Études de cas pratique

EGC

Caractéristiques des Eaux Usées

Caractéristiques des Eaux Usées en Assainissement

Caractéristiques des Eaux Usées en Assainissement

Comprendre les Caractéristiques des Eaux Usées

La caractérisation des eaux usées est une étape primordiale dans la conception et l'exploitation des systèmes d'assainissement. Elle implique la mesure de divers paramètres physiques, chimiques et biologiques qui définissent la nature et le degré de pollution de l'eau. Ces informations sont essentielles pour choisir les filières de traitement appropriées, dimensionner les ouvrages, évaluer l'impact potentiel sur le milieu récepteur et s'assurer de la conformité avec les réglementations en vigueur. Les paramètres clés incluent la charge organique (DBO5, DCO), les matières en suspension (MES), les nutriments (azote, phosphore), le pH, et la température.

Données de l'étude

Une station d'épuration est conçue pour traiter les eaux usées d'une agglomération. Une campagne de mesures a permis de déterminer les caractéristiques moyennes des eaux usées brutes arrivant à la station :

Illustration : Analyse des Eaux Usées
MES DBO5 DCO Eau Usée Brute

Analyse des principaux paramètres des eaux usées.

Tableau : Caractéristiques Moyennes des Eaux Usées Brutes
Paramètre Valeur Moyenne Unité
Débit journalier moyen (Qmoy) 2500 m³/jour
Matières En Suspension (MES) 320 mg/L
Demande Biochimique en Oxygène (DBO5) 280 mg O₂/L
Demande Chimique en Oxygène (DCO) 650 mg O₂/L
Azote Total Kjeldahl (NTK) 55 mg N/L
Phosphore Total (Ptot) 10 mg P/L
pH 7.6 -

Hypothèse : 1 Équivalent-Habitant (EH) correspond à une charge polluante de 60 g de DBO5 par jour.

Questions à traiter

  1. Calculer la charge journalière en DBO5 (en kg DBO5/jour) arrivant à la station.
  2. Calculer la charge journalière en MES (en kg MES/jour) arrivant à la station.
  3. Déterminer le rapport DCO/DBO5 pour ces eaux usées brutes. Que peut-on en conclure concernant leur biodégradabilité ?
  4. Estimer la population en Équivalents-Habitants (EH) desservie par la station, en se basant sur la charge en DBO5.
  5. Pourquoi est-il important de connaître les concentrations en Azote Total Kjeldahl (NTK) et en Phosphore Total (Ptot) pour la conception et l'exploitation d'une station d'épuration ?

Correction : Caractéristiques des Eaux Usées

Question 1 : Charge Journalière en DBO5

Principe :

La charge journalière d'un polluant est la masse totale de ce polluant arrivant à la station par jour. Elle se calcule en multipliant le débit journalier par la concentration du polluant, en assurant la cohérence des unités.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Charge DBO5} (\text{kg/j}) = Q_{\text{moy}} (\text{m³/j}) \times \text{DBO5} (\text{mg/L}) \times \frac{1 (\text{g/m³})}{1 (\text{mg/L})} \times \frac{1 (\text{kg})}{1000 (\text{g})} \]

Ou en convertissant mg/L en kg/m³ (1 mg/L = 0.001 kg/m³) :

\[ \text{Charge DBO5} (\text{kg/j}) = Q_{\text{moy}} (\text{m³/j}) \times \text{DBO5} (\text{kg/m³}) \]
Données spécifiques :
  • Débit journalier moyen (Qmoy) = \(2500 \, \text{m³/jour}\)
  • Concentration en DBO5 = \(280 \, \text{mg O₂/L}\)
Calcul :

Conversion de la concentration DBO5 : \(280 \, \text{mg/L} = 280 \, \text{g/m³} = 0.280 \, \text{kg/m³}\)

\[ \begin{aligned} \text{Charge DBO5} &= 2500 \, \text{m³/j} \times 0.280 \, \text{kg/m³} \\ &= 700 \, \text{kg DBO5/j} \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : La charge journalière en DBO5 arrivant à la station est de \(700 \, \text{kg DBO5/jour}\).

