D462 Cours Procédés

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Chapitre 1 - Typologie des eaux résiduaires............................................................................................................4 1.0. Introduction.............................................................................................................................................4 1.1. Généralités...............................................................................................................................................4 1.1.1. Classification des eaux....................................................................................................................4 1.1.2. Définition des systèmes d’assainissement.......................................................................................5 1.1.3. Choix d’un système d’assainissement.............................................................................................5 1.2. Caractéristiques d’une eau résiduaire urbaine (ERU).............................................................................6 1.2.1. Généralités - Définitions.................................................................................................................6 1.2.2. Notion d’équivalent habitant...........................................................................................................8 1.2.3. Caractérisation de la pollution.........................................................................................................8 1.2.4. Quantités à traiter............................................................................................................................9 1.3. Exigences épuratoires – Objectifs de qualité........................................................................................10 1.4. Réutilisation des eaux usées..................................................................................................................10 1.5. Les effluents industriels.........................................................................................................................10 Chapitre 2 – Généralités sur le traitement des eaux..............................................................................................12 2.1. Introduction...........................................................................................................................................12 2.2. Conception d’une station d’épuration...................................................................................................12 2.3. Schéma général d’une station d’épuration (STEP) ou unité de traitement...........................................13 2.4. En résumé..............................................................................................................................................13 Chapitre 3 – Les prétraitements............................................................................................................................14 3.1. Poste de relevage...................................................................................................................................14 3.2. Dégrillage..............................................................................................................................................14 3.3. Tamisage................................................................................................................................................15 3.4. Dessablage.............................................................................................................................................15 3.5. Dégraissage et déshuilage.....................................................................................................................15 3.6. Evacuation et traitement des sous-produits..........................................................................................16 Chapitre 4 – Traitements physico-chimiques........................................................................................................17 4.0. Introduction...........................................................................................................................................17 4.1. La coagulation - floculation.................................................................................................................17 4.1.1. Coagulation...................................................................................................................................17 4.1.2. Floculation.....................................................................................................................................18 4.2. La décantation.......................................................................................................................................18 4.3. La flottation...........................................................................................................................................19 Chapitre 5 - Procédés biologiques – Notions de base...........................................................................................20 5.0. Introduction...........................................................................................................................................20 5.0.1. Principe de l’autoépuration...........................................................................................................20 5.0.2. Principe de l’épuration biologique................................................................................................20 5.0.3. Définitions.....................................................................................................................................20 5.1. Notion de biomasse...............................................................................................................................21 5.1.1. Développement théorique d’une culture bactérienne....................................................................21 5.1.2. Application aux eaux usées (ERU)...............................................................................................22 5.1.3. Biodégradabilité de la pollution....................................................................................................22 5.2. Cultures bactériennes aérobies..............................................................................................................23 5.2.1. Elimination du carbone.................................................................................................................23 5.2.2. Elimination de l’azote...................................................................................................................23 5.2.3. Types de procédés de nitrification – dénitrification pour les ERU...............................................25 5.3. Cultures bactériennes anaérobies..........................................................................................................26 5.3.1. Déphosphatation biologique..........................................................................................................27 5.3.2. Méthanisation – Digestion anaérobie des boues...........................................................................28 5.4. Synthèse................................................................................................................................................29 6. Procédés biologiques – Epuration par cultures libres...................................................................................30 6.1. Principe de l’épuration par cultures libres.............................................................................................30 6.1.1. L’épuration par cultures libres.......................................................................................................30 6.1.2. Filières de traitement par cultures libres.......................................................................................30 6.1.3. Les matières de vidange................................................................................................................31 6.2. La décantation primaire.........................................................................................................................31

