Qualité Physico-Chimique des Eaux Usées

Comprendre la Qualité Physico-Chimique des Eaux Usées

Vous êtes un ingénieur en environnement travaillant sur la conception d’une station d’épuration pour une petite ville. L’objectif est de traiter les eaux usées pour atteindre les normes de qualité définies par la réglementation locale, qui sont alignées sur les recommandations européennes.

Pour comprendre l’analyse d’une Station de Traitement des Eaux Usées, cliquez sur le lien.

Données initiales:

Population de la ville : 20 000 habitants.
Consommation moyenne d’eau par habitant : 150 litres/jour.
Composition moyenne des eaux usées brutes (par m³) :
- DBO5 (Demande Biochimique en Oxygène sur 5 jours) : 220 mg/L
- DCO (Demande Chimique en Oxygène) : 500 mg/L
- Azote total : 35 mg/L
- Phosphore total : 10 mg/L
- Solides en suspension : 200 mg/L

Normes de rejet:

DBO5 : ≤ 25 mg/L
DCO : ≤ 125 mg/L
Azote total : ≤ 10 mg/L
Phosphore total : ≤ 2 mg/L
Solides en suspension : ≤ 30 mg/L

Questions:

1. Calcul du flux journalier des polluants: Calculez le flux quotidien (en kg/jour) pour chaque polluant (DBO5, DCO, azote total, phosphore total, solides en suspension) entrant dans la station d’épuration.

2. Conception du traitement: Proposez une chaîne de traitement qui pourrait efficacement réduire les concentrations de ces polluants aux niveaux requis. Décrivez brièvement chaque étape de traitement proposée.

3. Efficacité du traitement: Estimez l’efficacité en pourcentage que chaque étape de traitement doit atteindre pour que les eaux usées traitées respectent les normes de rejet.

4. Impact environnemental: Discutez des impacts environnementaux potentiels si les eaux usées ne sont pas traitées conformément à ces normes.

5. Considérations supplémentaires: Quels autres facteurs (par exemple, les variations saisonnières, la croissance de la population) pourraient affecter la performance de la station d’épuration et comment pourriez-vous les gérer?

Correction : Qualité Physico-Chimique des Eaux Usées

1. Calcul du flux journalier des polluants

Pour déterminer la charge journalière de chaque polluant, nous devons d’abord calculer le débit journalier des eaux usées issues de la population. La méthode consiste à multiplier le nombre d’habitants par la consommation d’eau par habitant, puis à utiliser la concentration du polluant pour obtenir la masse totale introduite par jour.

Formule générale :

\[ \text{Flux (kg/jour)} = \frac{C \times Q}{1000} \]

\(C\) : concentration du polluant en mg/L (attention : 1 mg/L équivaut à 1 g/m³)
\(Q\) : débit des eaux usées en m³/jour
La division par 1000 permet de convertir des grammes en kilogrammes.

Données

Population : 20 000 habitants
Consommation moyenne par habitant : 150 L/jour
Conversion : 1 m³ = 1000 L
Débit total \(Q\) :

\[ Q = \frac{20\,000 \times 150\ \text{L/jour}}{1000} = 3000\ \text{m}^3/\text{jour} \]

– Concentrations des polluants (en mg/L) :

DBO5 : 220 mg/L
DCO : 500 mg/L
Azote total : 35 mg/L
Phosphore total : 10 mg/L
Solides en suspension : 200 mg/L

Calculs

a) DBO5

\[ \text{Flux}_{\text{DBO5}} = \frac{220 \times 3000}{1000} \] \[ \text{Flux}_{\text{DBO5}} = \frac{660\,000}{1000} \] \[ \text{Flux}_{\text{DBO5}} = 660\ \text{kg/jour} \]

b) DCO

\[ \text{Flux}_{\text{DCO}} = \frac{500 \times 3000}{1000} \] \[ \text{Flux}_{\text{DCO}} = \frac{1\,500\,000}{1000} \] \[ \text{Flux}_{\text{DCO}} = 1500\ \text{kg/jour} \]

c) Azote total

\[ \text{Flux}_{\text{Azote}} = \frac{35 \times 3000}{1000} \] \[ \text{Flux}_{\text{Azote}} = \frac{105\,000}{1000} \] \[ \text{Flux}_{\text{Azote}} = 105\ \text{kg/jour} \]

d) Phosphore total

\[ \text{Flux}_{\text{Phosphore}} = \frac{10 \times 3000}{1000} \] \[ \text{Flux}_{\text{Phosphore}} = \frac{30\,000}{1000} \] \[ \text{Flux}_{\text{Phosphore}} = 30\ \text{kg/jour} \]

e) Solides en suspension

\[ \text{Flux}_{\text{Solides}} = \frac{200 \times 3000}{1000} \] \[ \text{Flux}_{\text{Solides}} = \frac{600\,000}{1000} \] \[ \text{Flux}_{\text{Solides}} = 600\ \text{kg/jour} \]