Question 2 : Charge Journalière en MES

Principe :

Similaire au calcul de la charge en DBO5, la charge en MES est le produit du débit par la concentration en MES.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Charge MES} (\text{kg/j}) = Q_{\text{moy}} (\text{m³/j}) \times \text{MES} (\text{kg/m³}) \]
Données spécifiques :
  • Débit journalier moyen (Qmoy) = \(2500 \, \text{m³/jour}\)
  • Concentration en MES = \(320 \, \text{mg/L}\)
Calcul :

Conversion de la concentration MES : \(320 \, \text{mg/L} = 320 \, \text{g/m³} = 0.320 \, \text{kg/m³}\)

\[ \begin{aligned} \text{Charge MES} &= 2500 \, \text{m³/j} \times 0.320 \, \text{kg/m³} \\ &= 800 \, \text{kg MES/j} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : La charge journalière en MES arrivant à la station est de \(800 \, \text{kg MES/jour}\).

Question 3 : Rapport DCO/DBO5 et Biodégradabilité

Principe :

Le rapport DCO/DBO5 donne une indication sur la proportion de matière organique biodégradable par rapport à la matière organique totale (ou plus précisément, la matière oxydable chimiquement). Un rapport plus faible indique une meilleure biodégradabilité.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Rapport} = \frac{\text{DCO}}{\text{DBO5}} \]
Données spécifiques :
  • Concentration en DCO = \(650 \, \text{mg O₂/L}\)
  • Concentration en DBO5 = \(280 \, \text{mg O₂/L}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{Rapport DCO/DBO5} &= \frac{650 \, \text{mg/L}}{280 \, \text{mg/L}} \\ &\approx 2.32 \end{aligned} \]

Interprétation :

  • Un rapport DCO/DBO5 pour des eaux usées domestiques brutes se situe typiquement entre 1.7 et 2.5.
  • Un rapport inférieur à 2.5-3.0 indique généralement une bonne biodégradabilité de la pollution organique.
  • Un rapport plus élevé peut indiquer la présence de substances difficilement biodégradables ou toxiques pour les micro-organismes épurateurs.

Dans ce cas, un rapport d'environ 2.32 est typique d'eaux usées urbaines et suggère une bonne aptitude au traitement biologique.

Résultat Question 3 : Le rapport DCO/DBO5 est d'environ \(2.32\). Cela indique que la matière organique présente dans ces eaux usées est majoritairement biodégradable, ce qui est favorable pour un traitement biologique.

Question 4 : Population en Équivalents-Habitants (EH)

Principe :

L'Équivalent-Habitant (EH) est une unité de mesure de la charge polluante. Pour la DBO5, on admet souvent qu'un habitant produit une charge de 60 grammes de DBO5 par jour. La population en EH peut donc être estimée en divisant la charge journalière totale en DBO5 par cette valeur de référence.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Population (EH)} = \frac{\text{Charge DBO5 totale (g/j)}}{\text{Charge DBO5 par EH (g/EH/j)}} \]
Données spécifiques :
  • Charge DBO5 totale = \(700 \, \text{kg DBO5/j}\) (calculée à la Q1)
  • Charge DBO5 par EH = \(60 \, \text{g DBO5/EH/j}\)
Calcul :

Conversion de la charge DBO5 totale en grammes :

\[ 700 \, \text{kg/j} = 700 \times 1000 \, \text{g/j} = 700000 \, \text{g/j} \]

Calcul de la population en EH :

\[ \begin{aligned} \text{Population (EH)} &= \frac{700000 \, \text{g/j}}{60 \, \text{g/EH/j}} \\ &\approx 11666.67 \, \text{EH} \end{aligned} \]

On arrondit généralement à l'entier le plus proche ou significatif.

Résultat Question 4 : La population desservie par la station est estimée à environ \(11667\) Équivalents-Habitants (EH) sur la base de la DBO5.

Question 5 : Importance de l'Azote (NTK) et du Phosphore (Ptot)

Principe :

L'azote et le phosphore sont des nutriments essentiels. Cependant, leur rejet excessif dans les milieux aquatiques peut provoquer des phénomènes d'eutrophisation. Leur mesure et leur élimination sont donc des aspects importants du traitement des eaux usées.

