Études de cas pratique

EGC

Qualité Physico-Chimique des Eaux Usées

Qualité Physico-Chimique des Eaux Usées

Qualité Physico-Chimique des Eaux Usées en Assainissement

Comprendre la Qualité Physico-Chimique des Eaux Usées

L'analyse de la qualité physico-chimique des eaux usées est cruciale pour concevoir, exploiter et optimiser les systèmes d'assainissement. Elle permet de caractériser le niveau de pollution, d'évaluer la performance des filières de traitement et de s'assurer du respect des normes de rejet. Les principaux paramètres mesurés 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 analyse des eaux usées brutes arrivant à l'entrée d'une station d'épuration a fourni les résultats suivants. On considère également des limites réglementaires pour un rejet des eaux traitées en milieu naturel sensible (valeurs indicatives).

Tableau : Caractéristiques de l'Eau Usée Brute et Limites de Rejet
Paramètre Valeur Eau Brute Unité Limite de Rejet (Exemple)
DBO5 (Demande Biochimique en Oxygène sur 5 jours) 350 mg O₂/L < 25
DCO (Demande Chimique en Oxygène) 750 mg O₂/L < 125
MES (Matières En Suspension) 300 mg/L < 35
Azote Total (NGL) 60 mg N/L < 15
Phosphore Total (Ptot) 12 mg P/L < 2
pH (Potentiel Hydrogène) 7.8 - 6.0 - 8.5
Température 18 °C -

Questions à traiter

  1. Calculer le rapport DCO/DBO5 de l'eau brute. Que peut-on en déduire sur la biodégradabilité de cette pollution ?
  2. Comparer les concentrations des paramètres mesurés dans l'eau brute (DBO5, DCO, MES, NGL, Ptot) aux limites de rejet. Cette eau peut-elle être rejetée en l'état ? Justifier.
  3. Si la station d'épuration atteint un rendement d'élimination de 95% pour la DBO5 et 92% pour les MES, quelles seraient les concentrations en sortie pour ces deux paramètres ? Ces concentrations seraient-elles conformes aux limites de rejet ?
  4. Le pH de l'eau brute (7.8) est-il généralement considéré comme problématique pour un traitement biologique classique ? Expliquer brièvement.
  5. Quel est l'intérêt principal de mesurer la température des eaux usées à l'entrée d'une station d'épuration ?

Correction : Qualité Physico-Chimique des Eaux Usées

Question 1 : Rapport DCO/DBO5 et Biodégradabilité

Principe :

Le rapport DCO/DBO5 est un indicateur de la biodégradabilité de la matière organique présente dans l'eau. La DCO mesure la quasi-totalité de la matière oxydable (biodégradable ou non), tandis que la DBO5 ne mesure que la fraction biodégradable par voie aérobie en 5 jours. Un rapport faible indique une bonne biodégradabilité.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Rapport} = \frac{\text{DCO}}{\text{DBO5}} \]
Données spécifiques :
  • DCO eau brute : \(750 \, \text{mg O}_2\text{/L}\)
  • DBO5 eau brute : \(350 \, \text{mg O}_2\text{/L}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{Rapport} &= \frac{750 \, \text{mg/L}}{350 \, \text{mg/L}} \\ &\approx 2.14 \end{aligned} \]

Interprétation :

    {/* Justification spécifique pour cette liste d'interprétation */}
  • Un rapport DCO/DBO5 < 2.5 à 3 est généralement considéré comme indiquant une eau usée facilement biodégradable, typique des eaux usées domestiques.
  • Un rapport > 3 peut indiquer la présence de matière organique difficilement biodégradable ou de substances toxiques pour les micro-organismes.

Dans notre cas, un rapport d'environ 2.14 suggère que la pollution organique est majoritairement biodégradable, ce qui est favorable pour un traitement biologique.

Résultat Question 1 : Le rapport DCO/DBO5 est d'environ 2.14, indiquant une bonne biodégradabilité de la charge organique.

Question 2 : Comparaison aux Limites de Rejet

Principe :

Il s'agit de comparer directement les concentrations mesurées dans l'eau brute aux seuils réglementaires de rejet pour évaluer la nécessité d'un traitement.