2. Conception de la chaîne de traitement

L’objectif est de réduire les concentrations de polluants pour respecter les normes de rejet. Une chaîne de traitement efficace comprendra plusieurs étapes :

Prétraitement
- Dégraissage et dégrillage : Élimination des gros débris et des graisses.
Traitement primaire
- Décantation primaire : Séparation des matières en suspension lourdes par sédimentation.
Traitement secondaire
- Traitement biologique (boues activées ou filtres biologiques) : Oxydation des matières organiques (DBO5, DCO) et réduction des solides en suspension.
Traitement tertiaire et des procédés spécifiques
- Nitrification/Denitrification : Conversion de l’azote ammoniacal en azote gazeux pour réduire l’azote total.
- Précipitation chimique : Ajout de produits chimiques (par exemple, sels de fer ou d’aluminium) pour précipiter et éliminer le phosphore.
- Filtration avancée et désinfection : Polissage final du rejet.

Détail des étapes

Prétraitement :
- Objectif : Protéger les équipements en aval en éliminant les débris solides et les graisses.
- Techniques : Grillage, dégrillage, dessablage.
Traitement primaire :
- Objectif : Réduire la charge en solides et certaines matières organiques.
- Technique : Décantation dans des bassins de sédimentation.
Traitement secondaire (biologique) :
- Objectif : Oxydation de la matière organique soluble (DBO5 et DCO) par l’action de micro-organismes.
- Technique : Bassins d’aération pour boues activées ou systèmes à biofilm.
Traitement tertiaire :
- Nitrification/Denitrification :
  - Objectif : Réduction des concentrations d’azote total en transformant l’ammoniac en azote gazeux.
  - Méthode : Systèmes à double bassin ou zones séquentielles.
- Précipitation chimique :
  - Objectif : Abaisser la concentration en phosphore par précipitation.
  - Méthode : Dosage de réactifs (sulfate ferrique ou chlorure ferrique).
- Filtration et désinfection :
  - Objectif : Éliminer les particules restantes et assurer la sécurité microbiologique du rejet.
  - Méthode : Filtres à sable, ultrafiltration et traitement par chloration ou UV.

3. Efficacité requise pour chaque étape de traitement

Pour atteindre les normes de rejet, il est nécessaire d’obtenir une réduction globale des polluants qui s’exprime par une efficacité en pourcentage. Nous pouvons estimer le pourcentage de réduction requis pour chaque paramètre.

3.1. Calculs des taux de réduction globaux

Formule générale :

\[ \text{Taux de réduction} = \frac{C_{\text{initial}} – C_{\text{norme}}}{C_{\text{initial}}} \times 100 \]

a) DBO5

\(C_{\text{initial}} = 220 \text{ mg/L}\)
\(C_{\text{norme}} = 25 \text{ mg/L}\)

\[ \text{Taux de réduction}_{\text{DBO5}} = \frac{220 – 25}{220} \times 100 \] \[ \text{Taux de réduction}_{\text{DBO5}} \approx \frac{195}{220} \times 100 \] \[ \text{Taux de réduction}_{\text{DBO5}} \approx 88,64\% \]

b) DCO

\(C_{\text{initial}} = 500 \text{ mg/L}\)
\(C_{\text{norme}} = 125 \text{ mg/L}\)

\[ \text{Taux de réduction}_{\text{DCO}} = \frac{500 – 125}{500} \times 100 \] \[ \text{Taux de réduction}_{\text{DCO}} = \frac{375}{500} \times 100 \] \[ \text{Taux de réduction}_{\text{DCO}} = 75\% \]

c) Azote total

\(C_{\text{initial}} = 35 \text{ mg/L}\)
\(C_{\text{norme}} = 10 \text{ mg/L}\)

\[ \text{Taux de réduction}_{\text{Azote}} = \frac{35 – 10}{35} \times 100 \] \[ \text{Taux de réduction}_{\text{Azote}} \approx \frac{25}{35} \times 100 \] \[ \text{Taux de réduction}_{\text{Azote}} \approx 71,43\% \]

d) Phosphore total

\(C_{\text{initial}} = 10 \text{ mg/L}\)
\(C_{\text{norme}} = 2 \text{ mg/L}\)

\[ \text{Taux de réduction}_{\text{Phosphore}} = \frac{10 – 2}{10} \times 100 \] \[ \text{Taux de réduction}_{\text{Phosphore}} = \frac{8}{10} \times 100 \] \[ \text{Taux de réduction}_{\text{Phosphore}} = 80\% \]

e) Solides en suspension

\(C_{\text{initial}} = 200 \text{ mg/L}\)
\(C_{\text{norme}} = 30 \text{ mg/L}\)

\[ \text{Taux de réduction}_{\text{Solides}} = \frac{200 – 30}{200} \times 100 \] \[ \text{Taux de réduction}_{\text{Solides}} = \frac{170}{200} \times 100 \] \[ \text{Taux de réduction}_{\text{Solides}} = 85\% \]