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6.2.1. Techniques et équipements............................................................................................................32 6.2.2. Observations, interprétations, interventions..................................................................................32 6.3. Le traitement par cultures libres – Boues activées................................................................................32 6.3.1. Techniques et équipements............................................................................................................32 6.3.2. Caractéristiques du fonctionnement..............................................................................................38 6.3.3. Observations, mesures et interventions.........................................................................................40 6.4. La clarification......................................................................................................................................43 6.4.1. Techniques et équipements............................................................................................................43 6.4.2. Observations, mesures et interventions.........................................................................................45 6.5. Solutions extensives..............................................................................................................................47 6.5.1. Le lagunage naturel.......................................................................................................................47 6.5.2. Le lagunage aéré............................................................................................................................47 6.5.3. Epuration par le sol.......................................................................................................................48 6.6. Principaux dysfonctionnements de l’épuration par cultures libres.......................................................48 6.6.1. Dégrilleur : bypass par colmatage de la grille...............................................................................49 6.6.2. Dégraisseur : dépôts excessifs en fond d’ouvrage........................................................................49 6.6.3. Bassin d’aération : boues noircissantes et malodorantes..............................................................50 6.6.4. Bassin d’aération : apparition de boues biologiques.....................................................................50 6.6.5. Bassin d’aération : mousses blanches sur le bassin.......................................................................51 6.6.6. Clarificateur : remontées de boues noirâtres.................................................................................51 6.6.7. Clarificateur : remontées de boues décantées...............................................................................52 6.6.8. Clarificateur : débordement chronique du lit à boues...................................................................52 6.6.9. Silo épaississeur statique : mauvais fonctionnement....................................................................53 6.7. Eléments pour le dimensionnement d’un procédé par boues activées..................................................53 7. Procédés biologiques - Epuration par cultures fixées...................................................................................55 7.1. Principe de l’épuration par cultures fixées............................................................................................55 7.2. Le décanteur-digesteur..........................................................................................................................56 7.2.1. Techniques et équipement.............................................................................................................56 7.2.2. Observations, interprétations, interventions..................................................................................57 7.3. Le traitement par cultures fixées...........................................................................................................58 7.3.1. Techniques et équipements............................................................................................................58 7.3.2. Observations et interventions........................................................................................................61 7.4. La clarification (Se reporter au paragraphe « Traitement biologique : cultures libres ».)....................63 7.5. Principaux dysfonctionnement..............................................................................................................63 7.5.1. Décanteur-digesteur : départ de matières en suspension...............................................................63 7.5.2. Décanteur-digesteur : développement du chapeau de digestion...................................................64 7.5.3. Décanteur : acidification...............................................................................................................64 7.5.4. Lit bactérien : absence du film biologique....................................................................................65 7.5.5. Lit bactérien : développement hétérogène du film........................................................................65 7.5.6. Lit bactérien : flaquage et colmatage en profondeur.....................................................................66 7.5.7. Clarificateur : remontée de boues noirâtres...................................................................................66 7.6. Eléments pour le dimensionnement de procédé par cultures fixées......................................................66 Chapitre 8 - Traitement et devenir des boues........................................................................................................68 8.0. Généralités.............................................................................................................................................68 8.1. Stabilisation ou digestion des boues......................................................................................................68 8.1.1. La digestion anaérobie.................................................................................................................68 8.1.2. La stabilisation aérobie................................................................................................................69 8.1.3. Stabilisation chimique...................................................................................................................69 8.2. L’épaississement ou concentration........................................................................................................69 8.2.1. L’épaississement statique..............................................................................................................69 8.2.2. L’épaississement mécanique............................................................................................................70 8.3. Déshydratation et stockage des boues...................................................................................................71 8.3.1. La déshydratation..........................................................................................................................71 8.3.2. Le stockage des boues stabilisées..................................................................................................72 8.4. Le devenir des boues.............................................................................................................................72 8.4.1. L’épandage agricole des boues......................................................................................................72

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8.4.2. La réglementation (décret du 8 décembre 1997 et l’arrêté du 8 janvier 1998).............................73 8.4.3. L’incinération des boues................................................................................................................73 8.5. Eléments pour le dimensionnement des procédés de traitement des boues..........................................74 Chapitre 9 – Traitements complémentaires...........................................................................................................76 9.1. Elimination de la pollution azotée.........................................................................................................76 9.2. Elimination de la pollution phosphorée................................................................................................76 9.3. Désinfection des effluents.....................................................................................................................77 9.4. Traitement des odeurs...........................................................................................................................78 9.5. Assainissement non collectif (autonome).............................................................................................78 Chapitre 10 – Conception et exploitation des ouvrages........................................................................................79 10.1. Conception des ouvrages...................................................................................................................79 10.2. Exploitation des ouvrages.................................................................................................................80 10.2.1. Exploitation et entretien des stations d’épuration.........................................................................80 10.2.2. Entretien des ouvrages..................................................................................................................80 10.2.3. Protection du personnel.................................................................................................................81 10.2.4. Instruments de mesure...................................................................................................................82 10.3. Quelques chiffres clés.......................................................................................................................83 10.3.1. Données sur les collecteurs...........................................................................................................83 10.3.2. Données sur les unités de traitement.............................................................................................83

