_eau x p_retour) Q_ph,san Infiltrations (ECP) Q_ecp Collecteur Sanitaire DSM Composition du Débit Sanitaire Maximal.

Illustration des composantes du débit sanitaire maximal : débit de pointe horaire des eaux usées sanitaires et apport d'eaux claires parasites.

Questions à Traiter

  1. Calculer le débit moyen journalier d'eaux usées sanitaires (\(Q_{\text{moy,san}}\)) en \(\text{L/s}\).
  2. Calculer le débit de pointe horaire d'eaux usées sanitaires (\(Q_{\text{ph,san}}\)) en \(\text{L/s}\).
  3. Calculer le Débit Sanitaire Maximal (DSM) pour le dimensionnement en \(\text{L/s}\).
  4. Si le coefficient de pointe horaire passait à 3.5 en raison d'une forte proportion d'établissements collectifs (écoles, bureaux), quel serait le nouveau DSM ? Comparer et commenter.
  5. Expliquer brièvement pourquoi le pourcentage de retour à l'égout est généralement inférieur à 100%.
  6. Quels sont les impacts principaux d'une sous-estimation du DSM sur le fonctionnement d'une station d'épuration ?

Correction : Calcul du Débit Sanitaire Maximal en Assainissement

Question 1 : Débit moyen journalier d'eaux usées sanitaires (\(Q_{\text{moy,san}}\))

Principe / Rappel Théorique :

Le débit moyen journalier d'eaux usées sanitaires est la quantité d'eau potable consommée par la population qui retourne effectivement au réseau d'assainissement. Il est calculé en multipliant la population par la dotation en eau et par le pourcentage de retour à l'égout.

Formule(s) Clé(s) :
\[Q_{\text{moy,san}} = P \times Dot_{\text{eau}} \times \frac{p_{\text{retour}}}{100}\]
Données Spécifiques pour cette Question :
  • Population (\(P\)): \(3500 \, \text{habitants}\)
  • Dotation en eau (\(Dot_{\text{eau}}\)): \(160 \, \text{L/habitant/jour}\)
  • Pourcentage de retour à l'égout (\(p_{\text{retour}}\)): \(85\%\)
Calcul et Développement :
\[ \begin{aligned} Q_{\text{moy,san}} &= 3500 \, \text{hab} \times 160 \, \text{L/hab/jour} \times \frac{85}{100} \\ &= 3500 \times 160 \times 0.85 \, \text{L/jour} \\ &= 560000 \times 0.85 \, \text{L/jour} \\ &= 476000 \, \text{L/jour} \end{aligned} \]

Conversion en \(\text{L/s}\) (sachant que \(1 \, \text{jour} = 86400 \, \text{s}\)) :

\[ \begin{aligned} Q_{\text{moy,san}} &= \frac{476000 \, \text{L}}{86400 \, \text{s}} \\ &\approx 5.509 \, \text{L/s} \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : Le débit moyen journalier d'eaux usées sanitaires est \(Q_{\text{moy,san}} \approx 5.51 \, \text{L/s}\).

Question 2 : Débit de pointe horaire d'eaux usées sanitaires (\(Q_{\text{ph,san}}\))

Principe / Rappel Théorique :

Le débit de pointe horaire des eaux usées sanitaires est le débit maximal observé sur une courte période (généralement une heure) au cours de la journée. Il est obtenu en multipliant le débit moyen journalier sanitaire par un coefficient de pointe horaire.

Formule(s) Clé(s) :
\[Q_{\text{ph,san}} = C_{\text{ph}} \times Q_{\text{moy,san}}\]
Données Spécifiques pour cette Question :
  • Débit moyen journalier sanitaire (\(Q_{\text{moy,san}}\)): \(5.509 \, \text{L/s}\)
  • Coefficient de pointe horaire (\(C_{\text{ph}}\)): \(2.8\)
Calcul et Développement :
\[ \begin{aligned} Q_{\text{ph,san}} &= 2.8 \times 5.509 \, \text{L/s} \\ &\approx 15.425 \, \text{L/s} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : Le débit de pointe horaire d'eaux usées sanitaires est \(Q_{\text{ph,san}} \approx 15.43 \, \text{L/s}\).

Question 3 : Calcul du Débit Sanitaire Maximal (DSM)

Principe / Rappel Théorique :

Le Débit Sanitaire Maximal (DSM) est la somme du débit de pointe horaire des eaux usées sanitaires et du débit d'eaux claires parasites (ECP) considérées comme permanentes.