Analyse :

L'importance de connaître les concentrations en NTK et Ptot réside dans plusieurs aspects :

  • Impact environnemental (Eutrophisation) : L'azote et le phosphore sont les principaux nutriments responsables de l'eutrophisation des milieux aquatiques (lacs, rivières, zones côtières). Ce phénomène se traduit par une prolifération excessive d'algues et de plantes aquatiques, qui, en se décomposant, consomment l'oxygène dissous et peuvent entraîner la mort de la faune aquatique et une dégradation générale de la qualité de l'eau.
  • Réglementation des rejets : De nombreuses réglementations imposent des limites strictes sur les concentrations d'azote et de phosphore dans les effluents traités, surtout pour les rejets en zones sensibles à l'eutrophisation.
  • Conception des filières de traitement : Si les concentrations en nutriments sont élevées et/ou les normes de rejet sont strictes, des étapes de traitement spécifiques pour l'élimination de l'azote (nitrification/dénitrification) et du phosphore (déphosphatation biologique ou physico-chimique) doivent être prévues et dimensionnées.
  • Pilotage des procédés biologiques :
    • L'azote (sous forme ammoniacale, contenue dans le NTK) est nécessaire aux bactéries pour la synthèse de leur biomasse, mais un excès peut être toxique ou nécessiter une forte consommation d'oxygène pour sa nitrification.
    • Le phosphore est également un nutriment essentiel pour la croissance bactérienne.
    • Un déséquilibre dans le rapport C/N/P (Carbone/Azote/Phosphore) peut affecter les performances des traitements biologiques.
  • Consommation d'oxygène : La nitrification de l'azote ammoniacal en nitrates est un processus aérobie qui consomme une quantité significative d'oxygène, ce qui doit être pris en compte dans le dimensionnement des systèmes d'aération.

Connaître ces concentrations permet donc de protéger l'environnement, de respecter la législation, de concevoir des installations adaptées et d'optimiser leur fonctionnement.

Résultat Question 5 : La connaissance des concentrations en NTK et Ptot est cruciale pour évaluer le risque d'eutrophisation, respecter les normes de rejet, concevoir des filières de traitement adaptées (dénitrification, déphosphatation) et optimiser le pilotage des procédés biologiques.

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. La DBO5 est une mesure de :

2. Un rapport DCO/DBO5 élevé (par exemple > 3) dans des eaux usées industrielles peut indiquer :

3. La charge journalière en un polluant est calculée en multipliant :

4. L'azote et le phosphore sont des paramètres importants à surveiller dans les eaux usées principalement parce qu'ils :

Glossaire

DBO5 (Demande Biochimique en Oxygène sur 5 jours)
Quantité d'oxygène dissous consommée par les micro-organismes aérobies pour décomposer la matière organique biodégradable présente dans un échantillon d'eau, à une température de 20°C et à l'obscurité, sur une période de 5 jours. C'est un indicateur de la pollution organique biodégradable.
DCO (Demande Chimique en Oxygène)
Quantité d'oxygène nécessaire pour oxyder chimiquement la quasi-totalité des matières organiques (biodégradables ou non) et certaines matières minérales réductrices présentes dans l'eau. Elle est généralement supérieure à la DBO5.
MES (Matières En Suspension)
Ensemble des particules solides, organiques ou minérales, qui ne sont pas dissoutes dans l'eau et qui peuvent être séparées par filtration sur un filtre de porosité définie (généralement 0.45 µm ou 1.2 µm).
NTK (Azote Total Kjeldahl)
Somme de l'azote organique et de l'azote ammoniacal (NH₄⁺/NH₃) présents dans l'eau. Il ne comprend pas l'azote sous forme de nitrites (NO₂⁻) ni de nitrates (NO₃⁻).
Ptot (Phosphore Total)
Concentration de toutes les formes de phosphore (organique et inorganique, dissous et particulaire) présentes dans un échantillon d'eau.
Charge Polluante (ou Flux Polluant)
Masse d'un polluant spécifique transportée par un effluent pendant une unité de temps (généralement par jour). Elle est calculée par le produit du débit et de la concentration du polluant.
Équivalent-Habitant (EH)
Unité conventionnelle utilisée pour exprimer la charge polluante générée par les activités humaines, rapportée à celle d'un habitant moyen. Pour la DBO5, 1 EH est souvent défini comme produisant 60 grammes de DBO5 par jour.
Eutrophisation
Processus par lequel un milieu aquatique s'enrichit excessivement en nutriments (principalement azote et phosphore), entraînant une prolifération d'algues et de plantes aquatiques, une diminution de l'oxygène dissous et une dégradation de la qualité de l'eau.
Caractéristiques des Eaux Usées - Exercice d'Application

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1 Commentaire
  1. DIAWARA
    DIAWARA sur 12 mai 2025 à 13h47

    vos exercices sont très intéressant et facilement compréhensibles. COMME, je suggère des exercices sur la désinfection des eaux.

    Réponse
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