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CHAPITRE 1 - TYPOLOGIE DES EAUX RÉSIDUAIRES 1.0. Introduction Il y a quelques siècles, il fallait aller chercher de l’eau avec son seau, mais les poissons dans la rivière étaient heureux : ils disposaient de suffisamment d’oxygène pour se développer. Les bactéries vivaient tranquillement. Les algues, la journée par photosynthèse, transformaient le gaz carbonique en oxygène. Bref, poissons, plantes et micro-organismes vivaient en parfaite harmonie. Puis, à la fin du XIX siècle, l’homme inventa l’eau courante. A la sortie des maisons l’eau rejoignait l’égout qui la conduisait jusqu’à la rivière. Les micro-organismes étaient contents : jamais ils n’avaient eu autant de nourriture : ils digéraient tout ça et devenaient les épurateurs officiels de la rivière. Ensuite durant le XX siècle, l’homme inventa les machines à laver, les douches, les baignoires. Sa consommation passa de 10 à 200 litres. Les micro-organismes connurent la même progression ainsi que leur consommation en oxygène. Dans la rivière rien n’allait plus. Les algues grâce aux phosphates se développaient en surface (eutrophisation), cachant la lumière aux plantes plus en profondeur. L’oxygène devenait très rare dans les rivières puisque l’eau trouble réduisait la photosynthèse. Les poissons mouraient asphyxiés. L’homme allait-il assister à la dégradation de son milieu de vie. Non, il se dit : « puisque c’est l’eau sale qui pollue nos rivières, nous allons :  essayer de moins la salir (ça c’était pas bête) ;  la nettoyer avant de la rejeter à la rivière » ;  et, il inventa ainsi l’assainissement. Comment faire :  demander à chaque utilisateur de nettoyer son eau avant de la rejeter (système individuel) ;  rassembler toutes les eaux à traiter vers une STEP avant de la rejeter (système collectif) ;  l’homme pensa qu’il valait mieux que cela fut individuel (maisons isolées et pollutions spécifiques) ou collectifs (pour diminuer les coûts et mieux contrôler les résultats) suivant les cas.

1.1. Généralités 1.1.0.

Qu’est-ce que la pollution

La pollution c’est la présence d’une ou plusieurs substances modifiant la composition d’une eau ; cela dans la mesure où la vie aquatique est perturbée et les utilisations de l’eau sont restreintes. Les polluants sont nombreux et d’origine très variée ; on peut les différencier en fonction :  de leur aspect physique : MES ou matières dissoutes ;  de leur composition chimique : matières organiques ou minérales ;  de leur évolution dans la nature : rapidement biodégradables, difficilement ou non biodégradables ;  de leur impact sur les espèces vivantes : matières toxiques ou non toxiques. La pollution peut être caractérisée par son odeur, sa couleur et son aspect. Certaines sont visibles (HC, peintures), d’autres plus difficiles à détecter (soluble, incolore, inodore comme rejets de CN ou Hg). Quelques pollutions caractéristiques : Odeurs Couleurs Pas d’odeur Jaune très clair Œuf pourri / Aigre / Eau Gris - noir de vaisselle Aigre Blanc crème Excréments Gris - noir Odeur caractéristique Pose à arc en ciel Variations brusques Variations brusques

Aspects Causes Translucide Eaux pluviales MES fines / Génie civil Eaux septiques corrodé Mélange graisseux Graisses, huiles Eau très chargée Matières de vidange Film en surface Hydrocarbures Variations brusques Eaux industrielles

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1.1.1.

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Classification des eaux

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Les effluents urbains comprennent :  les eaux résiduaires ou eaux usées domestiques comprenant les eaux ménagères (lessive, cuisine, toilette, …) et les eaux vannes (urines et matières fécales) ;  les eaux pluviales ; elles peuvent être particulièrement polluées en début de pluie (lessivage des sols, remise en suspension des dépôts des collecteurs) ; elles peuvent contenir des métaux lourds et des toxiques (Pb, Zn, HC) ;  les eaux industrielles dont les caractéristiques ne peuvent les faire assimiler aux eaux usées ou pluviales ; (eaux de refroidissement, eaux de drainage, …) ;  les matières de vidange (fosses septiques) qui sont un concentré de pollution domestique. L’origine des eaux résiduaires urbaines (ERU) est principalement domestique. Les établissements industriels qui rejettent une pollution importante sont généralement dotés d’un système de traitement autonome.

1.1.2.

Définition des systèmes d’assainissement

Le système d’assainissement englobe le système de collecte et le système de traitement (ensemble des équipements de collecte et de traitement des eaux usées). Le système de collecte correspond au système de canalisations qui recueille et achemine les eaux usées. On distingue :  

l’assainissement non collectif (ou autonome ou individuel), l’assainissement collectif.

a)

Assainissement collectif

Les 2 principaux systèmes de collecte utilisés en assainissement sont :  le système unitaire qui reçoit dans les mêmes canalisations les eaux usées et les eaux pluviales ;  le système séparatif comportant deux réseaux de canalisations différents, l’un pour les eaux pluviales de dimensions comparables à celles d’un unitaire et l’autre pour les eaux usées, de dimensions plus réduites. On appelle système pseudo séparatif un système séparatif dans lequel les eaux de toiture et de cours sont dirigées vers le réseau d’eaux usées. Les premiers réseaux d’assainissement ont été de type unitaire ; le développement des réseaux séparatifs est plus récent. Les systèmes de collecte rencontrés dans les agglomérations sont rarement totalement homogènes. Ces systèmes sont appelés systèmes mixtes (cas courant dans les villes où le centre ville est équipé en unitaire et la périphérie en système séparatif). Les réseaux unitaires sont équipés de déversoirs d’orage, conduisant au rejet direct au milieu (rivière) d’une partie du débit par temps de pluie ; seule une partie du flux de pollution atteint alors la station de traitement. Le transport des effluents est réalisé dans toute la mesure du possible par voie gravitaire ; cependant les conditions topographiques exigent fréquemment la mise en place de stations de relèvement intermédiaires.

