Qualité Physico-Chimique des Eaux Usées

Analyse de la Qualité Physico-Chimique des Eaux Usées

Contexte : Le suivi d'une station d'épuration urbaine.

Le traitement des eaux usées est un enjeu majeur pour la protection de l'environnement et la santé publique. Pour s'assurer qu'une station d'épurationInstallation destinée à dépolluer les eaux usées domestiques ou industrielles avant de les rejeter dans le milieu naturel. (STEP) fonctionne correctement, il est essentiel de réaliser des analyses régulières de la qualité de l'eau en entrée et en sortie. Cet exercice vous propose de calculer les principaux indicateurs de pollution et d'évaluer le rendement épuratoire d'une STEP à partir de données d'analyses.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous initie aux calculs fondamentaux du génie de l'environnement et de l'assainissement. Vous apprendrez à manipuler les notions de concentration et de flux de pollution, à interpréter les indicateurs clés comme la DBO5 et la DCO, et à calculer l'efficacité d'un procédé de traitement.

Objectifs Pédagogiques

Comprendre et définir les principaux paramètres de pollution des eaux usées (DBO5, DCO, MES).
Calculer le flux de pollutionQuantité totale de pollution (en kg/jour) arrivant à une station d'épuration. Se calcule en multipliant le débit par la concentration. journalier pour chaque paramètre.
Déterminer le ratio DCO/DBO5 et interpréter sa signification.
Calculer le rendement épuratoirePourcentage de pollution éliminée par la station de traitement. Un rendement élevé indique une bonne efficacité. de la station pour chaque paramètre.
Évaluer la conformité des rejets par rapport aux normes réglementaires.

Données de l'étude

On étudie les performances d'une station d'épuration recevant les effluents d'une petite agglomération. Des échantillons ont été prélevés sur 24h en entrée et en sortie de la station pour analyse.

Schéma de principe de la station d'épuration

Visualisation 3D de la station

Primaire Biologique Clarificateur Terrain

Paramètre	Concentration Entrée	Concentration Sortie	Norme de Rejet	Unité
Débit journalier moyen	1500			\(\text{m}^3\text{/jour}\)
DBO5	400	20	25	\(\text{mg/L}\)
DCO	900	85	125	\(\text{mg/L}\)
MES	450	25	35	\(\text{mg/L}\)

Questions à traiter

Calculer le flux de pollution journalier (en kg/jour) pour la DBO5, la DCO et les MES en entrée de la station.
Calculer le ratio DCO/DBO5 de l'effluent brut. Que peut-on en déduire sur sa biodégradabilité ?
Calculer le rendement épuratoire de la station pour chacun des trois paramètres (DBO5, DCO, MES).
Comparer les concentrations de sortie aux normes de rejet. La station est-elle conforme ?

Les bases de l'analyse des eaux usées

Pour évaluer la pollution de l'eau, on utilise plusieurs indicateurs clés.

1. La Demande Biochimique en Oxygène (DBO5)
La DBO5 mesure la quantité d'oxygène consommée par les micro-organismes pour dégrader la matière organique biodégradable présente dans l'eau, pendant 5 jours à 20°C. C'est un indicateur de la pollution organique "facilement" dégradable.

2. La Demande Chimique en Oxygène (DCO)
La DCO mesure la quantité d'oxygène nécessaire pour oxyder chimiquement la quasi-totalité des matières organiques (biodégradables ou non). La DCO est donc toujours supérieure ou égale à la DBO5.

3. Les Matières en Suspension (MES)
Les MES représentent l'ensemble des particules solides, minérales ou organiques, non dissoutes dans l'eau. Elles contribuent à la turbidité de l'eau et peuvent transporter d'autres polluants.

Correction : Analyse de la Qualité Physico-Chimique des Eaux Usées

Question 1 : Calculer le flux de pollution journalier (en kg/jour)

Principe (le concept physique)

Le flux de pollution représente la masse totale d'un polluant qui traverse une section en une journée. Il ne faut pas confondre la concentration (masse par volume, en mg/L) et le flux (masse par temps, en kg/jour). Le flux dépend à la fois de la concentration et du volume d'eau qui s'écoule (le débit).