Analyse :

En comparant les valeurs du tableau de l'énoncé :

    {/* Justification spécifique */}
  • DBO5 brute (\(350 \, \text{mg/L}\)) est très supérieure à la limite de rejet (\(< 25 \, \text{mg/L}\)).
  • DCO brute (\(750 \, \text{mg/L}\)) est très supérieure à la limite de rejet (\(< 125 \, \text{mg/L}\)).
  • MES brutes (\(300 \, \text{mg/L}\)) sont très supérieures à la limite de rejet (\(< 35 \, \text{mg/L}\)).
  • NGL brut (\(60 \, \text{mg N/L}\)) est supérieur à la limite de rejet (\(< 15 \, \text{mg N/L}\)).
  • Ptot brut (\(12 \, \text{mg P/L}\)) est supérieur à la limite de rejet (\(< 2 \, \text{mg P/L}\)).

Le pH (7.8) est dans la fourchette acceptable (6.0 - 8.5), mais cela ne suffit pas.

Conclusion : L'eau brute présente des concentrations de polluants largement supérieures aux limites de rejet pour tous les paramètres considérés (sauf potentiellement le pH seul). Un traitement poussé est donc indispensable avant tout rejet dans le milieu naturel.

Résultat Question 2 : L'eau brute ne peut absolument pas être rejetée en l'état. Ses concentrations en DBO5, DCO, MES, NGL et Ptot dépassent largement les limites réglementaires.

Question 3 : Concentrations en Sortie et Conformité

Principe :

Le rendement d'élimination (\(R\)) d'un paramètre est le pourcentage de ce paramètre qui est retiré par le traitement. La concentration en sortie (\(C_{sortie}\)) peut être calculée à partir de la concentration en entrée (\(C_{entree}\)) et du rendement : \(C_{sortie} = C_{entree} \times (1 - R/100)\).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ C_{sortie, DBO5} = C_{entree, DBO5} \times (1 - \frac{R_{DBO5}}{100}) \]
\[ C_{sortie, MES} = C_{entree, MES} \times (1 - \frac{R_{MES}}{100}) \]
Données spécifiques :
  • \(C_{entree, DBO5} = 350 \, \text{mg/L}\) ; \(R_{DBO5} = 95\%\)
  • \(C_{entree, MES} = 300 \, \text{mg/L}\) ; \(R_{MES} = 92\%\)
  • Limite de rejet DBO5 : \(< 25 \, \text{mg/L}\)
  • Limite de rejet MES : \(< 35 \, \text{mg/L}\)
Calcul :

Pour la DBO5 :

\[ \begin{aligned} C_{sortie, DBO5} &= C_{entree, DBO5} \times (1 - \frac{R_{DBO5}}{100}) \\ &= 350 \, \text{mg/L} \times (1 - \frac{95}{100}) \\ &= 350 \times (1 - 0.95) \\ &= 350 \times 0.05 \\ &= 17.5 \, \text{mg/L} \end{aligned} \]

Comparaison DBO5 sortie : \(17.5 \, \text{mg/L}\) est inférieur à la limite de \(25 \, \text{mg/L}\). Conforme.

Pour les MES :

\[ \begin{aligned} C_{sortie, MES} &= C_{entree, MES} \times (1 - \frac{R_{MES}}{100}) \\ &= 300 \, \text{mg/L} \times (1 - \frac{92}{100}) \\ &= 300 \times (1 - 0.92) \\ &= 300 \times 0.08 \\ &= 24 \, \text{mg/L} \end{aligned} \]

Comparaison MES sortie : \(24 \, \text{mg/L}\) est inférieur à la limite de \(35 \, \text{mg/L}\). Conforme.

Résultat Question 3 : Avec les rendements donnés, la concentration en DBO5 en sortie serait de \(17.5 \, \text{mg/L}\) et celle des MES de \(24 \, \text{mg/L}\). Ces deux valeurs sont conformes aux limites de rejet spécifiées.

Question 4 : Impact du pH de l'Eau Brute

Principe :

Les traitements biologiques des eaux usées reposent sur l'activité de micro-organismes (bactéries, protozoaires, etc.). Ces organismes ont des plages de pH optimales pour leur croissance et leur métabolisme. Un pH trop acide ou trop basique peut inhiber leur activité, voire les tuer, compromettant ainsi l'efficacité du traitement.

Analyse :

Le pH de l'eau brute est de 7.8.