b)

Assainissement non collectif

Peuvent être placées en zones d’assainissement non collectif, les parties du territoire d’une commune dans lesquelles l’installation d’un réseau de collecte ne se justifie pas, soit parce qu’elle ne représente pas d’intérêt pour l’environnement, soit parce que son coût est excessif (article 2 du décret du 03/06/94). L’obligation de raccordement au réseau public n’existe pas les eaux industrielles (des possibilités existent avec imposition des caractéristiques que doivent présenter ces eaux pour être reçues). Généralement, les industriels possèdent un système d’assainissement spécifique et non collectif. Le propriétaire d’une construction doit traiter les eaux pluviales collectées sur sa propriété avant rejet au milieu naturel (loi sur l’eau et décrets d’application).

1.1.3.

Choix d’un système d’assainissement

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Les principaux objectifs de l’assainissement urbain sont :  l’évacuation rapide sans stagnation des eaux ;  le traitement des effluents et la protection du milieu naturel ;  l’évacuation vers le milieu naturel des eaux de ruissellement (avec ou sans stockage provisoire) pour éviter la submersion d’une partie de l’agglomération. Pour définir un système de collecte, on peut opérer trois choix :  choix entre systèmes collectifs et non collectifs ;  choix entre systèmes de collecte séparatif ou unitaire ;  choix de la technologie de collecte et de traitement. Le décret du 03/06/94 fixe les prescriptions et les dates limites de réalisation des systèmes d’assainissement. Charge brute de pollution organique (kg/j) EH (indicatif)

< 120 kg/j < 2 000

entre 120 et 600 kg/j 2 000 à 10 000

entre 600 et 900 kg/j 10 000 à 15 000

> 900 kg/j > 15 000

SYSTEMES DE COLLECTE Cas général Zones sensibles

31/12/02 21/12/05

31/12/05 21/12/98

31/12/2000 31/12/98

SYSTEMES DE TRAITEMENT Cas général (eaux douces et estuaires) Cas général (eaux côtières) Zones sensibles

31/12/05 (approprié) 31/12/05 (approprié) 31/12/05 (approprié)

31/12/05 (secondaire) 31/12/05 (approprié) 31/12/05 (secondaire)

31/12/05 (secondaire) 31/12/05 (secondaire) 31/12/98 (plus rigoureux)

31/12/2000 (secondaire) 31/12/2000 (secondaire) 31/12/98 (plus rigoureux)

Les zones sensibles sont celles qui sont soumises à l’eutrophisation (pour lesquelles les rejets de phosphore et/ou d’azote doivent être réduits). Elles sont définies par arrêté (sur la région PACA, une seule zone sensible est actuellement définie : l’étang de Berre). Pour l’assainissement non collectif, le choix technique s’effectuera sur la base de l’aptitude des sols à ce type d’assainissement (voir l’arrêté du 06/05/96).

1.2. Caractéristiques d’une eau résiduaire urbaine (ERU) 1.2.1.

Généralités - Définitions

Les paramètres mesurés obligatoirement pour un système collectif sont :  la demande biochimique en oxygène (DBO),  la demande chimique en oxygène (DCO),  les matières en suspension (MES). Il s’y ajoute dans certains cas :  zone sensible : l’azote et le phosphore ;  un contrôle bactériologique (baignade ou activités sensibles en aval du rejet) ;  un contrôle de la toxicité à l’aide de daphnies (petits crustacés d’eau douce),  la mesure de substances indésirables (suivant la pratique de certains usagers). 

MES : matières en suspension qui représentent les matières qui ne sont ni à l’état soluble, ni à l’état colloïdal (< 1 µ) donc retenues par un filtre. Elles comportent des matières organiques (contenant toujours du carbone et très souvent de l’hydrogène et oxygène) et minérales (métaux, air, eau) ; la distinction porte sur la taille :  > 1 µ : ce sont les MES responsables essentiellement de troubles dans l’eau (elles sont mesurées par filtration ou centrifugation puis séchage à 105 °C) ; les MES décantables sont déterminées par une décantation à 2 h (60 % des MES, soit  10 à 15 ml/l sur eaux brutes) ;

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  







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10-9 m < taille < 1 µ : ce sont les matières colloïdales (non décantables) qui participent au trouble et à la coloration des eaux ; < 10-9 m : ce sont les matières dissoutes.