Mini-Cours (approfondissement théorique)

La conversion d'unités est cruciale dans ce calcul. Les concentrations sont données en mg/L et le débit en m³/jour. Pour obtenir un résultat en kg/jour, il faut se rappeler que 1 m³ = 1000 L et 1 kg = 1 000 000 mg. La formule combine ces conversions.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Imaginez que la concentration est la "densité" de voitures sur une autoroute et que le débit est la "vitesse" du trafic. Le flux serait le nombre total de voitures passant un péage en une journée. Une autoroute peu dense mais avec un trafic très rapide peut avoir le même flux qu'une autoroute embouteillée avec un trafic lent.

Normes (la référence réglementaire)

Le calcul de flux est une base pour le dimensionnement des stations d'épuration, souvent exprimé en "charge journalière" (kg/j), une donnée clé des cahiers des charges et des réglementations sur les rejets.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Flux de pollution :

\text{Flux (kg/jour)} = \text{Concentration (mg/L)} \times \text{Débit (m}^3\text{/jour)} \times \frac{1}{1000}

Hypothèses (le cadre du calcul)

On considère que le débit et la concentration sont constants sur 24h, ce qui correspond à une moyenne journalière.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)

Débit : \(1500 \, \text{m}^3\text{/jour}\)
[DBO5] entrée : \(400 \, \text{mg/L}\)
[DCO] entrée : \(900 \, \text{mg/L}\)
[MES] entrée : \(450 \, \text{mg/L}\)

Astuces(Pour aller plus vite)

Le facteur de conversion de (mg/L) x (m³/jour) en (kg/jour) est toujours 1/1000. Mémorisez-le pour gagner du temps.

Schéma (Avant les calculs)

Relation Flux - Débit - Concentration

Calcul(s) (l'application numérique)

1. Flux de DBO5 :

\begin{aligned} \text{Flux}_{\text{DBO5}} &= 400 \, \text{mg/L} \times 1500 \, \text{m}^3\text{/jour} \times \frac{1}{1000} \\ &= 600 \, \text{kg/jour} \end{aligned}

2. Flux de DCO :

\begin{aligned} \text{Flux}_{\text{DCO}} &= 900 \, \text{mg/L} \times 1500 \, \text{m}^3\text{/jour} \times \frac{1}{1000} \\ &= 1350 \, \text{kg/jour} \end{aligned}

3. Flux de MES :

\begin{aligned} \text{Flux}_{\text{MES}} &= 450 \, \text{mg/L} \times 1500 \, \text{m}^3\text{/jour} \times \frac{1}{1000} \\ &= 675 \, \text{kg/jour} \end{aligned}

Schéma (Après les calculs)

Flux de pollution entrants

Réflexions (l'interprétation du résultat)

Chaque jour, la station reçoit 600 kg de pollution biodégradable (DBO5), 1350 kg de pollution organique totale (DCO) et 675 kg de matières solides. Ces chiffres sont essentiels pour dimensionner les équipements de la station.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

L'erreur la plus fréquente est d'oublier le facteur de conversion 1/1000. Un flux de 600 000 kg/j serait physiquement absurde pour une station de cette taille. Ayez toujours un regard critique sur l'ordre de grandeur de vos résultats.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)

Le flux est le produit de la concentration et du débit.
Attention aux unités : mg/L, m³/j et kg/j ne sont pas directement compatibles sans conversion.

Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Les stations d'épuration modernes sont conçues pour gérer des variations de flux importantes, notamment les jours de pluie où le débit peut être multiplié par 3 ou 4 à cause des eaux pluviales qui se mélangent aux eaux usées dans les réseaux unitaires.

FAQ (pour lever les doutes)

Résultat Final (la conclusion chiffrée)

Les flux de pollution en entrée sont : \(\text{Flux}_{\text{DBO5}} = 600 \, \text{kg/jour}\), \(\text{Flux}_{\text{DCO}} = 1350 \, \text{kg/jour}\), et \(\text{Flux}_{\text{MES}} = 675 \, \text{kg/jour}\).

A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Si le débit passait à 2000 m³/jour, quel serait le nouveau flux de DCO en kg/jour ?