    {/* Justification spécifique */}
  • La plupart des bactéries impliquées dans les traitements biologiques aérobies (boues activées, lits bactériens) fonctionnent de manière optimale dans une plage de pH allant d'environ 6.5 à 8.5.
  • Certains processus spécifiques, comme la nitrification, sont plus sensibles et préfèrent un pH entre 7.0 et 8.0. La dénitrification peut tolérer une plage légèrement plus large.
  • Un pH de 7.8 se situe bien dans la plage favorable pour la majorité des processus biologiques épuratoires. Il n'est donc généralement pas considéré comme problématique et ne nécessiterait pas de correction majeure avant un traitement biologique classique.
  • Des variations brusques de pH ou des valeurs extrêmes (en dehors de la plage 5-9 par exemple) seraient beaucoup plus préoccupantes.
Résultat Question 4 : Un pH de 7.8 est généralement favorable et non problématique pour un traitement biologique classique, car il se situe dans la plage optimale pour la plupart des micro-organismes épurateurs.

Question 5 : Intérêt de la Mesure de Température

Principe :

La température est un paramètre physique important qui influence de nombreux aspects du traitement des eaux usées.

Analyse :

L'intérêt principal de mesurer la température des eaux usées est multiple :

    {/* Justification spécifique */}
  • Influence sur l'activité biologique : La vitesse des réactions biologiques (dégradation de la matière organique, nitrification, dénitrification) est fortement dépendante de la température. Des températures plus basses ralentissent l'activité microbienne, ce qui peut nécessiter des temps de séjour plus longs ou des volumes de réacteurs plus importants pour atteindre les mêmes rendements. Des températures trop élevées peuvent aussi être inhibitrices.
  • Solubilité de l'oxygène : La solubilité de l'oxygène dans l'eau diminue lorsque la température augmente. Ceci est crucial pour les procédés aérobies, car il faut assurer un apport suffisant en oxygène dissous.
  • Viscosité de l'eau : La température affecte la viscosité de l'eau, ce qui peut influencer les processus de sédimentation et de filtration.
  • Détection d'anomalies : Des variations inhabituelles de température peuvent indiquer des rejets industriels non conformes ou des problèmes dans le réseau de collecte.
  • Dimensionnement et pilotage : La connaissance des variations saisonnières de température est essentielle pour le dimensionnement des ouvrages et l'ajustement des paramètres d'exploitation de la station.

Une température de 18°C, comme dans l'énoncé, est une valeur courante et favorable pour les traitements biologiques.

Résultat Question 5 : La mesure de la température est essentielle car elle influence directement l'activité biologique des micro-organismes épurateurs, la solubilité de l'oxygène, certains processus physiques, et aide au dimensionnement et au pilotage de la station ainsi qu'à la détection d'anomalies.

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. La DBO5 mesure principalement :

2. Un rapport DCO/DBO5 de 4.0 dans une eau usée brute suggère que :

3. Les MES (Matières En Suspension) dans les eaux usées sont principalement constituées de :

4. Une baisse de température des eaux usées en hiver a tendance à :

Glossaire

DBO5 (Demande Biochimique en Oxygène sur 5 jours)
Quantité d'oxygène consommée par les micro-organismes aérobies pour dégrader la matière organique biodégradable présente dans l'eau, à 20°C et à l'obscurité, pendant 5 jours. Exprimée en mg O₂/L.
DCO (Demande Chimique en Oxygène)
Quantité d'oxygène nécessaire pour oxyder chimiquement la quasi-totalité des matières organiques et minérales oxydables présentes dans l'eau. Exprimée en mg O₂/L.
MES (Matières En Suspension)
Ensemble des particules solides, organiques ou minérales, non dissoutes dans l'eau, retenues par un filtre d'une porosité définie (généralement 0.45 µm ou 1.2 µm). Exprimées en mg/L.
Azote Global (NGL) ou Azote Total
Somme de toutes les formes d'azote présentes dans l'eau : azote organique, azote ammoniacal (NH₄⁺), nitrites (NO₂⁻) et nitrates (NO₃⁻). L'azote total Kjeldahl (NTK) représente l'azote organique + l'azote ammoniacal. Exprimé en mg N/L.
Phosphore Total (Ptot)
Somme de toutes les formes de phosphore (organique et minéral, dissous et particulaire) présentes dans l'eau. Exprimé en mg P/L.
pH (Potentiel Hydrogène)
Mesure de l'acidité ou de la basicité d'une solution, sur une échelle allant généralement de 0 (très acide) à 14 (très basique), 7 étant neutre.
Biodégradabilité
Capacité d'une substance, notamment organique, à être décomposée par des micro-organismes (bactéries, champignons).
Rendement Épuratoire
Pourcentage de la charge polluante (exprimée par un paramètre donné) éliminée par un procédé de traitement. Calculé par : \(((C_{entree} - C_{sortie}) / C_{entree}) \times 100\).
Qualité Physico-Chimique des Eaux Usées - Exercice d'Application

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