MVS : matières volatiles en suspension : fraction organique des MES (obtenues par calcination à 525 °C pendant 2 h). Elles représentent dans un biologique les boues. Les matières organiques proviennent des êtres vivants (matières végétales ou animales, excréments, papiers, tissus, …). Elles sont principalement composées par C, O, H, N, P et S. Matières minérales (MM) : résulte d’une évaporation totale de l’eau. Ceux sont graviers, sables, métaux, sels minéraux (elles évoluent peu dans des conditions naturelles). Elles constituent les résidus (cendres) obtenus après calcination à 525 °C. (sel : composé chimique formé par le remplacement d’1 H d’un acide pour un métal). DBO : demande biochimique en oxygène qui caractérise la consommation en oxygène par l’effluent principalement par la biodégradation des matières organiques (avec développement de bactéries et production de CO2). Le processus de dégradation est schématiquement le suivant :  au bout de 5 jours, les glucides et lipides simples ont été en grande partie oxydés,  au bout de 20 jours, les protéines ont été décomposées,  ensuite, seuls les phénomènes de nitrification deviennent prédominants. La mesure la plus fréquemment utilisée est la DBO mesurée à 20 °C au bout de cinq jours ; on la note DBO5 et elle s’exprime en gramme d’oxygène consommé par m3 d’eau. Elle correspond à l’assimilation de la pollution biodégradable carbonée (après 5 j, la biodégradation concerne plutôt la pollution biodégradable azotée). DCO : demande chimique en oxygène permet une mesure plus rapide de l’oxydabilité d’une eau ; elle est un indicateur de son pouvoir épurateur (dégradation chimique en 2 h de toutes les matières organiques biodégradables et non biodégradables). La mesure de la DCO englobe celle de la DBO 5. Elle représente la teneur totale en matières organiques (biodégradables ou non). Le rapport DCO sur DBO5 est de l’ordre de 1,5 à 2,5 pour les eaux usées (si supérieur à 3, on considère qu’on a un effluent industriel). Celui d’une eau épurée est couramment égal ou supérieur à 3.



Azote NTK ou Kjeldahl (formes réduites) : ions ammonium (décomposition par les bactéries de l’azote organique (ammonification) ou des rejets directs d’animaux) et azote organique (cellules vivantes végétales ou animales) en mg/l de N.



Azote NGL ou total : formes réduites (Kjeldahl) et formes oxydées (NO3- et NO2-) en mg/l de N.



Azote gazeux : N2 forme très présente dans l’air et très peu soluble dans l’eau.



Phosphore : dû essentiellement au métabolisme de l’homme et à l’usage des détergentes. C’est le principal agent de l’eutrophisation. Il existe sous forme d’orthophosphates (PO43-), de polyphosphates et de phosphore organique (résidu de la matière vivante). Le paramètre Pt est la somme de tous ces composés. En sortie de station d’épuration, le phosphore est à 90 % sous forme d’orthophosphates.



Autres paramètres :  pH : pour un effluent urbain, il est compris entre 7,5 et 8 ; sa mesure est utilisée pour les effluents industriels, les eaux parasites, la corrosion, la septicité, le moussage, …  Conductivité : de 900 à 1 300 µS/cm ; peut varier à proximité du littoral, avec des rejets de saumures ou de résines échangeuses, avec le salage des rues (dégel), …  Potentiel rédox ou Eh : mesure le potentiel d’oxydo-réduction ; il existe 2 types d’électrodes : à hydrogène (EhN) et électrode Ag/AgCl (Eh lu) ; on a : EhN = Eh lu + 200 mV. Pour Eh lu > + 50 mV (EhN > 250 mV) le milieu est aérobie ; entre + 50 et – 50 mV (+ 150 à +250 mV EhN) le milieu est anoxique ; pour Eh lu < - 50 mV (+ 150 mV EhN) le milieu est anaérobie.  COT (carbone organique total) : mesure utilisée pour vérifier si les matières oxydées avec la DCO sont bien des matières organiques ; DCO / COT entre 0,6 et 4 (médiane 0,65 à 0,95 ; DBO5 / COT de 1,7 à 1,9). Cette mesure ne prend pas en compte la pollution particulaire.  MO (matières oxydables) : caractérise la pollution carbonée ; on l’approche avec la formule des agences de l’eau (taux des redevances) : MO = (2 DBO5 + DCO) / 3.  Tensioactifs : essentiellement des détergents.

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  

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Equitox : un litre d’effluent représente N équitox s’il faut le diluer N fois pour provoquer une immobilisation en 24 heures de 50 % de la population initiale en daphnies. C’est un test biologique de toxicité directe et aiguë. Métox : représentatif de la contamination métallique (As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn), c’est un test de toxicité indirecte et chronique. AOX : ce paramètre représente les composés organochlorés (pesticides, fongicides, …).

La charge de pollution organique (suivant décret du 03/06/94) est la quantité de DBO 5 journalière moyenne de la semaine où est produite la plus forte charge sur l’année. La plupart des matières biodégradables proviennent des matières organiques ; alors que les matières minérales sont plus généralement non biodégradables. L’alcool, le sucre sont très rapidement biodégradables ; les graisses, le bois, le tissu sont difficilement biodégradables.

1.2.2.

