Station de Traitement des Eaux Usées

Station de Traitement des Eaux Usées (STEP)

Comprendre la station de traitement des eaux usées (STEP)

Vous êtes un ingénieur en environnement chargé de concevoir une petite STEP pour une communauté rurale de 5000 habitants. Chaque habitant produit en moyenne 150 litres d’eaux usées par jour. La STEP doit être capable de traiter ces eaux usées pour atteindre les normes environnementales requises.

Pour comprendre le Calcul de la quantité de MES à retirer, cliquez sur le lien.

Données :

Population desservie : 5000 habitants
Production moyenne d’eaux usées par habitant : 150 L/jour
Les eaux usées contiennent en moyenne 300 mg/L de DBO5 (Demande Biochimique en Oxygène sur 5 jours), 350 mg/L de DCO (Demande Chimique en Oxygène), et 40 mg/L de N-NH4 (Ammonium).
Les normes de rejet pour la STEP sont de 25 mg/L pour la DBO5, 125 mg/L pour la DCO et 10 mg/L pour le N-NH4.

Questions :

Calcul du débit journalier des eaux usées : Calculez le volume total des eaux usées produites par jour.
Conception du bassin de traitement biologique : Pour simplifier, supposons que la STEP utilise un bassin d’aération pour réduire la DBO5 et la DCO. Un taux d’élimination de 90% pour la DBO5 et de 70% pour la DCO est attendu.
- Calculez la charge polluante entrante en DBO5 et DCO (en kg/jour).
- Déterminez la charge polluante restante après traitement.
Traitement de l’azote : Pour le traitement de l’azote, la STEP utilise un procédé de nitrification/dénitrification. Supposons un taux d’élimination de 75% pour l’ammonium.
- Calculez la quantité d’ammonium entrant et sortant du procédé.
Dimensionnement des infrastructures : En se basant sur les résultats des questions précédentes, proposez des dimensions approximatives pour les bassins de traitement (vous pouvez utiliser des standards ou des ratios typiques de conception).
Réflexion sur les traitements complémentaires : Quels autres traitements pourraient être nécessaires pour assurer le respect des normes de rejet ? Pensez aux traitements physiques, chimiques ou biologiques supplémentaires.

Correction : station de traitement des eaux usées (STEP)

1. Calcul du débit journalier des eaux usées

Chaque habitant produit 150 L d’eaux usées par jour. Pour connaître le volume total quotidien, il suffit de multiplier le nombre d’habitants par la production individuelle.

Formule :

\[ Q_{\text{total}} = \text{Population} \times \text{Production par habitant} \]

Données :

Population desservie : 5000 habitants
Production par habitant : 150 L/jour

Calcul :

\[ Q_{\text{total}} = 5000 \times 150 \] \[ Q_{\text{total}} = 750\,000 \text{ L/jour} \]

Comme \(1 \text{ m}^3 = 1000 \text{ L}\), cela correspond aussi à :

\[ Q_{\text{total}} = \frac{750\,000}{1000} \] \[ Q_{\text{total}} = 750 \text{ m}^3/\text{jour} \]

Résultat :
Le débit journalier des eaux usées est de 750 000 L/jour (soit 750 m³/jour).

2. Conception du bassin de traitement biologique

2.1. Calcul de la charge polluante entrante en DBO5 et DCO

Pour la DBO5

La charge polluante entrante se calcule en multipliant la concentration (en mg/L) par le volume d’eaux usées (en L/jour), puis en convertissant les mg en kg.

Formule :

\[ \text{Charge (kg/jour)} = \frac{\text{Concentration (mg/L)} \times \text{Volume (L/jour)}}{1\,000\,000} \]

Données :

Concentration en DBO5 : 300 mg/L
Volume : 750 000 L/jour

Calcul :

\[ \text{Charge}_{\text{DBO5}} = \frac{300 \times 750\,000}{1\,000\,000} \] \[ \text{Charge}_{\text{DBO5}} = \frac{225\,000\,000}{1\,000\,000} \] \[ \text{Charge}_{\text{DBO5}} = 225 \text{ kg/jour} \]

Résultat :
La charge entrante de DBO5 est de 225 kg/jour.

Pour la DCO

Données :

Concentration en DCO : 350 mg/L
Volume : 750 000 L/jour

Calcul :

\[ \text{Charge}_{\text{DCO}} = \frac{350 \times 750\,000}{1\,000\,000} \] \[ \text{Charge}_{\text{DCO}} = \frac{262\,500\,000}{1\,000\,000} \] \[ \text{Charge}_{\text{DCO}} = 262,5 \text{ kg/jour} \]

Résultat :
La charge entrante de DCO est de 262,5 kg/jour.

2.2. Détermination de la charge polluante restante après traitement

Pour la DBO5

Le bassin d’aération doit éliminer 90% de la DBO5. Ainsi, il reste 10% de la charge initiale.

Formule :

\[ \text{Charge restante} = (1 – \text{Taux d’élimination}) \times \text{Charge entrante} \]

Données :

Charge_DBO5 initiale : 225 kg/jour
Taux d’élimination : 90 % → 0,90

Calcul :

\[ \text{Charge restante}_{\text{DBO5}} = (1 – 0,90) \times 225 \] \[ \text{Charge restante}_{\text{DBO5}} = 0,10 \times 225 \] \[ \text{Charge restante}_{\text{DBO5}} = 22,5 \text{ kg/jour} \]

Résultat :
La charge restante de DBO5 après traitement est de 22,5 kg/jour.

Pour la DCO

Le bassin élimine 70% de la DCO, donc 30% reste.

