Études de cas pratique

EGC

Production Quotidienne d’Eaux Usées

Production Quotidienne d’Eaux Usées en Assainissement

Production Quotidienne d’Eaux Usées en Assainissement

Estimation de la Production d'Eaux Usées

L'estimation précise de la quantité d'eaux usées produites par une collectivité est une étape fondamentale dans le dimensionnement des systèmes de collecte (réseaux d'égouts) et des stations d'épuration. Cette production varie en fonction de nombreux facteurs, notamment la taille de la population, la consommation d'eau potable par habitant (dotation), le type et l'ampleur des activités industrielles et commerciales, ainsi que l'état du réseau qui peut être sujet à des infiltrations d'eaux claires parasites. Une bonne évaluation permet d'éviter le sous-dimensionnement, qui entraînerait des débordements ou un traitement insuffisant, ou le surdimensionnement, qui engendrerait des coûts de construction et d'exploitation inutilement élevés.

Données de l'étude

On étudie une petite ville à caractère principalement résidentiel, mais possédant quelques activités commerciales et des services. Les données suivantes sont disponibles pour estimer la production d'eaux usées :

Tableau : Données de Base pour l'Estimation
Paramètre Valeur Unité
Population (P) 5000 habitants (EH)
Dotation en eau potable (Deau) 150 L/habitant/jour
Pourcentage d'eau potable retournant à l'égout (Pret) 80 %
Apport des activités commerciales et services (Qact) 100 m³/jour
Apport d'eaux claires parasites d'infiltration (QECP) 15 % du débit moyen d'eaux usées domestiques
Coefficient de pointe horaire (Cp) 2.5 -

Rappel : 1 m³ = 1000 L

Questions à traiter

  1. Calculer le débit moyen journalier d'eaux usées domestiques (Qdom) en m³/jour.
  2. Calculer le débit moyen journalier total d'eaux usées (Qmoy,j) en m³/jour, en incluant les apports des activités et les eaux claires parasites.
  3. Calculer le débit de pointe horaire (Qpointe,h) en m³/heure arrivant à la station d'épuration (on considérera que le coefficient de pointe s'applique au débit moyen journalier total hors eaux claires parasites industrielles spécifiques si non précisé, ici on l'applique au Qmoy,j calculé en Q2 pour simplifier).
  4. Si la ville prévoit une augmentation de population de 10% dans les 10 prochaines années et une réduction des eaux claires parasites à 10% du nouveau débit domestique (grâce à des travaux sur le réseau), quel serait le nouveau débit moyen journalier total d'eaux usées (Q'moy,j) ? (On supposera que la dotation, Pret et Qact restent constants).
  5. Quel est l'impact principal d'une sous-estimation du débit de pointe sur le dimensionnement d'une station d'épuration ?

Correction : Production Quotidienne d’Eaux Usées

Question 1 : Débit Moyen Journalier d'Eaux Usées Domestiques (Qdom)

Principe :

Le débit moyen journalier d'eaux usées domestiques est calculé en multipliant la population par la dotation en eau potable par habitant, puis par le pourcentage de cette eau qui retourne au réseau d'assainissement.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ Q_{\text{dom}} = P \times D_{\text{eau}} \times \frac{P_{\text{ret}}}{100} \]
Données spécifiques :
  • Population (P) = \(5000 \, \text{habitants}\)
  • Dotation en eau potable (Deau) = \(150 \, \text{L/hab/j}\)
  • Pourcentage de retour à l'égout (Pret) = \(80\%\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} Q_{\text{dom}} &= 5000 \, \text{hab} \times 150 \, \text{L/hab/j} \times \frac{80}{100} \\ &= 5000 \times 150 \times 0.80 \, \text{L/j} \\ &= 750000 \times 0.80 \, \text{L/j} \\ &= 600000 \, \text{L/j} \end{aligned} \]

Conversion en m³/jour :

\[ Q_{\text{dom}} = \frac{600000 \, \text{L/j}}{1000 \, \text{L/m³}} = 600 \, \text{m³/j} \]
Résultat Question 1 : Le débit moyen journalier d'eaux usées domestiques (Qdom) est de \(600 \, \text{m³/jour}\).