Notion d’équivalent habitant

L’arrêté du 20/11/2001 fixe la quantité de pollution à prendre en compte pour chaque habitant (équivalent habitant, noté EH) à :  90 grammes de matières en suspension (MES),  57 grammes de matières oxydables (DBO5),  15 grammes d’azote réduit (NTK),  4 grammes de phosphore total,  0,2 équitox de matières inhibitrices,  0,23 métox,  0,05 gramme de composés organohalogénés adsorbables au charbon actif (AOX).

1.2.3.

Caractérisation de la pollution

Les fourchettes de concentrations moyennes (médiane entre parenthèses) d’un effluent urbains en mg/l sont :  pH : 7,5 à 8,5 (7,8) ;  conductivité : 1 100 µS/cm ;  MES : 100 à 400 (250) ;  DBO5 : 150 à 500 (300) ;  DCO : 300 à 1 000 (700) ;  COT : 100 à 300 ;  NTK : 30 à 100 (80) ;  NH4 : 20 à 80 (60) ;  NO2 et NO3 : < 1 ( 0);  P total : 10 à 25 dont 80 % d’orthophosphates ;  détergents : 6,2 à 12,8.

a) MES DBO5 DCO NTK Azote oxydé (NO3, NO2) Phosphore total

Fractions dissoutes et solubles d’une ERU Matières décantables 65 % 33 % 33 % < 10 % < 10 %

Matières non décantables 35 % 33 % 33 % -

Matières dissoutes 33 % 33 % > 90 % 100 % > 90 %

Une simple décantation élimine la fraction décantable. Les matières non décantables sont composées par des particules colloïdales. Leur rétention dans la station nécessite une étape de coagulation-floculation. Un traitement primaire physico-chimique stoppe 80 % des MES et 60 % des DCO et DBO5. En conséquence, 10 % environ de l’azote sont éliminés. Par contre, les orthophosphates sont précipitables par des coagulants tels que

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FePO4 ou AlPO4. La fraction soluble échappe à tout procédé physico-chimique et demande un traitement adapté par boues activées, lagunage, lit bactérien ou bioflitre. Les micro-organismes transforment la pollution soluble en boue biologique, forme décantable. Une partie de la DCO et de l’azote organique est non éliminable quel que soit le procédé mis en œuvre. Ces fractions réfractaires à tout traitement, durant leur temps de séjour limité au sein de l’installation, sont de 5 à 0,5 g par habitant et par jour.

b)

Autres caractéristiques

La concentration en NTK (formes réduites de l’azote) est de l’ordre de 15 à 20 % de la DBO5. Pour les micro-éléments, les éléments nocifs sont les métaux lourds (concentrations inférieures au mg/l). Les eaux résiduaires transportent de nombreux micro-organismes dont certains sont pathogènes. Les bactéries pathogènes les plus fréquemment rencontrées sont les salmonelles dont la concentration est de l’ordre de 100 à 1 000 pour 100 ml. Les concentrations en germes test dans les eaux résiduaires brutes sont de l’ordre de :  coliformes totaux : 107 à 108 pour 100 ml ;  coliformes fécaux ou thermotolérants : 106 à 107 pour 100 ml. Les eaux usées domestiques ont un potentiel d’oxydoréduction de l’ordre de 100 mV. Un potentiel inférieur à 40 mV caractérise un milieu réducteur (fermentation avec H 2S). Un potentiel supérieur à 300 mV révèle un milieu oxydant anormal.

c)

Différence entre réseau séparatif et réseau unitaire

En réseau unitaire :  le pourcentage de la pollution organique décantable et des MES est plus fort qu’en réseau séparatif ;  les charges en DBO (60-80 pour 50-70 g/EH/j) et MES (70-90 pour 60-80 g/EH/j) sont plus forte qu’en séparatif.

d)

Cas des eaux pluviales

Les flux polluants annuels sont de l’ordre de :  DBO5 : 30 à 85 kg/hab sur un bassin versant naturel et 80 à 210 kg/hab sur un BV imperméabilisé ;  MES (difficiles à établir car variation de la concentration au cours de la précipitation) : flux polluant annuel de 300 à 1 100 kg/ah de bassin versant et de 800 à 2 650 kg/ha pour un BV imperméabilisé.

e)

Cas des matières de vidange

Elles concernent essentiellement les dispositifs d’assainissement non collectif. Les concentrations des matières de vidange sont de l’ordre de :  DCO : 2 à 30 g/l,  DBO5 : 1,5 à 10 g/l,  MES : 2 à 10 g/l,  NTK (azote total Kjeldhal) : 0,5 à 2,5 g/l.