Question 2 : Calculer le ratio DCO/DBO5 de l'effluent brut

Principe (le concept physique)

Le ratio DCO/DBO5 est un indicateur de la "qualité" de la pollution organique. Il compare la pollution totale (DCO) à la part facilement biodégradable (DBO5). Un ratio faible indique que la majorité de la pollution est biodégradable, tandis qu'un ratio élevé suggère la présence de composés organiques difficiles à dégrader biologiquement.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

Pour une eau usée domestique classique, ce ratio est généralement compris entre 2 et 2.5. Un ratio supérieur à 3 peut indiquer la présence d'effluents industriels contenant des molécules complexes (dites "récalcitrantes") ou des substances toxiques qui inhibent l'activité bactérienne lors du test DBO5.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Ce simple ratio est l'un des premiers indicateurs que regarde un exploitant de station d'épuration. Il lui donne une idée immédiate de la nature de l'eau qu'il reçoit et de l'efficacité attendue de son traitement biologique.

Normes (la référence réglementaire)

Il n'y a pas de "norme" pour ce ratio en entrée, c'est un indicateur de diagnostic. Cependant, les réglementations imposent des rendements épuratoires minimums qui sont plus difficiles à atteindre si ce ratio est élevé.

Formule(s) (l'outil mathématique)

\text{Ratio} = \frac{\text{DCO (mg/L)}}{\text{DBO5 (mg/L)}}

Hypothèses (le cadre du calcul)

Le calcul est direct et ne nécessite aucune hypothèse particulière, si ce n'est que les mesures de DCO et DBO5 sont fiables.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)

[DBO5] entrée : \(400 \, \text{mg/L}\)
[DCO] entrée : \(900 \, \text{mg/L}\)

Astuces(Pour aller plus vite)

C'est un calcul simple, mais vérifiez que vous divisez bien la DCO (la plus grande valeur) par la DBO5 (la plus petite). Le ratio doit être supérieur à 1.

Schéma (Avant les calculs)

Comparaison DCO et DBO5

Calcul(s) (l'application numérique)

\begin{aligned} \text{Ratio} &= \frac{900 \, \text{mg/L}}{400 \, \text{mg/L}} \\ &= 2.25 \end{aligned}

Schéma (Après les calculs)

Ratio de Biodégradabilité

Réflexions (l'interprétation du résultat)

Un ratio de 2.25 est typique d'un effluent urbain à dominante domestique. Cela signifie que la pollution est majoritairement biodégradable et donc bien adaptée à un traitement biologique classique, tel que celui mis en place dans la station.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Ne pas calculer ce ratio avec les flux. Même si le résultat serait le même avec un débit constant, la convention est de toujours le calculer à partir des concentrations.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)

Ratio DCO/DBO5 > 3 : Effluent difficilement biodégradable (potentiellement industriel).
Ratio DCO/DBO5 < 2 : Effluent très facilement biodégradable, voire suspect (possible erreur d'analyse).

Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Certaines industries, comme la papeterie, peuvent rejeter des effluents avec des ratios DCO/DBO5 supérieurs à 10. Ces eaux nécessitent des traitements physico-chimiques avancés (oxydation, coagulation) avant ou à la place d'un traitement biologique.

FAQ (pour lever les doutes)

Résultat Final (la conclusion chiffrée)

Le ratio DCO/DBO5 de l'effluent brut est de 2.25.

A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Si la DCO était de 1200 mg/L pour la même DBO5, quel serait le nouveau ratio ?

Question 3 : Calculer le rendement épuratoire de la station

Principe (le concept physique)

Le rendement épuratoire mesure l'efficacité de la station à éliminer un polluant donné. Il est exprimé en pourcentage et représente la proportion de la pollution entrante qui a été retirée par le processus de traitement.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

Le calcul peut se faire soit sur les concentrations, soit sur les flux. Si le débit d'eau est constant tout au long du traitement (pas de pertes significatives), le calcul sur les concentrations est plus simple et donne le même résultat. Un rendement de 100% serait parfait (toute la pollution est éliminée), tandis qu'un rendement de 0% signifierait que la station ne traite rien.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Le rendement est l'indicateur de performance clé d'une station. Il permet de suivre son bon fonctionnement au jour le jour et de détecter rapidement d'éventuels problèmes (panne d'un équipement, arrivée d'un effluent toxique...).

Normes (la référence réglementaire)

La réglementation européenne impose des rendements minimaux pour les stations d'épuration urbaines, généralement de l'ordre de 90-95% pour la DBO5 et 75-85% pour la DCO, en fonction de la taille de la station.

