Études de cas pratique

EGC

Optimisation de l’Infiltration des Eaux Traitées

Optimisation de l’Infiltration des Eaux Traitées en Assainissement

Optimisation de l’Infiltration des Eaux Traitées

Introduction à l'Infiltration des Eaux Traitées

L'infiltration des eaux usées traitées dans le sol est une méthode de plus en plus privilégiée pour la gestion finale des effluents des stations d'épuration, en particulier pour les petites et moyennes collectivités. Cette technique offre plusieurs avantages, tels que la recharge des nappes phréatiques, une épuration complémentaire par le sol (effet filtre), et une réduction des rejets directs en milieu hydraulique superficiel. Cependant, la conception et l'exploitation des systèmes d'infiltration nécessitent une bonne compréhension des caractéristiques du sol, du volume d'eau à infiltrer et des risques potentiels de colmatage. L'optimisation de ces systèmes vise à maximiser leur efficacité et leur durabilité tout en protégeant la qualité des eaux souterraines.

Données de l'étude

On étudie la conception d'un bassin d'infiltration rectangulaire destiné à recevoir les eaux traitées issues d'une petite station d'épuration.

Schéma du Bassin d'Infiltration
Sol (K) Bassin d'Infiltration heau Qtraité vinf Largeur W Longueur L Nappe Phréatique (Hnappe)

Schéma d'un bassin d'infiltration rectangulaire.

Tableau : Données du Projet d'Infiltration
Paramètre Valeur Unité
Débit moyen d'eaux traitées à infiltrer (Qtraité) 120 m³/jour
Perméabilité du sol (Coefficient de Darcy, K) 5 x 10-5 m/s
Longueur du bassin d'infiltration (L) 20 m
Largeur du bassin d'infiltration (W) 10 m
Hauteur d'eau moyenne dans le bassin (heau) 0.3 m
Coefficient de colmatage (Ccolmatage) (réduit la surface efficace) 0.7 - (sans dimension)

Hypothèses : On considère un gradient hydraulique (i) proche de 1 pour simplifier le calcul de la vitesse d'infiltration avec la loi de Darcy (vinf = K). Le colmatage réduit la surface d'infiltration efficace.

Questions à traiter

  1. Calculer la surface d'infiltration brute du bassin (Abrute) en m².
  2. Calculer la surface d'infiltration efficace (Aeff) en m², en tenant compte du coefficient de colmatage.
  3. Calculer la vitesse d'infiltration (vinf) du sol en m/jour.
  4. Calculer la capacité d'infiltration journalière du bassin (Qinf,cap) en m³/jour, basée sur la surface efficace et la vitesse d'infiltration.
  5. Comparer la capacité d'infiltration du bassin au débit d'eaux traitées à infiltrer. Le bassin est-il correctement dimensionné pour ce débit moyen ? Commenter.
  6. Si la hauteur d'eau heau est maintenue constante à 0.3 m, quel serait le temps de séjour théorique de l'eau dans le volume correspondant à cette hauteur avant son infiltration totale (en considérant Qinf,cap) ?

Correction : Optimisation de l’Infiltration des Eaux Traitées

Question 1 : Surface d'Infiltration Brute du Bassin (Abrute)

Principe :

La surface d'infiltration brute d'un bassin rectangulaire est simplement le produit de sa longueur par sa largeur.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ A_{\text{brute}} = L \times W \]
Données spécifiques :
  • Longueur du bassin (L) = \(20 \, \text{m}\)
  • Largeur du bassin (W) = \(10 \, \text{m}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} A_{\text{brute}} &= 20 \, \text{m} \times 10 \, \text{m} \\ &= 200 \, \text{m²} \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : La surface d'infiltration brute du bassin (Abrute) est de \(200 \, \text{m²}\).

Question 2 : Surface d'Infiltration Efficace (Aeff)

Principe :

Le colmatage progressif du fond et des parois du bassin par des matières fines et des développements biologiques réduit la surface réellement disponible pour l'infiltration. La surface efficace est obtenue en multipliant la surface brute par le coefficient de colmatage.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ A_{\text{eff}} = A_{\text{brute}} \times C_{\text{colmatage}} \]
Données spécifiques :
  • Surface brute (Abrute) = \(200 \, \text{m²}\) (calculée à la Q1)
  • Coefficient de colmatage (Ccolmatage) = \(0.7\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} A_{\text{eff}} &= 200 \, \text{m²} \times 0.7 \\ &= 140 \, \text{m²} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : La surface d'infiltration efficace (Aeff) est de \(140 \, \text{m²}\).

