Études de cas pratique

EGC

Systèmes unitaires et séparatifs

Systèmes Unitaires et Séparatifs en Assainissement

Systèmes Unitaires et Séparatifs en Assainissement

Comprendre les Systèmes Unitaires et Séparatifs

L'assainissement des eaux usées et la gestion des eaux pluviales en milieu urbain peuvent être réalisés selon deux grands types de systèmes de collecte : le système unitaire et le système séparatif. Le système unitaire collecte conjointement les eaux usées (domestiques, industrielles) et les eaux pluviales dans une seule et même canalisation vers la station d'épuration. Le système séparatif, quant à lui, dispose de deux réseaux distincts : l'un pour les eaux usées, acheminées vers la station d'épuration, et l'autre pour les eaux pluviales, généralement rejetées directement dans le milieu naturel (après un éventuel traitement sommaire) ou infiltrées. Le choix entre ces deux systèmes dépend de nombreux facteurs, incluant l'urbanisme, la topographie, les coûts, et les objectifs environnementaux.

Données de l'étude

Une nouvelle zone d'aménagement de 12 hectares est prévue. On évalue les implications du choix entre un système unitaire et un système séparatif pour la gestion des eaux.

Schéma Comparatif des Systèmes d'Assainissement
Système Séparatif Habitation Habitation EU EP STEP Milieu Naturel Système Unitaire Habitation Habitation EU+EP STEP Comparaison des Systèmes de Collecte Eaux Usées (EU) Eaux Pluviales (EP) Flux Unitaire Station d'Épuration (STEP)

Schéma illustrant le principe des systèmes séparatif et unitaire.

Tableau : Données de la Zone d'Aménagement
Paramètre Valeur Unité
Surface totale de la zone (Atot) 12 hectares (ha)
Pourcentage de surface imperméabilisée (Imp) 45 %
Coefficient de ruissellement moyen des surfaces imperméabilisées (Cimp) 0.9 -
Coefficient de ruissellement moyen des surfaces perméables (Cperm) 0.2 -
Intensité pluviométrique de projet (i) 55 mm/h
Débit moyen d'eaux usées de temps sec (QEU,sec) 240 m³/jour
Capacité maximale de traitement de la STEP avant déversement (pour système unitaire) 3 x QEU,sec -

Rappels : 1 ha = 10 000 m² ; \(Q (\text{m³/s}) = \frac{C \cdot i (\text{mm/h}) \cdot A (\text{m²})}{3.6 \times 10^6}\)

Questions à traiter

  1. Calculer la surface imperméabilisée (Aimp) et la surface perméable (Aperm) de la zone en m².
  2. Calculer le coefficient de ruissellement pondéré (Cpond) pour l'ensemble de la zone.
  3. Calculer le débit de pointe des eaux pluviales (QEP,pointe) généré par la zone en m³/s, en utilisant la méthode rationnelle.
  4. Si un système unitaire est mis en place, quel serait le débit total arrivant à la station d'épuration (Qunitaire,pointe) en m³/s pendant l'événement pluvieux de projet ? (Convertir QEU,sec en m³/s).
  5. Comparer ce Qunitaire,pointe à la capacité maximale de traitement de la STEP avant déversement. Y aurait-il un risque de déversement d'orage ?
  6. Quels sont les principaux avantages d'un système séparatif par rapport à un système unitaire dans le contexte de la protection des milieux aquatiques ?

Correction : Systèmes Unitaires et Séparatifs

Question 1 : Calcul des Surfaces Imperméabilisée et Perméable

Principe :

La surface totale est connue, ainsi que le pourcentage de surface imperméabilisée. La surface perméable est le complément.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ A_{\text{imp}} = A_{\text{tot}} \times \frac{\text{Imp}}{100} \]
\[ A_{\text{perm}} = A_{\text{tot}} - A_{\text{imp}} \]
Données spécifiques :
  • Surface totale (Atot) = \(12 \, \text{ha} = 12 \times 10000 \, \text{m²} = 120000 \, \text{m²}\)
  • Pourcentage imperméabilisé (Imp) = \(45\%\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} A_{\text{imp}} &= 120000 \, \text{m²} \times \frac{45}{100} \\ &= 120000 \times 0.45 \\ &= 54000 \, \text{m²} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} A_{\text{perm}} &= 120000 \, \text{m²} - 54000 \, \text{m²} \\ &= 66000 \, \text{m²} \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : La surface imperméabilisée (Aimp) est de \(54000 \, \text{m²}\) et la surface perméable (Aperm) est de \(66000 \, \text{m²}\).