Question 2 : Débit Moyen Journalier Total d'Eaux Usées (Qmoy,j)

Principe :

Le débit moyen journalier total est la somme du débit domestique, du débit des activités commerciales/services, et du débit des eaux claires parasites d'infiltration. Ces dernières sont calculées en pourcentage du débit domestique.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ Q_{\text{ECP}} = Q_{\text{dom}} \times \frac{\text{Pourcentage ECP}}{100} \]
\[ Q_{\text{moy,j}} = Q_{\text{dom}} + Q_{\text{act}} + Q_{\text{ECP}} \]
Données spécifiques :
  • Qdom = \(600 \, \text{m³/jour}\) (calculé à la Q1)
  • Apport des activités (Qact) = \(100 \, \text{m³/jour}\)
  • Pourcentage ECP = \(15\%\) du Qdom
Calcul :

Calcul du débit d'eaux claires parasites (QECP) :

\[ \begin{aligned} Q_{\text{ECP}} &= 600 \, \text{m³/j} \times \frac{15}{100} \\ &= 600 \times 0.15 \, \text{m³/j} \\ &= 90 \, \text{m³/j} \end{aligned} \]

Calcul du débit moyen journalier total (Qmoy,j) :

\[ \begin{aligned} Q_{\text{moy,j}} &= Q_{\text{dom}} + Q_{\text{act}} + Q_{\text{ECP}} \\ &= 600 \, \text{m³/j} + 100 \, \text{m³/j} + 90 \, \text{m³/j} \\ &= 790 \, \text{m³/j} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : Le débit moyen journalier total d'eaux usées (Qmoy,j) est de \(790 \, \text{m³/jour}\).

Question 3 : Débit de Pointe Horaire (Qpointe,h)

Principe :

Le débit de pointe horaire est calculé en multipliant le débit moyen journalier total par le coefficient de pointe, puis en convertissant le résultat en débit horaire (division par 24 heures).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ Q_{\text{pointe,j}} = Q_{\text{moy,j}} \times C_p \]
\[ Q_{\text{pointe,h}} = \frac{Q_{\text{pointe,j}}}{24 \, \text{h/j}} \]
Données spécifiques :
  • Qmoy,j = \(790 \, \text{m³/jour}\) (calculé à la Q2)
  • Coefficient de pointe (Cp) = \(2.5\)
Calcul :

Calcul du débit de pointe journalier (Qpointe,j) :

\[ \begin{aligned} Q_{\text{pointe,j}} &= 790 \, \text{m³/j} \times 2.5 \\ &= 1975 \, \text{m³/j} \end{aligned} \]

Calcul du débit de pointe horaire (Qpointe,h) :

\[ \begin{aligned} Q_{\text{pointe,h}} &= \frac{1975 \, \text{m³/j}}{24 \, \text{h/j}} \\ &\approx 82.29 \, \text{m³/h} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : Le débit de pointe horaire (Qpointe,h) est d'environ \(82.29 \, \text{m³/heure}\).

Question 4 : Nouveau Débit Moyen Journalier Total (Q'moy,j) après Évolution

Principe :

Il faut d'abord calculer la nouvelle population, puis le nouveau débit domestique, ensuite le nouveau débit d'eaux claires parasites basé sur ce nouveau débit domestique, et enfin sommer toutes les composantes.

Formule(s) utilisée(s) :

Nouvelle Population (P') : \( P' = P \times (1 + \frac{\text{Augmentation \%}}{100}) \)

Nouveau Débit Domestique (Q'dom) : \( Q'_{\text{dom}} = P' \times D_{\text{eau}} \times \frac{P_{\text{ret}}}{100} \)

Nouveau Débit ECP (Q'ECP) : \( Q'_{\text{ECP}} = Q'_{\text{dom}} \times \frac{\text{Nouveau Pourcentage ECP}}{100} \)

Nouveau Débit Moyen Total (Q'moy,j) : \( Q'_{\text{moy,j}} = Q'_{\text{dom}} + Q_{\text{act}} + Q'_{\text{ECP}} \)

Données spécifiques :
  • Population actuelle (P) = \(5000 \, \text{habitants}\)
  • Augmentation population = \(10\%\)
  • Deau = \(150 \, \text{L/hab/j}\) (inchangé)
  • Pret = \(80\%\) (inchangé)
  • Qact = \(100 \, \text{m³/jour}\) (inchangé)
  • Nouveau pourcentage ECP = \(10\%\) du nouveau Q'dom
Calcul :

1. Nouvelle Population (P') :

\[ \begin{aligned} P' &= 5000 \times (1 + \frac{10}{100}) \\ &= 5000 \times 1.10 \\ &= 5500 \, \text{habitants} \end{aligned} \]

2. Nouveau Débit Domestique (Q'dom) :

\[ \begin{aligned} Q'_{\text{dom}} &= 5500 \, \text{hab} \times 150 \, \text{L/hab/j} \times \frac{80}{100} \\ &= 5500 \times 150 \times 0.80 \, \text{L/j} \\ &= 660000 \, \text{L/j} \\ &= 660 \, \text{m³/j} \end{aligned} \]