Question 3 : Vitesse d'Infiltration (vinf)

Principe :

La vitesse d'infiltration est donnée par la loi de Darcy : \(v = K \cdot i\). Dans cet exercice, on suppose un gradient hydraulique \(i \approx 1\) (écoulement vertical sous l'effet de la gravité avec une charge d'eau faible par rapport à l'épaisseur de la zone non saturée). Ainsi, la vitesse d'infiltration est approximativement égale à la perméabilité K.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ v_{\text{inf}} \approx K \]
Données spécifiques :
  • Perméabilité du sol (K) = \(5 \times 10^{-5} \, \text{m/s}\)
Calcul :

Vitesse d'infiltration en m/s :

\[ v_{\text{inf}} = 5 \times 10^{-5} \, \text{m/s} \]

Conversion en m/jour :

\[ \begin{aligned} v_{\text{inf}} (\text{m/j}) &= 5 \times 10^{-5} \, \text{m/s} \times 3600 \, \text{s/h} \times 24 \, \text{h/j} \\ &= 5 \times 10^{-5} \times 86400 \, \text{m/j} \\ &= 4.32 \, \text{m/j} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : La vitesse d'infiltration (vinf) du sol est de \(5 \times 10^{-5} \, \text{m/s}\), soit \(4.32 \, \text{m/jour}\).

Question 4 : Capacité d'Infiltration Journalière du Bassin (Qinf,cap)

Principe :

La capacité d'infiltration journalière du bassin est le volume maximal d'eau que le bassin peut infiltrer par jour. Elle est calculée en multipliant la surface d'infiltration efficace par la vitesse d'infiltration.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ Q_{\text{inf,cap}} = A_{\text{eff}} \times v_{\text{inf}} \]
Données spécifiques :
  • Surface d'infiltration efficace (Aeff) = \(140 \, \text{m²}\) (calculée à la Q2)
  • Vitesse d'infiltration (vinf) = \(4.32 \, \text{m/jour}\) (calculée à la Q3)
Calcul :
\[ \begin{aligned} Q_{\text{inf,cap}} &= 140 \, \text{m²} \times 4.32 \, \text{m/j} \\ &= 604.8 \, \text{m³/j} \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : La capacité d'infiltration journalière du bassin (Qinf,cap) est de \(604.8 \, \text{m³/jour}\).

Question 5 : Comparaison Capacité / Débit à Traiter

Principe :

On compare la capacité d'infiltration calculée du bassin au débit moyen d'eaux traitées qui doivent y être infiltrées pour vérifier si le dimensionnement est adéquat.

Données spécifiques :
  • Capacité d'infiltration du bassin (Qinf,cap) \(\approx 604.8 \, \text{m³/jour}\) (calculée à la Q4)
  • Débit moyen d'eaux traitées à infiltrer (Qtraité) = \(120 \, \text{m³/jour}\)
Analyse :

Comparaison : \(Q_{\text{inf,cap}} = 604.8 \, \text{m³/j}\) et \(Q_{\text{traité}} = 120 \, \text{m³/j}\).

Puisque \(Q_{\text{inf,cap}} > Q_{\text{traité}}\) (\(604.8 > 120\)), la capacité d'infiltration du bassin est largement supérieure au débit moyen journalier à infiltrer.

Commentaire : Le bassin semble correctement dimensionné, voire surdimensionné, pour le débit moyen journalier. Ce surdimensionnement peut offrir une marge de sécurité pour gérer les pointes de débit (si la station en produit), compenser un colmatage plus rapide que prévu, ou permettre des périodes de repos pour la régénération du sol. Il est important de noter que ce calcul est basé sur un débit moyen ; une analyse des débits de pointe et des volumes de stockage nécessaires en cas de pluie (si le bassin reçoit aussi des eaux pluviales ou si le traitement est affecté) serait également pertinente dans une conception complète.

Résultat Question 5 : La capacité d'infiltration du bassin (\(604.8 \, \text{m³/j}\)) est supérieure au débit à infiltrer (\(120 \, \text{m³/j}\)). Le bassin est donc correctement dimensionné pour le débit moyen, avec une marge de sécurité.

