Dimensionnement d'une Station de Traitement des Eaux Usées (STEP)
Contexte : L'assainissement collectif.
Une commune de 3 500 habitants doit concevoir une nouvelle station de traitement des eaux usées (STEP) pour répondre aux normes de rejet européennes. Le bon dimensionnement des ouvrages est crucial pour garantir un traitement efficace de la pollution, tout en maîtrisant les coûts de construction et d'exploitation. Cet exercice vous guidera à travers les étapes clés du prédimensionnement d'une filière de traitement classique par boues activées.
Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à traduire des données démographiques et des ratios de pollution en dimensions physiques pour les ouvrages majeurs d'une STEP, une compétence fondamentale en génie sanitaire.
Objectifs Pédagogiques
- Calculer la charge de pollution brute journalière en DBO5Demande Biochimique en Oxygène à 5 jours. C'est la quantité d'oxygène nécessaire aux micro-organismes pour dégrader la matière organique biodégradable dans l'eau. et MESMatières En Suspension. Ce sont les particules solides insolubles présentes dans l'eau..
- Déterminer les débits de référence pour le dimensionnement (débit moyen, débit de pointe).
- Dimensionner la surface d'un décanteur primaireOuvrage où les particules lourdes (boues) se déposent par gravité, retirant une partie de la pollution avant le traitement biologique..
- Calculer le volume nécessaire pour un bassin d'aération (traitement biologique).
Données de l'étude
Schéma de la filière de traitement
Visualisation 3D d'un décanteur circulaire
| Paramètre | Description | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Population | Nombre d'habitants raccordés | 3 500 | habitants |
| Dotation en eau | Consommation moyenne par habitant | 150 | L/hab/jour |
| Ratio DBO5 | Pollution organique par habitant | 60 | g/hab/jour |
| Ratio MES | Matières en suspension par habitant | 90 | g/hab/jour |
| Vitesse ascensionnelle | Vitesse de Hazen pour le décanteur | 1.5 | m/h |
| Charge massique (F/M) | Ratio "nourriture/micro-organismes" | 0.05 | kg DBO5/kg MVS.jour |
| Biomasse dans le bassin | Concentration en solides volatils (MVS) | 3 | g/L |
| Rendement décanteur | Efficacité sur la DBO5 / MES | 30% / 60% | % |
| Coefficient de pointe | Ratio débit de pointe / débit moyen | 2.5 | - |
Questions à traiter
- Calculer les flux de pollution journaliers bruts en DBO5 et en MES (en kg/jour).
- Déterminer le débit moyen journalier (en m³/jour) et le débit de pointe horaire (en m³/h).
- Dimensionner la surface requise pour le décanteur primaire.
- Calculer le volume nécessaire pour le bassin d'aération.
Les bases du dimensionnement en assainissement
Le dimensionnement d'une STEP repose sur l'évaluation des charges polluantes et des débits hydrauliques qu'elle devra traiter. Ces valeurs permettent de calculer les volumes et surfaces des différents ouvrages pour garantir les performances épuratoires requises.
1. Flux de pollution et Équivalent-Habitant (EH)
Le flux de pollution est la masse totale d'un polluant arrivant à la station par jour. On le calcule en multipliant la population par le ratio de pollution par habitant. L'unité de référence est l'Équivalent-Habitant (EH)Unité de mesure de la charge polluante. 1 EH correspond à la pollution organique (DBO5) produite par une personne en une journée, soit 60g de DBO5/jour., qui correspond à 60g de DBO5/jour.
\[ \text{Flux (kg/j)} = \frac{\text{Population} \times \text{Ratio (g/hab/j)}}{1000} \]
2. Dimensionnement des décanteurs
Un décanteur est dimensionné pour que les particules aient le temps de se déposer. On utilise la vitesse ascensionnelle (ou vitesse de Hazen), qui représente le débit maximum par unité de surface pour une bonne décantation. Le calcul se fait sur le débit de pointe.
\[ \text{Surface (m²)} = \frac{\text{Débit de pointe (m³/h)}}{\text{Vitesse ascensionnelle (m/h)}} \]
3. Dimensionnement du bassin d'aération
Le volume du bassin biologique est déterminé par la charge massique (F/M), qui est le rapport entre la "nourriture" (DBO5) à éliminer et la quantité de "mangeurs" (la biomasse, mesurée en MVS). Un faible ratio F/M indique un traitement plus poussé.