3. Nouveau Débit ECP (Q'ECP) :

\[ \begin{aligned} Q'_{\text{ECP}} &= 660 \, \text{m³/j} \times \frac{10}{100} \\ &= 660 \times 0.10 \, \text{m³/j} \\ &= 66 \, \text{m³/j} \end{aligned} \]

4. Nouveau Débit Moyen Journalier Total (Q'moy,j) :

\[ \begin{aligned} Q'_{\text{moy,j}} &= Q'_{\text{dom}} + Q_{\text{act}} + Q'_{\text{ECP}} \\ &= 660 \, \text{m³/j} + 100 \, \text{m³/j} + 66 \, \text{m³/j} \\ &= 826 \, \text{m³/j} \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : Le nouveau débit moyen journalier total d'eaux usées (Q'moy,j) serait de \(826 \, \text{m³/jour}\).

Question 5 : Impact d'une Sous-estimation du Débit de Pointe

Principe :

Le débit de pointe est une valeur critique pour le dimensionnement de nombreux ouvrages d'une station d'épuration, notamment les ouvrages de tête (dégrillage, dessablage, déshuilage), les bassins (d'aération, clarificateurs si conçus pour les pointes hydrauliques) et les conduites.

Analyse :

Une sous-estimation du débit de pointe peut avoir plusieurs conséquences négatives graves :

  • Débordements : Les ouvrages hydrauliques (canaux, conduites) peuvent ne pas être capables de transiter le débit réel, entraînant des débordements d'eaux usées non traitées ou partiellement traitées dans le milieu naturel ou au sein de la station.
  • Perte d'efficacité des traitements :
    • Les vitesses de passage trop élevées dans les dégrilleurs et dessableurs peuvent réduire leur efficacité de capture.
    • Dans les décanteurs (primaires ou clarificateurs), un débit excessif réduit le temps de séjour hydraulique, ce qui peut entraîner un emportement de boues et une mauvaise clarification de l'eau traitée.
    • Pour les traitements biologiques, des temps de contact trop courts peuvent nuire à l'élimination des polluants.
  • Dommages aux équipements : Des débits excessifs peuvent endommager certains équipements (pompes, agitateurs) s'ils ne sont pas conçus pour de telles conditions.
  • Non-conformité des rejets : En conséquence des points précédents, la qualité de l'eau traitée peut se dégrader et ne plus respecter les normes de rejet.
  • Difficultés d'exploitation : Une station sous-dimensionnée pour les pointes est plus difficile à exploiter et plus sujette aux dysfonctionnements.

Il est donc crucial d'évaluer correctement le débit de pointe pour assurer un fonctionnement fiable et performant de la station d'épuration.

Résultat Question 5 : Une sous-estimation du débit de pointe peut entraîner des débordements, une perte d'efficacité des traitements, des dommages aux équipements, une non-conformité des rejets et des difficultés d'exploitation.

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. La dotation en eau potable par habitant est utilisée pour calculer directement :

2. Les eaux claires parasites (ECP) proviennent principalement :

3. Le coefficient de pointe horaire sert à estimer :

4. Une augmentation de la population d'une ville, sans autres changements, entraîne généralement :

Glossaire

Dotation en eau potable (Deau)
Quantité moyenne d'eau potable consommée par habitant et par jour. Elle varie selon les régions, les habitudes de vie et le type d'habitat.
Équivalent-Habitant (EH)
Unité de mesure de la charge polluante. En termes de débit, on parle souvent de population raccordée ou à raccorder.
Eaux Usées Domestiques
Eaux provenant des usages quotidiens des ménages (cuisines, salles de bain, toilettes).
Eaux Usées Industrielles/Commerciales
Eaux rejetées par les établissements industriels, artisanaux ou commerciaux. Leur volume et leur composition peuvent être très variables.
Eaux Claires Parasites (ECP)
Eaux non usées qui s'introduisent dans les réseaux d'assainissement, principalement par infiltration d'eaux de nappe (en cas de réseau non étanche et de nappe haute) ou par intrusion d'eaux pluviales (mauvais branchements, avaloirs connectés au réseau d'eaux usées en système séparatif).
Débit Moyen Journalier (Qmoy,j)
Volume total d'eaux usées arrivant à la station d'épuration sur une journée, divisé par 24 heures, puis moyenné sur l'année. C'est une valeur de base pour le dimensionnement.
Débit de Pointe Horaire (Qpointe,h)
Débit maximal observé ou estimé sur une période d'une heure. Il est crucial pour le dimensionnement des ouvrages hydrauliques de la station afin d'éviter les débordements.
Coefficient de Pointe (Cp)
Rapport entre le débit de pointe et le débit moyen. Il reflète les variations horaires de la production d'eaux usées.
Production Quotidienne d’Eaux Usées - Exercice d'Application

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