Question 2 : Coefficient de Ruissellement Pondéré (Cpond)

Principe :

Le coefficient de ruissellement pondéré pour une zone hétérogène est la moyenne des coefficients de ruissellement de chaque type de surface, pondérée par leurs surfaces respectives.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ C_{\text{pond}} = \frac{(C_{\text{imp}} \times A_{\text{imp}}) + (C_{\text{perm}} \times A_{\text{perm}})}{A_{\text{tot}}} \]
Données spécifiques :
  • Cimp = \(0.9\)
  • Aimp = \(54000 \, \text{m²}\)
  • Cperm = \(0.2\)
  • Aperm = \(66000 \, \text{m²}\)
  • Atot = \(120000 \, \text{m²}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} C_{\text{pond}} &= \frac{(0.9 \times 54000) + (0.2 \times 66000)}{120000} \\ &= \frac{48600 + 13200}{120000} \\ &= \frac{61800}{120000} \\ &= 0.515 \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : Le coefficient de ruissellement pondéré (Cpond) pour l'ensemble de la zone est de \(0.515\).

Question 3 : Débit de Pointe des Eaux Pluviales (QEP,pointe)

Principe :

On utilise la méthode rationnelle avec le coefficient de ruissellement pondéré et l'intensité de pluie de projet.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ Q_{\text{EP,pointe}} (\text{m³/s}) = \frac{C_{\text{pond}} \cdot i (\text{mm/h}) \cdot A_{\text{tot}} (\text{m²})}{3.6 \times 10^6} \]
Données spécifiques :
  • Cpond = \(0.515\) (calculé à la Q2)
  • Intensité pluviométrique (i) = \(55 \, \text{mm/h}\)
  • Surface totale (Atot) = \(120000 \, \text{m²}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} Q_{\text{EP,pointe}} &= \frac{0.515 \times 55 \times 120000}{3.6 \times 10^6} \\ &= \frac{3399000}{3600000} \\ &\approx 0.944 \, \text{m³/s} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : Le débit de pointe des eaux pluviales (QEP,pointe) est d'environ \(0.944 \, \text{m³/s}\).

Quiz Intermédiaire 1 : Si le coefficient de ruissellement pondéré (Cpond) était de 0.7 au lieu de 0.515 (autres données inchangées), le débit de pointe des eaux pluviales (QEP,pointe) serait :

Question 4 : Débit Total en Système Unitaire (Qunitaire,pointe)

Principe :

En système unitaire, le débit total arrivant à la station par temps de pluie est la somme du débit des eaux usées (temps sec) et du débit des eaux pluviales de pointe.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ Q_{\text{unitaire,pointe}} = Q_{\text{EU,sec}} + Q_{\text{EP,pointe}} \]
Données spécifiques :
  • Débit moyen d'eaux usées de temps sec (QEU,sec) = \(240 \, \text{m³/jour}\)
  • Débit de pointe des eaux pluviales (QEP,pointe) \(\approx 0.944 \, \text{m³/s}\) (calculé à la Q3)
Calcul :

Conversion de QEU,sec en m³/s :

\[ \begin{aligned} Q_{\text{EU,sec}} (\text{m³/s}) &= \frac{240 \, \text{m³/jour}}{24 \, \text{h/jour} \times 3600 \, \text{s/h}} \\ &= \frac{240}{86400} \, \text{m³/s} \\ &\approx 0.002778 \, \text{m³/s} \end{aligned} \]

Calcul du débit total unitaire de pointe :

\[ \begin{aligned} Q_{\text{unitaire,pointe}} &= 0.002778 \, \text{m³/s} + 0.944 \, \text{m³/s} \\ &\approx 0.946778 \, \text{m³/s} \\ &\approx 0.947 \, \text{m³/s} \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : Le débit total arrivant à la station en système unitaire (Qunitaire,pointe) serait d'environ \(0.947 \, \text{m³/s}\).

Question 5 : Comparaison à la Capacité de la STEP et Risque de Déversement

Principe :

On compare le débit de pointe en système unitaire à la capacité maximale de la station d'épuration (STEP) avant qu'un déversement d'orage ne se produise.

Données spécifiques :
  • Qunitaire,pointe \(\approx 0.947 \, \text{m³/s}\) (calculé à la Q4)
  • QEU,sec \(\approx 0.002778 \, \text{m³/s}\)
  • Capacité maximale STEP = \(3 \times Q_{\text{EU,sec}}\)
Calcul :

Calcul de la capacité maximale de la STEP en m³/s :

\[ \begin{aligned} \text{Capacité STEP}_{\text{max}} &= 3 \times 0.002778 \, \text{m³/s} \\ &\approx 0.008334 \, \text{m³/s} \end{aligned} \]

Comparaison :

\(Q_{\text{unitaire,pointe}} \approx 0.947 \, \text{m³/s}\)

\(\text{Capacité STEP}_{\text{max}} \approx 0.008334 \, \text{m³/s}\)

Puisque \(0.947 \, \text{m³/s} \gg 0.008334 \, \text{m³/s}\), le débit de pointe en système unitaire dépasse très largement la capacité maximale de la STEP.