\[ V_{\text{(m³)}} = \frac{\text{Flux de DBO5}_{\text{entrant}} \text{ (kg/j)}}{\text{Charge massique} \times \text{Concentration Biomasse (kg/m³)}} \]
Correction : Dimensionnement d'une Station de Traitement des Eaux Usées
Question 1 : Calcul des flux de pollution journaliers
Principe
Le concept physique ici est de faire un bilan de masse. On cherche à quantifier la "charge" polluante totale, c'est-à-dire la masse de polluants (DBO5 et MES) que la collectivité rejette chaque jour et que la station devra éliminer.
Mini-Cours
La notion de "flux" est centrale en ingénierie de l'environnement. Un flux représente une quantité de matière (ou d'énergie) qui traverse une surface par unité de temps. Ici, le flux de pollution est la masse totale de DBO5 ou de MES produite par l'ensemble de la population sur une journée. Il est la pierre angulaire du dimensionnement de la filière de traitement.
Remarque Pédagogique
La première étape de tout problème de dimensionnement est toujours la même : quantifier ce qui entre. Ne vous lancez jamais dans le calcul d'un ouvrage sans avoir d'abord calculé les charges et débits entrants. C'est comme construire une maison sans connaître le nombre d'habitants !
Normes
Les ratios de 60 g/hab/j pour la DBO5 et 90 g/hab/j pour les MES sont des valeurs de référence couramment utilisées en France et en Europe pour les effluents domestiques. Elles sont issues de la directive européenne 91/271/CEE relative au traitement des eaux urbaines résiduaires, qui définit l'Équivalent-Habitant (EH)Unité de mesure de la charge polluante. 1 EH correspond à la pollution organique (DBO5) produite par une personne en une journée, soit 60g de DBO5/jour..
Formule(s)
Hypothèses
- La population raccordée est bien de 3 500 habitants.
- Les ratios de pollution sont considérés comme représentatifs de la population (pas d'industrie majeure rejetant des polluants spécifiques).
- La production de pollution est homogène sur l'ensemble de la population.
Donnée(s)
- Population = 3 500 habitants
- Ratio DBO5 = 60 g/hab/jour
- Ratio MES = 90 g/hab/jour
Astuces
Pour la DBO5, le calcul est simple : la charge en kg/j est égale à la population en EH. Puisque 1 EH = 60g de DBO5/j, une population de 3500 habitants représente 3500 EH, ce qui correspond à un flux de 3500 EH * 60 g/EH/j = 210 000 g/j = 210 kg/j.
Schéma (Avant les calculs)
Schéma conceptuel de la charge polluante
Calcul(s)
Calcul du flux de DBO5
Calcul du flux de MES
Schéma (Après les calculs)
Non pertinent pour cette question, car le résultat est une valeur numérique et non une distribution spatiale.
Réflexions
Ces deux chiffres, 210 kg de DBO5 et 315 kg de MES, représentent la "ration" quotidienne que la station devra traiter. La DBO5 correspond à la pollution dissoute et colloïdale, tandis que les MES représentent la pollution solide. On remarque que le flux de MES est 1.5 fois plus important que celui de DBO5, ce qui est typique pour des effluents domestiques.
Points de vigilance
L'erreur la plus commune est d'oublier de diviser par 1000 pour convertir les grammes en kilogrammes. Un résultat de 210 000 kg/j serait physiquement absurde pour une ville de cette taille.
Points à retenir
- La charge polluante est directement proportionnelle à la population.
- La formule de calcul du flux (Population x Ratio) est une base incontournable.
- L'unité de flux est une masse par unité de temps (ex: kg/jour).
Le saviez-vous ?
Le concept d'Équivalent-Habitant a été introduit pour pouvoir comparer la pollution générée par des industries à celle d'une population domestique. Une usine agro-alimentaire peut ainsi représenter une pollution de plusieurs dizaines de milliers d'EH, même si peu de personnes y travaillent.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Calculez le flux de DBO5 pour une ville voisine de 5000 habitants avec le même ratio.
Question 2 : Détermination des débits de référence
Principe
Ici, on s'intéresse au volume d'eau qui transporte la pollution. On doit déterminer le volume moyen journalier (pour dimensionner les traitements basés sur le temps, comme le bassin d'aération) et le débit horaire maximal, ou "débit de pointe" (pour dimensionner les ouvrages de transfert et de décantation qui doivent pouvoir "encaisser" les pics de débit).