1.2.4. a)

Quantités à traiter Eaux usées

Le volume d’eaux usées rejeté par habitant et par jour varie suivant les régions du globe et leur niveau de développement. En France, les ratios sont les suivants :  inférieur à 150 l/hab/j en milieu rural,  environ 200 l/hab/j dans les villes moyennes,  supérieur à 300 l/hab/j dans les grandes villes. Avec un débit moyen journalier Qm, le débit moyen diurne Qd est compris entre Qm/14 et Qm/18. Le débit de pointe de temps sec Qp (en réseau séparatif) peut être approché par la formule : Qp = Qm Cp avec : Cp  1,5 

2,5 Qm

avec Qm en l/s

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Le coefficient de pointe Cp = Qp/Qm est rarement supérieur à 3. En dehors des variations journalières, on note aussi des variations saisonnières ; cela n’est pas sans conséquences sur les besoins des équipements d’assainissement. On constate une variation de la concentration de pollution concomitante à celle de la variation de débit. Il s’en suit des variations du flux polluant supérieures à la simple variation de débit (ce phénomène est particulièrement sensible sur le paramètre MES dans le cas de réseaux unitaires).

b)

Eaux pluviales

Le débit d’eaux pluviales dépend de : la pente et la surface du bassin versant, son coefficient d’imperméabilisation, la pluviosité. Dans les zones urbaines, l’ordre de grandeur du débit de ruissellement maximal quinquennal est de 200 l/s/ha.

1.3. Exigences épuratoires – Objectifs de qualité La finalité du traitement des effluents avant rejet est la protection du milieu naturel. Avant le décret du 03/06/94 (et son arrêté du 22/12/94), la réglementation adaptait les niveaux de rejet aux objectifs de qualité des rivières (niveaux de traitement : a, b, c, d, e et f). Ces objectifs tenaient compte des usages prioritaires de la rivière en aval (pêche, baignade, AEP). Suite au décret du 03/06/94 et son arrêté du 22/12/94, les exigences épuratoires minimales sont en fonction de la sensibilité ou non du milieu du rejet et de la charge de pollution reçue par l’unité de traitement. Paramètres

Concentration maximale

Zone normale Pollution carbonée

DBO5

25 mg/l

DCO MES

Zone sensible Azote et/ou phosphore

Azote NGL

125 mg/l 35 mg/l 15 mg/l 10 mg/l 2 mg/l 1 mg/l

Phosphore total

Rendement minimum 70 % 80 % 75 % 90 % 70 % 80 %

Charge de pollution reçue 120 à 600 kg/j > 600 kg/j toutes charges toutes charges 600 à 6 000 kg/j > 6 000 kg/j 600 à 6 000 kg/j > 6 000 kg/j

Les rejets doivent respectés soit leurs valeurs en concentration, soit les valeurs en rendement. Ces objectifs de qualité doivent être respectés pour tout débit inférieur à un débit de fréquence donné (général, débit quinquennal sec de retour 5 ans). Les normes de rejet des eaux résiduaires sont de plus en plus sévères et contraignantes avec extension du nombre de paramètres mesurés.

1.4. Réutilisation des eaux usées L’emploi des eaux usées en agriculture est très ancien et les champs d’épandage ont constitué les premiers systèmes d’épuration (le sol est un filtre efficace : 1 hectare contient jusqu’à 2 tonnes de micro-organismes). Les eaux usées sont utilisées :  en agriculture pour :  l’apport d’eau aux plantations en zones arides (risque sanitaire pour les populations et risques pour les sols par colmatage, accroissement de la salinité, apport de toxiques) ;  l’arrosage de terrains de golf, parcs, etc (un traitement poussé est nécessaire et doit se terminer par une désinfection après élimination des MES et de la pollution organique).  usage industriel (après traitement partiel) : refroidissement, lavage, chaudières.  après épuration et suivant les niveaux de qualité :  recyclage partiel à l’intérieur d’immeubles (alimentation des chasses de toilette, en Extrême Orient par exemple) ;  alimentation de réseaux municipaux de lavage et d’incendie ;

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

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réalimentation partielle de nappes souterraines.

1.5. Les effluents industriels Leur composition et leur degré de pollution varient selon l’activité et l’ancienneté des installations (les installations les plus récentes sont en général plus économes en eau et parfois moins polluantes). Chaque type d’industrie a recours à des procédés de traitements spécifiques. Certaines industries peuvent produire des effluents très toxiques et peu biodégradables (métaux lourds, par exemple). Le raccordement d’eaux usées industrielles à un réseau communal ne doit pas être systématique. Il doit être étudié de manière à garantir le bon fonctionnement du réseau et l’efficacité des installations d’épuration. Une convention de déversement est indispensable.