Formule(s) (l'outil mathématique)

\text{Rendement (\%)} = \frac{C_{\text{entrée}} - C_{\text{sortie}}}{C_{\text{entrée}}} \times 100

Hypothèses (le cadre du calcul)

On suppose que les échantillons prélevés en entrée et en sortie sont représentatifs de la même masse d'eau, en tenant compte du temps de séjour dans la station.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)

[DBO5] entrée/sortie : \(400 / 20 \, \text{mg/L}\)
[DCO] entrée/sortie : \(900 / 85 \, \text{mg/L}\)
[MES] entrée/sortie : \(450 / 25 \, \text{mg/L}\)

Astuces(Pour aller plus vite)

Vous pouvez calculer plus vite en faisant : \( (1 - \frac{C_{sortie}}{C_{entrée}}) \times 100 \). C'est la même formule, mais elle peut être plus rapide à taper sur une calculatrice.

Schéma (Avant les calculs)

Concept du Rendement

Calcul(s) (l'application numérique)

1. Rendement DBO5 :

\begin{aligned} \eta_{\text{DBO5}} &= \frac{400 - 20}{400} \times 100 \\ &= 95.0 \, \% \end{aligned}

2. Rendement DCO :

\begin{aligned} \eta_{\text{DCO}} &= \frac{900 - 85}{900} \times 100 \\ &= 90.6 \, \% \end{aligned}

3. Rendement MES :

\begin{aligned} \eta_{\text{MES}} &= \frac{450 - 25}{450} \times 100 \\ &= 94.4 \, \% \end{aligned}

Schéma (Après les calculs)

Performances de la station

Réflexions (l'interprétation du résultat)

Les rendements sont très élevés (supérieurs à 90%) pour les trois paramètres, ce qui indique que la station d'épuration fonctionne de manière très efficace. Le rendement sur la DBO5 est légèrement supérieur à celui de la DCO, ce qui est logique car la part non biodégradable de la DCO est plus difficile à éliminer.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Assurez-vous d'utiliser les concentrations en entrée et en sortie pour le même paramètre. Ne mélangez pas la DBO5 en entrée avec la DCO en sortie, par exemple.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)

Le rendement mesure le pourcentage de pollution éliminée.
Un rendement élevé est le signe d'un traitement efficace.
Il se calcule pour chaque paramètre de pollution indépendamment.

Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Les traitements tertiaires, comme la désinfection par UV ou l'élimination du phosphore et de l'azote, sont ajoutés après le traitement biologique pour atteindre des rendements encore plus élevés et protéger les milieux aquatiques les plus sensibles.

FAQ (pour lever les doutes)

Résultat Final (la conclusion chiffrée)

Les rendements épuratoires sont : \(\eta_{\text{DBO5}} = 95.0 \, \%\), \(\eta_{\text{DCO}} = 90.6 \, \%\), \(\eta_{\text{MES}} = 94.4 \, \%\).

A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Si la concentration de sortie en MES était de 45 mg/L, quel serait le nouveau rendement pour ce paramètre ?

Question 4 : Comparer les concentrations de sortie aux normes de rejet

Principe (le concept physique)

L'objectif final d'une station d'épuration est de rejeter dans le milieu naturel (une rivière, un lac...) une eau suffisamment propre pour ne pas nuire à l'écosystème. La conformité est évaluée en comparant les concentrations des polluants dans l'eau traitée (en sortie) avec des seuils réglementaires (les normes de rejet).

Mini-Cours (approfondissement théorique)

Les normes de rejet dépendent de la taille de la station et de la sensibilité du milieu récepteur. Une station qui rejette dans une zone de baignade ou une zone protégée aura des normes beaucoup plus strictes. Le non-respect de ces normes peut entraîner des sanctions administratives et financières pour l'exploitant.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

La conformité n'est pas une opinion, c'est une obligation légale. L'autosurveillance par l'exploitant et les contrôles inopinés par les autorités (la "police de l'eau") garantissent le respect de ces normes.

Normes (la référence réglementaire)

Les normes présentées (25 mg/L pour la DBO5, 125 mg/L pour la DCO, 35 mg/L pour les MES) sont des valeurs courantes en Europe pour les stations d'épuration urbaines de taille moyenne, issues de la Directive Eaux Résiduaires Urbaines (DERU) 91/271/CEE.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Il ne s'agit pas d'une formule, mais d'une comparaison :

C_{\text{sortie}} \le \text{Norme de Rejet}

Hypothèses (le cadre du calcul)

On suppose que les normes fournies sont celles applicables à cette station spécifique.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)

[DBO5] sortie / norme : \(20 / 25 \, \text{mg/L}\)
[DCO] sortie / norme : \(85 / 125 \, \text{mg/L}\)
[MES] sortie / norme : \(25 / 35 \, \text{mg/L}\)

Astuces(Pour aller plus vite)

Utilisez un tableau pour présenter la comparaison de manière claire et immédiate. Une colonne "Résultat" avec "Conforme" ou "Non conforme" est très efficace.