Mini-Cours
Le débit dans un réseau d'assainissement n'est jamais constant. Il suit des cycles journaliers (faible la nuit, pics le matin et le soir) et hebdomadaires. Le "coefficient de pointe" est un facteur multiplicateur empirique qui permet d'estimer le débit maximal horaire à partir du débit moyen journalier. Il dépend de la taille de la ville, de la topographie et de l'état du réseau (présence d'eaux claires parasites).
Remarque Pédagogique
Distinguez bien la charge (en kg/j) du débit (en m³/j). La charge est la masse de polluant, le débit est le volume d'eau qui la transporte. On peut avoir un petit débit très chargé en pollution, ou un grand débit très dilué. Les deux paramètres sont essentiels et indépendants.
Normes
Les coefficients de pointe sont souvent fixés par des réglementations locales ou des guides techniques (par exemple, le fascicule 70 en France). Une valeur de 2.5 est courante pour des agglomérations de cette taille, mais elle peut être plus élevée pour de très petites communes et plus faible pour de grandes métropoles où les débits sont plus "lissés".
Formule(s)
Débit moyen journalier
Débit de pointe horaire
Hypothèses
- La dotation de 150 L/hab/j inclut les usages domestiques et une part des activités tertiaires et commerciales.
- Le coefficient de pointe de 2.5 est jugé adéquat et prend en compte les eaux claires parasites.
- On considère que 100% de l'eau consommée est rejetée au réseau d'assainissement.
Donnée(s)
- Population = 3 500 habitants
- Dotation en eau = 150 L/hab/jour
- Coefficient de pointe = 2.5
Astuces
Pour passer rapidement des m³/j en m³/h, il suffit de diviser par 24. Pour passer des m³/h en L/s (unité souvent utilisée en hydraulique), on multiplie par 1000 et on divise par 3600, soit en divisant simplement par 3.6.
Schéma (Avant les calculs)
Variation journalière du débit
Calcul(s)
Étape 1 : Calcul du débit moyen journalier (\(Q_{\text{moyen}}\))
Étape 2 : Calcul du débit de pointe horaire (\(Q_{\text{pointe, heure}}\))
Schéma (Après les calculs)
Non pertinent pour cette question.
Réflexions
La station devra traiter en moyenne 525 m³ chaque jour, mais elle doit être capable d'accepter un débit horaire de 54.7 m³/h sans déborder ni compromettre le traitement. Ce débit de pointe est presque 2.5 fois supérieur au débit horaire moyen (525/24 ≈ 21.9 m³/h), ce qui illustre bien la variabilité des flux à gérer.
Points de vigilance
Ne pas confondre le débit de pointe journalier (en m³/j) et le débit de pointe horaire (en m³/h). Les ouvrages hydrauliques (canaux, pompes) et les décanteurs sont toujours dimensionnés avec le débit de pointe HORAIRE, qui représente le flux instantané maximal.
Points à retenir
- Le débit moyen dépend de la consommation d'eau de la population.
- Le débit de pointe est une estimation du pic de débit horaire, calculé via un coefficient.
- Il est crucial de bien convertir les unités (L en m³, jour en heure).
Le saviez-vous ?
Les jours de forte pluie, le débit arrivant à une station peut être 5 à 10 fois supérieur au débit moyen, à cause des "eaux claires parasites" qui s'infiltrent dans des réseaux d'assainissement vieillissants. C'est un casse-tête majeur pour les exploitants.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Quel serait le débit de pointe horaire si le coefficient de pointe était de 3.0 ?
Question 3 : Dimensionnement du décanteur primaire
Principe
Le principe physique est la sédimentation. On veut que le décanteur soit assez grand pour que la vitesse de l'eau qui le traverse de bas en haut (vitesse ascensionnelle) soit plus faible que la vitesse de chute des particules que l'on veut éliminer. Si l'eau monte moins vite que les particules ne tombent, elles seront piégées.
Mini-Cours
La "vitesse de Hazen" (ou charge hydraulique superficielle) est un concept clé. Elle représente le débit appliqué par unité de surface horizontale du décanteur. Théoriquement, toutes les particules ayant une vitesse de chute supérieure à cette vitesse de Hazen seront éliminées à 100%. C'est pourquoi on dimensionne sur le cas le plus défavorable : le débit de pointe.