Formule(s) Clé(s) :
\[DSM = Q_{\text{ph,san}} + Q_{\text{ecp}}\]
Données Spécifiques pour cette Question :
  • Débit de pointe horaire sanitaire (\(Q_{\text{ph,san}}\)): \(15.425 \, \text{L/s}\)
  • Débit d'eaux claires parasites (\(Q_{\text{ecp}}\)): \(0.5 \, \text{L/s}\)
Calcul et Développement :
\[ \begin{aligned} DSM &= 15.425 \, \text{L/s} + 0.5 \, \text{L/s} \\ &= 15.925 \, \text{L/s} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : Le Débit Sanitaire Maximal (DSM) est \(DSM \approx 15.93 \, \text{L/s}\).

Quiz Intermédiaire 3.1 : Si les eaux claires parasites augmentaient, le DSM :

Question 4 : Impact d'un coefficient de pointe horaire de 3.5

Principe / Rappel Théorique :

Un coefficient de pointe plus élevé, typique des zones avec des établissements collectifs (écoles, bureaux, hôpitaux) qui concentrent leurs rejets sur des périodes plus courtes, augmentera le débit de pointe horaire sanitaire et, par conséquent, le DSM.

Données Spécifiques pour cette Question :
  • Nouveau Coefficient de pointe horaire (\(C'_{\text{ph}}\)): \(3.5\)
  • Débit moyen journalier sanitaire (\(Q_{\text{moy,san}}\)): \(5.509 \, \text{L/s}\) (inchangé)
  • Débit d'eaux claires parasites (\(Q_{\text{ecp}}\)): \(0.5 \, \text{L/s}\) (inchangé)
Calcul du nouveau \(Q'_{\text{ph,san}}\) :
\[ \begin{aligned} Q'_{\text{ph,san}} &= C'_{\text{ph}} \times Q_{\text{moy,san}} \\ &= 3.5 \times 5.509 \, \text{L/s} \\ &\approx 19.282 \, \text{L/s} \end{aligned} \]
Calcul du nouveau DSM' :
\[ \begin{aligned} DSM' &= Q'_{\text{ph,san}} + Q_{\text{ecp}} \\ &= 19.282 \, \text{L/s} + 0.5 \, \text{L/s} \\ &= 19.782 \, \text{L/s} \end{aligned} \]

Comparaison :

\[ \begin{aligned} \text{Augmentation du DSM} &= DSM' - DSM \\ &= 19.782 \, \text{L/s} - 15.925 \, \text{L/s} \\ &= 3.857 \, \text{L/s} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} \text{Pourcentage d'augmentation} &= \frac{DSM' - DSM}{DSM} \times 100 \\ &= \frac{3.857}{15.925} \times 100 \\ &\approx 24.22 \% \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : Avec \(C'_{\text{ph}} = 3.5\), le nouveau DSM est \(DSM' \approx 19.78 \, \text{L/s}\). Cela représente une augmentation d'environ \(3.86 \, \text{L/s}\) (soit environ \(24.2\%\)) par rapport au DSM initial.

Commentaire : Une augmentation du coefficient de pointe, même modérée, a un impact significatif sur le DSM. Il est donc crucial d'évaluer correctement ce coefficient en fonction de la nature de la zone desservie (résidentielle pure, mixte, présence d'établissements collectifs ou industriels spécifiques) pour un dimensionnement adéquat des ouvrages.

Question 5 : Pourcentage de retour à l'égout < 100%

Explication :

Le pourcentage de retour à l'égout représente la part de l'eau potable distribuée qui rejoint effectivement le système d'assainissement sous forme d'eaux usées. Il est généralement inférieur à 100% pour plusieurs raisons :

  • Consommations non restituées au réseau : Une partie de l'eau consommée n'est pas rejetée à l'égout. Exemples :
    • Arrosage des jardins et espaces verts.
    • Lavage de voitures à domicile (si l'eau s'infiltre ou va vers un réseau pluvial).
    • Pertes par évaporation (cuisine, piscines individuelles, etc.).
    • Utilisation dans certains processus industriels où l'eau est incorporée au produit ou évaporée.
  • Pertes sur le réseau d'eau potable : Avant même d'arriver chez le consommateur, une partie de l'eau produite peut être perdue par des fuites sur le réseau de distribution d'eau potable. Cette eau n'est donc pas consommée et ne retourne pas à l'égout.
  • Utilisation d'autres sources d'eau : Dans certains cas, les habitants peuvent utiliser des sources d'eau alternatives (puits privés, récupération d'eau de pluie) pour certains usages, dont une partie peut se retrouver dans le réseau d'assainissement, complexifiant l'estimation. Cependant, le calcul basé sur la dotation en eau potable se concentre sur l'eau facturée.