Données :

Charge_DCO initiale : 262,5 kg/jour
Taux d’élimination : 70 % → 0,70

Calcul :

\[ \text{Charge restante}_{\text{DCO}} = (1 – 0,70) \times 262,5 \] \[ \text{Charge restante}_{\text{DCO}} = 0,30 \times 262,5 \] \[ \text{Charge restante}_{\text{DCO}} = 78,75 \text{ kg/jour} \]

Résultat :
La charge restante de DCO après traitement est de 78,75 kg/jour.

3. Traitement de l’azote

Pour le traitement de l’azote, la STEP utilise un procédé de nitrification/dénitrification visant à éliminer 75% de l’ammonium présent.

Calcul de la charge entrante d’ammonium

Formule :

\[ \text{Charge}_{\text{NH}_4} \text{ (kg/jour)} = \frac{\text{Concentration (mg/L)} \times \text{Volume (L/jour)}}{1\,000\,000} \]

Données :

Concentration en N-NH4 : 40 mg/L
Volume : 750 000 L/jour

Calcul :

\[ \text{Charge}_{\text{NH}_4,\text{entrant}} = \frac{40 \times 750\,000}{1\,000\,000} \] \[ \text{Charge}_{\text{NH}_4,\text{entrant}} = \frac{30\,000\,000}{1\,000\,000} \] \[ \text{Charge}_{\text{NH}_4,\text{entrant}} = 30 \text{ kg/jour} \]

Application du taux d’élimination

Données :

Taux d’élimination : 75 % → 0,75
Reste après traitement : 25 % → 0,25

Calcul :

\[ \text{Charge}_{\text{NH}_4,\text{sortant}} = 0,25 \times 30 \] \[ \text{Charge}_{\text{NH}_4,\text{sortant}} = 7,5 \text{ kg/jour} \]

Résultats :

Ammonium entrant : 30 kg/jour
Ammonium sortant : 7,5 kg/jour

4. Dimensionnement des infrastructures

Dimensionnement du bassin d’aération (traitement biologique)

Le dimensionnement repose sur le temps de rétention hydraulique (TRH), qui est le temps moyen pendant lequel l’eau reste dans le bassin. Pour un bassin d’aération, un TRH typique est de 6 heures.

Formule :

\[ \text{Volume du bassin} = \text{Débit journalier} \times \left(\frac{\text{TRH}}{24}\right) \]

Données :

Débit journalier : 750 m³/jour
TRH choisi : 6 heures

Calcul :

\[ \text{Volume} = 750 \times \frac{6}{24} \] \[ \text{Volume} = 750 \times 0,25 \] \[ \text{Volume} = 187,5 \text{ m}^3 \]

Résultat :
Le bassin d’aération doit avoir un volume d’environ 187,5 m³.

Proposition de dimensions concrètes :

Si l’on choisit une profondeur standard de 2,5 m :

Formule :

\[ \text{Surface} = \frac{\text{Volume}}{\text{Profondeur}} \]

Calcul :

\[ \text{Surface} = \frac{187,5}{2,5} = 75 \text{ m}^2 \]

Pour une forme carrée, la longueur d’un côté :

\[ \text{Longueur} = \sqrt{75} \approx 8,66 \text{ m} \]

Résultat : Bassin d’environ 8,7 m × 8,7 m avec une profondeur de 2,5 m

Dimensionnement du bassin de nitrification/dénitrification

Pour le procédé de nitrification/dénitrification, on peut adopter un TRH similaire (environ 6 heures) pour assurer le temps de réaction nécessaire, tout en prévoyant une marge de sécurité.

Calcul :

\[ \text{Volume} \approx 750 \text{ m}^3/\text{jour} \times \frac{6}{24} \] \[ \text{Volume} = 187,5 \text{ m}^3 \]

Pour intégrer une marge de sécurité et des variations de charge, on peut arrondir ce volume à environ 200 m³.

Si l’on conserve la profondeur de 2,5 m :

Calcul :

\[ \text{Surface} = \frac{200}{2,5} = 80 \text{ m}^2 \]

Pour une forme carrée, la longueur d’un côté :

\[ \text{Longueur} = \sqrt{80} \approx 8,94 \text{ m} \]

Résultat : Bassin de nitrification/dénitrification d’environ 8,9 m × 8,9 m avec une profondeur de 2,5 m

5. Réflexion sur les traitements complémentaires

Pour assurer que les normes de rejet soient respectées (DBO5 \(\leq\) 25 mg/L, DCO \(\leq\) 125 mg/L, N-NH\(_4\) \(\leq\) 10 mg/L), des traitements supplémentaires peuvent être envisagés en complément du traitement biologique et du procédé de nitrification/dénitrification.

Propositions de traitements complémentaires :

Traitements physiques :
- Décantation/Clarification : Pour éliminer les solides en suspension et réduire la turbidité de l’eau traitée.
Traitements chimiques :
- Coagulation-Floculation : Pour favoriser l’agrégation et la sédimentation des particules fines.
- Désinfection : Par chloration ou par rayonnement ultraviolet (UV) afin de détruire les microorganismes pathogènes.
Traitements biologiques complémentaires :
- Filtres biologiques ou lits plantés : Pour améliorer l’élimination des nutriments résiduels (notamment si une déphosphatation est nécessaire).

Résultat :
L’intégration de ces traitements complémentaires permettra d’optimiser la qualité de l’eau traitée et de garantir le respect strict des normes environnementales en cas de variations de charge ou de fonctionnement.

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D’autres exercices d’assainissement :