Remarque Pédagogique
Visualisez le décanteur comme un grand parking. Le débit de pointe est le nombre maximal de voitures qui arrivent par heure. La surface est la taille du parking. Si le parking est trop petit, il y aura des embouteillages et les voitures (les particules) n'auront pas le temps de "se garer" (décanter) et repartiront avec le flux sortant.
Normes
Les vitesses ascensionnelles de référence sont issues de la littérature technique et des retours d'expérience. Pour un décanteur primaire, une valeur de 1.5 m/h par temps sec est une valeur classique. Par temps de pluie, des vitesses plus élevées (jusqu'à 2.5 m/h) peuvent être tolérées temporairement.
Formule(s)
Hypothèses
- La répartition du débit sur toute la surface du décanteur est supposée parfaite.
- La vitesse ascensionnelle de 1.5 m/h est considérée comme une limite à ne pas dépasser pour garantir un bon abattement des MES.
Donnée(s)
- Débit de pointe horaire (\(Q_{\text{pointe, heure}}\)) = 54.7 m³/h
- Vitesse ascensionnelle (\(V_{\text{asc}}\)) = 1.5 m/h
Astuces
Le calcul est une simple division. Assurez-vous juste que les unités sont cohérentes (m³/h et m/h) pour obtenir une surface en m². C'est un calcul très direct.
Schéma (Avant les calculs)
Principe de la décantation
Calcul(s)
On applique directement la formule de Hazen :
Schéma (Après les calculs)
Dimensionnement du décanteur
Réflexions
Une surface de 36.5 m² est une dimension concrète. Un ingénieur peut alors proposer un ouvrage carré d'environ 6m x 6m, ou un ouvrage circulaire d'un diamètre d'environ 6.8m. Ce chiffre permet de passer du concept au plan.
Points de vigilance
Attention, la surface calculée est la surface horizontale de décantation (surface "mouillée"). Il ne faut pas la confondre avec l'emprise au sol totale de l'ouvrage, qui sera plus grande en incluant les murs et les zones de circulation.
Points à retenir
- Le dimensionnement d'un décanteur se base sur le débit de POINTE.
- La formule clé est S = Q/V (Surface = Débit / Vitesse).
- La vitesse de Hazen est un paramètre de conception fondamental.
Le saviez-vous ?
Les décanteurs modernes, dits "lamellaires", intègrent des plaques inclinées qui augmentent considérablement la surface de décantation disponible pour une même emprise au sol. Cela permet de construire des ouvrages beaucoup plus compacts.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Pour améliorer la décantation, on décide d'adopter une vitesse ascensionnelle plus faible de 1.2 m/h. Quelle serait la nouvelle surface requise ?
Question 4 : Calcul du volume du bassin d'aération
Principe
Le principe est de fournir un "temps de séjour" et un volume suffisants pour que les bactéries (la biomasse) aient le temps de consommer la pollution organique (la DBO5). La charge massique (F/M) est le paramètre qui régit cet équilibre : c'est la "ration" de nourriture (F pour Food, la DBO5) que l'on donne chaque jour à notre population de bactéries (M pour Microorganism, la biomasse).
Mini-Cours
Une charge massique faible (comme 0.05 kg DBO5/kg MVS.j) signifie qu'on a beaucoup de bactéries pour peu de nourriture. Elles sont "affamées" et vont donc réaliser un traitement très poussé, en consommant la quasi-totalité de la DBO5. Cela nécessite un grand volume de bassin pour héberger toutes ces bactéries. Inversement, une charge massique élevée correspond à un traitement moins poussé dans un bassin plus petit.
Remarque Pédagogique
Le décanteur primaire a déjà retiré une partie de la pollution. Il est donc essentiel de calculer le volume du bassin d'aération sur la base du flux de DBO5 qui SORT du décanteur, et non du flux brut. C'est une erreur classique de l'oublier !
Normes
Les valeurs de charge massique sont des choix de conception qui dépendent du niveau de traitement visé. Pour une élimination standard du carbone, les valeurs sont entre 0.15 et 0.4. Pour une élimination de l'azote (nitrification), on descend à des charges plus faibles, typiquement entre 0.04 et 0.10 kg DBO5/kg MVS.j. La valeur de 0.05 choisie ici indique que l'on vise un traitement poussé.