La valeur de ce pourcentage varie en fonction des habitudes de consommation, du climat, du type d'habitat (présence de jardins), et de l'état du réseau d'eau potable. Des valeurs typiques se situent entre 70% et 95%.

Question 6 : Impacts d'une sous-estimation du DSM sur une station d'épuration

Explication :

Une sous-estimation du Débit Sanitaire Maximal (DSM) peut avoir des conséquences négatives importantes sur le fonctionnement et l'efficacité d'une station d'épuration (STEP) :

  • Surcharge hydraulique des ouvrages : Si la STEP est dimensionnée pour un DSM inférieur au débit réel arrivant, les différents ouvrages (dégrilleurs, dessableurs, décanteurs, bassins biologiques, clarificateurs) peuvent être surchargés hydrauliquement.
    • Cela réduit les temps de séjour de l'eau dans les bassins, ce qui est crucial pour l'efficacité des processus de traitement (décantation, dégradation biologique).
  • Baisse des performances épuratoires :
    • Une décantation insuffisante dans les décanteurs primaires et secondaires peut entraîner un passage excessif de matières en suspension vers les étapes suivantes ou vers le rejet.
    • Dans les traitements biologiques (ex: boues activées), des temps de contact trop courts entre les eaux usées et la biomasse épuratrice peuvent conduire à une dégradation incomplète de la matière organique (DBO5, DCO) et des nutriments (azote, phosphore).
    • L'efficacité de la désinfection (si présente) peut également être réduite si les débits sont trop élevés.
  • Non-conformité des rejets : La baisse des performances épuratoires peut entraîner le rejet d'effluents ne respectant pas les normes réglementaires, avec des conséquences environnementales (pollution du milieu récepteur) et légales (amendes, sanctions).
  • Dysfonctionnements opérationnels :
    • Risques de débordement au sein de la station.
    • Problèmes de gestion des boues (ex: entraînement de boues hors des clarificateurs).
    • Usure prématurée des équipements (pompes, aérateurs) fonctionnant en surrégime.
  • Augmentation des coûts d'exploitation : Pour tenter de compenser la sous-capacité, des mesures palliatives coûteuses peuvent être nécessaires (ajout de réactifs, augmentation de l'aération, gestion de crises), sans pour autant garantir une efficacité optimale.

Il est donc primordial d'évaluer correctement le DSM pour assurer un dimensionnement adéquat de la station d'épuration, garantissant ainsi son bon fonctionnement, le respect des normes de rejet et la protection de l'environnement.

Quiz Récapitulatif

1. Le Débit Sanitaire Maximal (DSM) est principalement utilisé pour dimensionner :

2. Lequel de ces éléments n'est PAS directement inclus dans le calcul du débit de pointe horaire sanitaire (\(Q_{\text{ph,san}}\)) tel que défini dans l'exercice ?

3. Un pourcentage de retour à l'égout de 80% signifie que :

Glossaire des Termes Clés

Débit Sanitaire Maximal (DSM)
Débit de pointe des eaux usées d'origine domestique (sanitaire), incluant les eaux claires parasites permanentes, utilisé pour le dimensionnement des ouvrages d'assainissement.
Débit Moyen Journalier Sanitaire (\(Q_{\text{moy,san}}\))
Volume total d'eaux usées sanitaires produit par une population sur une journée, divisé par la durée d'une journée. Il est fonction de la dotation en eau et du pourcentage de retour à l'égout.
Débit de Pointe Horaire Sanitaire (\(Q_{\text{ph,san}}\))
Débit maximal des eaux usées sanitaires observé ou estimé sur une période d'une heure au cours de la journée. Il est obtenu en appliquant un coefficient de pointe horaire au débit moyen journalier sanitaire.
Dotation en Eau (\(Dot_{\text{eau}}\))
Quantité moyenne d'eau potable consommée par habitant et par jour (L/hab/jour).
Pourcentage de Retour à l'Égout (\(p_{\text{retour}}\))
Fraction de l'eau potable distribuée qui est rejetée au réseau d'assainissement sous forme d'eaux usées.
Coefficient de Pointe Horaire (\(C_{\text{ph}}\))
Rapport entre le débit de pointe horaire sanitaire et le débit moyen journalier sanitaire. Il traduit les fluctuations de la consommation d'eau et des rejets au cours de la journée.
Eaux Claires Parasites (ECP)
Eaux non usées (eaux de nappe, de drainage, de source, eaux de surface) qui s'introduisent dans un réseau d'assainissement par des défauts d'étanchéité ou des raccordements incorrects, augmentant les volumes à collecter et à traiter.
Exercice : Calcul du Débit Sanitaire Maximal en Assainissement

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