3.2. Répartition par étapes de traitement

Pour atteindre ces réductions globales, la chaîne de traitement peut être conçue de la façon suivante :

Prétraitement + Décantation primaire :
- Réduction approximative de 30 à 40 % des solides et 20 à 30 % de la DBO5 et DCO.
- Exemple : Pour la DBO5, une réduction initiale de 30 % amènerait 220 mg/L à environ 154 mg/L.
Traitement secondaire (biologique) :
- Réduction additionnelle pouvant atteindre 80–85 % de la DBO5 et DCO restant.
- Pour la DBO5 : si 154 mg/L sont en entrée du secondaire, une réduction de 85 % de cette valeur ramènerait la concentration à environ 23,1 mg/L, conforme à la norme (≤ 25 mg/L).
Traitement tertiaire (nitrification/denitrification et précipitation chimique) :
- Pour l’azote total et le phosphore, des procédés spécifiques devront atteindre environ 70 à 90 % de réduction selon le polluant.
- Par exemple, pour le phosphore, une réduction de 80 % est nécessaire pour passer de 10 mg/L à 2 mg/L.
Filtration et désinfection :
- Assurer un polissage du rejet final en éliminant les particules résiduelles et en garantissant la qualité microbiologique.

4. Impact environnemental en cas de non-conformité

Le rejet d’eaux usées non traitées ou insuffisamment traitées peut avoir des conséquences environnementales majeures.

Impacts potentiels

Eutrophisation :
- Des concentrations élevées en phosphore et en azote peuvent favoriser la prolifération d’algues dans les milieux aquatiques, entraînant des phénomènes d’eutrophisation.
- Cela conduit à une diminution de la qualité de l’eau, à l’asphyxie des organismes aquatiques et à la perturbation des écosystèmes.
Pollution organique :
- Des niveaux élevés de DBO5 et DCO induisent une demande en oxygène accrue dans l’eau, ce qui peut entraîner une hypoxie (manque d’oxygène) dans les cours d’eau et affecter la faune aquatique.
Sédimentation excessive :
- Un rejet important de solides en suspension peut entraîner une sédimentation accrue dans les rivières et les lacs, modifiant les habitats et pouvant obstruer la circulation de l’eau.
Risque pour la santé humaine :
- L’eau contaminée peut être source de maladies si elle entre en contact avec des populations ou est utilisée à des fins récréatives ou agricoles.

5. Considérations supplémentaires

5.1. Variations saisonnières

Explication :
- Les débits d’eaux usées peuvent varier selon les saisons (par exemple, augmentation des précipitations ou périodes de sécheresse).
Gestion :
- Concevoir des bassins de stockage tampon pour gérer les pics de débit.
- Mettre en place des systèmes de contrôle automatisé pour ajuster le traitement en fonction du débit et de la charge polluante.

5.2. Croissance de la population

Explication :
- L’augmentation de la population entraîne une augmentation des débits et des charges polluantes, pouvant dépasser la capacité de traitement initialement conçue.
Gestion :
- Prévoir dès la conception une marge d’extension ou de redimensionnement de la station d’épuration.
- Mettre en place une surveillance régulière de la performance et planifier des investissements futurs en fonction de la croissance démographique.

5.3. Autres facteurs

Variations dans la composition des eaux usées :
- Les activités industrielles ou agricoles locales peuvent modifier la composition des polluants.
- Une surveillance régulière et une adaptation des procédés de traitement (ajustement des dosages de réactifs, modifications des temps de rétention) sont nécessaires.
Changements climatiques :
- Les événements climatiques extrêmes (inondations, sécheresses) peuvent perturber le fonctionnement de la station.
- Il est essentiel d’intégrer des systèmes de résilience et de gestion des risques dans la conception.

Conclusion

La conception d’une station d’épuration pour 20 000 habitants nécessite une analyse détaillée des flux de polluants et l’implémentation d’une chaîne de traitement en plusieurs étapes. Chaque étape doit être dimensionnée pour atteindre des taux de réduction élevés (entre 70 % et 90 % selon le polluant) afin de respecter les normes de rejet. Par ailleurs, il est indispensable de prendre en compte les variations saisonnières, la croissance de la population et d’autres facteurs externes afin d’assurer une performance constante et de minimiser l’impact environnemental.

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