Formule(s)
Hypothèses
- Le rendement du décanteur primaire sur la DBO5 est constant et égal à 30%.
- La concentration en biomasse (MVS, notée ici \(X_v\)) dans le bassin d'aération peut être maintenue constante à 3 g/L.
- La charge massique de 0.05 est la cible de conception pour atteindre les objectifs de traitement.
Donnée(s)
- Flux DBO5 brut = 210 kg/j
- Rendement décanteur sur DBO5 = 30%
- Charge Massique (F/M) = 0.05 kg DBO5/kg MVS.j
- Concentration en biomasse (\(X_v\)) = 3 g/L
Astuces
L'étape la plus délicate est la gestion des unités. Pensez à convertir la concentration en biomasse de g/L en kg/m³. Le calcul est simple : 1 g/L = 1 kg/m³. Une fois cette conversion faite, toutes les unités s'annulent pour donner un volume en m³.
Schéma (Avant les calculs)
Bilan de masse sur le bassin d'aération
Calcul(s)
Étape 1 : Calcul de la DBO5 en sortie du décanteur primaire
Étape 2 : Conversion de la concentration en biomasse
Étape 3 : Calcul du volume du bassin
Schéma (Après les calculs)
Volume du bassin d'aération
Réflexions
Un volume de 980 m³ est conséquent. Cela correspond par exemple à un bassin de 20m de long, 10m de large et presque 5m de profondeur. Ce calcul montre comment un choix de conception (la charge massique) a un impact direct et majeur sur la taille (et donc le coût) des ouvrages de génie civil.
Points de vigilance
Trois erreurs classiques : 1) Oublier le rendement du décanteur primaire et utiliser le flux de DBO5 brut. 2) Se tromper dans la conversion des unités de la biomasse (g/L en kg/m³). 3) Inverser la charge massique dans la formule (multiplier au lieu de diviser).
Points à retenir
- Le volume du bassin d'aération dépend du flux de DBO5 à traiter (après traitement primaire).
- La charge massique (F/M) est le paramètre de conception clé qui lie la pollution entrante, la biomasse et le volume.
- Une charge massique faible implique un grand volume et un traitement poussé.
Le saviez-vous ?
L'aération des bassins est le premier poste de consommation d'énergie d'une station d'épuration, représentant souvent plus de 50% de la facture d'électricité. Optimiser le volume et le système d'aération est donc un enjeu économique et écologique majeur.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Si l'on vise un traitement plus poussé (nitrification) en adoptant une charge massique plus faible de 0.04, quel serait le nouveau volume nécessaire ?
Outil Interactif : Simulateur de Dimensionnement
Utilisez cet outil pour voir comment la taille de la population et la charge polluante individuelle influencent directement la taille des ouvrages de la station.
Paramètres d'Entrée
Résultats Clés
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Quel est l'objectif principal du décanteur primaire ?
2. Une faible valeur de charge massique (F/M) dans un bassin d'aération signifie que :
Glossaire
- Boues activées
- Culture mixte de micro-organismes (bactéries, protozoaires) utilisée pour dégrader la pollution dans les bassins d'aération. C'est la "biomasse" de la station.
- Charge Massique (F/M)
- Rapport entre la masse de DBO5 entrant dans le bassin par jour (Food) et la masse totale de micro-organismes (MVS) dans le bassin (Microorganism). C'est un paramètre clé pour piloter le traitement biologique.
- DBO5 (Demande Biochimique en Oxygène)
- Quantité d'oxygène consommée par les micro-organismes pour dégrader la matière organique biodégradable en 5 jours à 20°C. C'est le principal indicateur de la pollution organique.
- Décanteur Primaire
- Ouvrage de traitement physique où, par simple gravité, les matières les plus lourdes se déposent au fond pour former les boues primaires.
- Équivalent-Habitant (EH)
- Unité de mesure standardisée de la pollution, représentant la charge moyenne produite par une personne par jour. Par convention, 1 EH = 60 g de DBO5 par jour.
- MES (Matières En Suspension)
- Ensemble des particules solides, minérales ou organiques, qui ne sont pas dissoutes dans l'eau et peuvent être retirées par filtration ou décantation.
D’autres exercices d’assainissement :
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