Résultat Question 5 : Oui, il y aurait un risque majeur de déversement d'orage. Le débit de pointe en système unitaire (\(\approx 0.947 \, \text{m³/s}\)) est significativement plus élevé que la capacité maximale de traitement de la STEP avant déversement (\(\approx 0.0083 \, \text{m³/s}\)).

Quiz Intermédiaire 2 : Un déversoir d'orage en système unitaire sert principalement à :

Question 6 : Avantages d'un Système Séparatif pour la Protection des Milieux Aquatiques

Principe :

Le système séparatif vise à gérer différemment les eaux usées (polluées) et les eaux pluviales (généralement moins polluées, mais pouvant charrier des polluants de surface).

Analyse :

Les principaux avantages d'un système séparatif pour la protection des milieux aquatiques sont :

  • Réduction des déversements d'eaux usées non traitées : En système unitaire, lors de fortes pluies, le mélange eaux usées/eaux pluviales peut excéder la capacité de la STEP, conduisant à des rejets directs (via déversoirs d'orage) d'eaux usées diluées mais non traitées dans le milieu naturel. Le système séparatif évite cela en traitant l'intégralité du flux d'eaux usées collectées.
  • Meilleure efficacité de la station d'épuration : La STEP en système séparatif reçoit un débit plus constant et moins dilué d'eaux usées, ce qui permet d'optimiser son dimensionnement et son fonctionnement pour une meilleure élimination des polluants spécifiques aux eaux usées. Les variations brusques de débit et de charge liées aux pluies en système unitaire peuvent perturber les processus biologiques de la STEP.
  • Possibilité de gestion à la source et de valorisation des eaux pluviales : Le réseau séparatif d'eaux pluviales permet de mettre en œuvre des techniques de gestion alternatives des eaux de pluie (infiltration, noues, toitures végétalisées, réutilisation) qui réduisent les volumes rejetés et favorisent la recharge des nappes, tout en limitant le transport de polluants vers les milieux récepteurs.
  • Moindre pollution des milieux par les eaux pluviales (si bien gérées) : Bien que les eaux pluviales urbaines ne soient pas "propres" (elles charrient des polluants de voirie, des hydrocarbures, des métaux lourds), leur rejet direct (parfois après un traitement sommaire comme la décantation ou la déshuilage) est souvent considéré comme moins impactant que le rejet d'un mélange contenant des eaux usées brutes. Des techniques de traitement spécifiques aux eaux pluviales peuvent être mises en place plus facilement.
Résultat Question 6 : Les principaux avantages d'un système séparatif incluent la réduction significative des déversements d'eaux usées non traitées en temps de pluie, une meilleure efficacité et un dimensionnement plus adapté des stations d'épuration, et la possibilité de gérer les eaux pluviales de manière plus durable (infiltration, réutilisation).

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. Un système unitaire collecte :

2. L'un des principaux inconvénients d'un système unitaire est :

3. Le débit de temps sec dans un réseau d'assainissement correspond principalement :

4. En système séparatif, les eaux pluviales sont généralement :

Glossaire

Système Unitaire
Réseau d'assainissement qui collecte les eaux usées (domestiques, industrielles) et les eaux pluviales dans une seule et même canalisation. Ces eaux mélangées sont ensuite acheminées vers une station d'épuration.
Système Séparatif
Réseau d'assainissement constitué de deux canalisations distinctes : l'une pour les eaux usées, qui sont dirigées vers une station d'épuration, et l'autre pour les eaux pluviales, qui sont généralement rejetées dans le milieu naturel ou infiltrées.
Eaux Usées (EU)
Eaux altérées par les activités humaines (domestiques, industrielles, agricoles, etc.) et nécessitant un traitement avant rejet dans le milieu naturel.
Eaux Pluviales (EP)
Eaux issues des précipitations atmosphériques qui ruissellent sur les surfaces imperméabilisées ou s'infiltrent dans le sol.
Débit de Temps Sec (QEU,sec)
Débit d'eaux usées circulant dans un réseau d'assainissement en l'absence de précipitations. Il correspond principalement aux rejets domestiques et industriels.
Débit de Temps de Pluie
Débit total circulant dans un réseau d'assainissement pendant un événement pluvieux. En système unitaire, il s'agit du mélange des eaux usées et des eaux pluviales. En système séparatif, il s'agit du débit dans le réseau d'eaux pluviales.
Déversoir d'Orage
Ouvrage intégré aux systèmes unitaires, conçu pour délester le réseau et la station d'épuration en cas de fortes pluies, en rejetant une partie du flux (mélange d'eaux usées et pluviales) directement dans le milieu naturel pour éviter les inondations ou la surcharge de la STEP.
Station d'Épuration (STEP ou WWTP)
Installation destinée à traiter les eaux usées pour réduire leur charge polluante avant leur rejet dans le milieu naturel.
Systèmes Unitaires et Séparatifs - Exercice d'Application

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