Schéma (Avant les calculs)

Vérification de la conformité

Calcul(s) (l'application numérique)

On compare simplement les valeurs du tableau :

Paramètre	Concentration Sortie (mg/L)	Norme de Rejet (mg/L)	Conformité
DBO5	20	25	Conforme (20 < 25)
DCO	85	125	Conforme (85 < 125)
MES	25	35	Conforme (25 < 35)

Schéma (Après les calculs)

Verdict de Conformité

Réflexions (l'interprétation du résultat)

Pour les trois paramètres principaux, les concentrations mesurées en sortie de la station sont inférieures aux limites réglementaires. La station est donc en conformité avec la réglementation en vigueur pour cet échantillon.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Attention à ne pas inverser les chiffres ! Il faut bien vérifier que la concentration en sortie est inférieure ou égale à la norme, et non l'inverse. Une seule valeur non conforme suffit à classer le rejet comme "non conforme".

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)

La conformité est une comparaison directe entre la mesure et la norme.
La station doit être conforme pour tous les paramètres réglementés.

Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

En plus de ces paramètres "classiques", les rejets des stations d'épuration sont de plus en plus surveillés pour des "micropolluants" comme les résidus de médicaments, les pesticides ou les plastifiants, qui peuvent avoir un impact sur l'environnement même à très faibles concentrations.

FAQ (pour lever les doutes)

Résultat Final (la conclusion chiffrée)

La station est conforme aux normes de rejet pour la DBO5, la DCO et les MES.

A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Si la norme de rejet pour les MES était abaissée à 20 mg/L, la station serait-elle toujours conforme ? (Répondez par Oui ou Non)

Outil Interactif : Simulateur de Performance

Modifiez les paramètres de l'eau brute pour voir leur influence sur les flux de pollution et les rendements.

Paramètres d'Entrée

Débit Journalier (m³/jour) 1500 m³/j

Concentration DBO5 Entrée (mg/L) 400 mg/L

Rendement DBO5 (%) 95 %

Résultats Clés

Flux DBO5 Entrant (kg/jour) -

Concentration DBO5 Sortie (mg/L) -

Conformité Rejet DBO5 (Norme=25) -

Le Saviez-Vous ?

Le concept d'Équivalent-Habitant (EH) est utilisé pour dimensionner les stations d'épuration. Un EH correspond à la pollution organique moyenne produite par une personne par jour, soit 60 grammes de DBO5. Une station de 10 000 EH est donc conçue pour traiter la pollution de 10 000 personnes.

Foire Aux Questions (FAQ)

Pourquoi mesurer la DBO sur 5 jours et pas plus ?

Le test de 5 jours est un compromis historique. La dégradation biologique est rapide au début puis ralentit. Au bout de 5 jours, environ 70-80% de la pollution biodégradable a été consommée. Attendre la dégradation totale (plus de 20 jours) serait trop long pour un suivi opérationnel.

Que deviennent les "boues" produites par la station ?

Les matières en suspension et la biomasse bactérienne retirées de l'eau forment les boues d'épuration. Après traitement (déshydratation, compostage, méthanisation...), elles peuvent être valorisées en agriculture (épandage) ou incinérées pour produire de l'énergie.

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Si le ratio DCO/DBO5 d'une eau usée est très élevé (> 4), cela signifie que l'effluent est...

Très concentré
Difficilement biodégradable
Facilement biodégradable

2. Un rendement épuratoire de 90% sur les MES signifie que...

90% de la masse de MES entrante a été éliminée
La concentration de sortie est de 10 mg/L
La concentration de sortie est 90% de celle d'entrée

DBO5 (Demande Biochimique en Oxygène): Quantité d'oxygène nécessaire aux micro-organismes pour dégrader la matière organique biodégradable en 5 jours. Mesure la pollution organique "facile".
DCO (Demande Chimique en Oxygène): Quantité d'oxygène nécessaire pour oxyder chimiquement presque toute la matière organique. Mesure la pollution organique totale.
MES (Matières En Suspension): Particules solides non dissoutes dans l'eau, responsables de la turbidité.

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