Question 6 : Temps de Séjour Théorique de l'Eau dans le Bassin

Principe :

Le temps de séjour théorique de l'eau dans le volume correspondant à la hauteur d'eau heau, avant son infiltration totale, peut être estimé en divisant ce volume d'eau par la capacité d'infiltration journalière du bassin. Cela suppose que la hauteur d'eau est maintenue et que l'infiltration se fait à la capacité Qinf,cap.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ V_{\text{eau_h}} = A_{\text{brute}} \times h_{\text{eau}} \]
\[ T_{\text{séjour}} = \frac{V_{\text{eau_h}}}{Q_{\text{inf,cap}}} \]
Données spécifiques :
  • Surface brute du bassin (Abrute) = \(200 \, \text{m²}\)
  • Hauteur d'eau moyenne (heau) = \(0.3 \, \text{m}\)
  • Capacité d'infiltration journalière (Qinf,cap) \(\approx 604.8 \, \text{m³/jour}\)
Calcul :

1. Calcul du volume d'eau pour heau (Veau_h) :

\[ \begin{aligned} V_{\text{eau_h}} &= 200 \, \text{m²} \times 0.3 \, \text{m} \\ &= 60 \, \text{m³} \end{aligned} \]

2. Calcul du temps de séjour théorique (Tséjour) :

\[ \begin{aligned} T_{\text{séjour}} &= \frac{60 \, \text{m³}}{604.8 \, \text{m³/jour}} \\ &\approx 0.0992 \, \text{jours} \end{aligned} \]

Conversion en heures :

\[ 0.0992 \, \text{jours} \times 24 \, \text{h/jour} \approx 2.38 \, \text{heures} \]

Conversion de la partie décimale des heures en minutes :

\[ 0.38 \, \text{heures} \times 60 \, \text{min/heure} \approx 22.8 \, \text{minutes} \]

Donc, le temps de séjour est d'environ 2 heures et 23 minutes.

Résultat Question 6 : Le temps de séjour théorique de l'eau dans le volume correspondant à une hauteur de 0.3 m est d'environ \(0.0992 \, \text{jours}\), soit environ 2 heures et 23 minutes.

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. La loi de Darcy (simplifiée v = K) stipule que la vitesse d'infiltration est directement proportionnelle à :

2. Le colmatage d'un bassin d'infiltration a pour effet principal de :

3. Si la perméabilité (K) d'un sol diminue, la capacité d'infiltration d'un bassin de surface donnée :

4. Pour optimiser la performance à long terme d'un bassin d'infiltration, il est important de :

Glossaire

Infiltration
Processus par lequel l'eau pénètre dans le sol depuis la surface. En assainissement, il s'agit d'une méthode de dispersion des eaux usées traitées ou des eaux pluviales.
Perméabilité (K)
Aptitude d'un sol ou d'une roche à se laisser traverser par l'eau. Elle est quantifiée par le coefficient de conductivité hydraulique (ou coefficient de Darcy), généralement exprimé en m/s.
Loi de Darcy
Loi physique qui décrit l'écoulement d'un fluide à travers un milieu poreux. La vitesse d'écoulement (v) est proportionnelle au gradient hydraulique (i) et à la perméabilité (K) : \(v = K \cdot i\).
Bassin d'Infiltration
Ouvrage superficiel (excavation ou zone aménagée) conçu pour permettre l'infiltration des eaux (pluviales ou traitées) dans le sol sous-jacent.
Colmatage
Obstruction progressive des pores du sol ou du matériau filtrant à la surface d'un système d'infiltration, due à l'accumulation de matières en suspension, de biomasse ou de précipités chimiques. Le colmatage réduit la capacité d'infiltration.
Gradient Hydraulique (i)
Rapport entre la différence de charge hydraulique entre deux points et la distance qui les sépare le long de la ligne d'écoulement. Pour l'infiltration verticale sous un bassin, il est souvent simplifié et pris proche de 1 si la zone non saturée est épaisse et la charge d'eau faible.
Surface d'Infiltration Efficace
Partie de la surface totale d'un système d'infiltration qui contribue activement à l'infiltration de l'eau, en tenant compte des effets du colmatage.
Temps de Séjour Hydraulique
Durée moyenne pendant laquelle l'eau reste dans un ouvrage (bassin, réacteur). Pour un volume donné, il est inversement proportionnel au débit.
Optimisation de l’Infiltration des Eaux Traitées - Exercice d'Application

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