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CHAPITRE 2 – GÉNÉRALITÉS SUR LE TRAITEMENT DES EAUX 2.1. Introduction Si on met dans l’eau propre : 1 2

Elément polluant épluchures, papier sable (particules lourdes)

3

huile, graisse

4

matières minérales (MES)

5

vin, sucre, lait (qui sont La parole est au biologiste. Mettez dans l’eau quelques bactéries Bassin d’aération et qui nettoyaient les rivières. Donnez leur de O pour qu’elles dissous dans l’eau : puissent se développer. Elles vont « manger »2 les matières décantation colloïdes) secondaire dissoutes, les digérer et les transformer en MES lessive sans phosphates Biodégradable, donc « mangeable » par les Bassin d’aération bactéries. C’est donc le cas précédent. lessive avec phosphates Les bactéries ne « mangent » que très peu les phosphates. Traitement physicoOn peut utiliser les bactéries dans des conditions différentes OU (phosphore) faire appel à la chimie. On va ajouter un produit qui va piéger les chimique (coagulation,

6 7

8

engrais (azote)

Nettoyage de l’eau une simple passoire suffit si on fait circuler l’eau lentement elles vont se déposer comme elles sont plus légères que l’eau, elles flottent ; si on souffle dans l’eau cela accentue le phénomène on les laisse décanter, au bout de 1 à 2 h les plus lourdes sont au fond (pour les plus légères, il faudra faire appel à la chimie pour les lester)

phosphates par précipitation. Cela va provoquer la formation de flocons que l’on va laisser décanter. On utilise toujours les bactéries. On oxygène au maximum : les bactéries se développent et transforme NH 4 en NO3 (auparavant, l’azote organique s’était transformé en NH 4) : c’est la nitrification. Puis, on coupe l’oxygène, les bactéries en ayant toujours besoin vont utiliser celui des nitrates : c’est la dénitrification. Les nitrates se transforment en azote gazeux qui se dégage.

Procédés Dégrillage Dessablage Dégraissage Décantation primaire

floculation et décantation)

Bassin d’aération avec zone d’anoxie

Comment faire pour les enlever ? NB : on peut également produire de l’oxygène pour les bactéries en agitant la surface de l’eau (l’oxygène de l’air se dissout dans l’eau). NB : On pourrait procéder chimiquement pour toutes les MES (y compris les colloïdes qui sont des particules de diamètre entre 1 µ et 1 mm), mais les réactifs chimiques coûtent très chers. Le nettoyage de l’eau s’appelle l’épuration qui est réalisé dans des stations d’épuration (unités de traitement). Le but d’une STEP est de nettoyer l’eau en refaisant toutes les opérations que nous venons de voir, de manière industrielle. Le but de l’épuration n’est pas de rendre à nouveau l’eau potable mais de la rendre suffisamment propre pour que son rejet dans la rivière préserve le milieu récepteur (le suffisamment propre se traduit par un niveau de rejet, qui doit prendre en compte les objectifs suivants l’utilisation en aval). Il faudra s’occuper des déchets récupérés en les éliminant (sur place ou dans des centres spécialisés) mais aussi en les valorisant (c'est-à-dire en les préparant à une utilisation utile).

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2.2. Conception d’une station d’épuration Un certain nombre de recommandations sont à respecter pour l’étude d’un projet de station d’épuration. Les caractéristiques de son emplacement, de l’environnement et du réseau d’assainissement sont essentielles. La connaissance des effluents à traiter en terme de concentration, de biodégradabilité et de débit sont des éléments primordiaux de dimensionnement. Le respect du milieu récepteur passe par la connaissance de la composition des eaux traitées, de leurs effets probables, de la capacité de dilution et d’autoépuration du milieu aquatique et des limites technicoéconomiques du traitement. Une usine de dépollution doit être capable de :  enlever la pollution solide : c’est le traitement primaire ;  éliminer la pollution dissoute : c’est le traitement biologique (avec des bactéries) ou physicochimiques (avec des réactifs chimiques) ;  éliminer ou réduire la pollution azotée et phosphatée : c’est le traitement tertiaire ;  s’occuper des déchets récupérés : c’est la filière boues.

2.3. Schéma général d’une station d’épuration (STEP) ou unité de traitement Une usine de dépollution est une association judicieuse de plusieurs étapes pour satisfaire les exigences des normes de rejet : 

le traitement primaire comprend :  les prétraitements (tels que le dégrillage, tamisage, dessablage et dégraissage) éliminent les matières les plus grossières susceptibles d’endommager les organes mécaniques ou de perturber l’efficacité des étapes ultérieures comme la décantation et l’aération ;  la rétention des particules décantables (décanteur primaire) ; ceci est important pour la fraction concernée de la DCO et de la DBO5 ; cette étape est simple si elle met en œuvre une seule décantation, et physico-chimique si une coagulation-floculation se déroule en amont ; selon les caractéristiques de l’eau à traiter, une flottation peut s’y substituer ;



le traitement secondaire est purement biologique ; il a pour objectif d’abattre la pollution soluble en la transformant en boues biologiques et facilement décantables au niveau d’un décanteur secondaire ou clarificateur ; le procédé est à culture libre (lagunage, boue activée) ou à culture fixée (lits bactériens alvéolaires, biofiltres) ;



le traitement tertiaire est rendu indispensable par les nouvelles exigences épuratoires vis à vis des éléments azote et phosphore ; le découpage entre secondaire et tertiaire est arbitraire car au sein d’une station à boues activées, l’élimination des pollutions carbonée, azotée et phosphorée, peut se réaliser dans un seul et même bassin.

2.4. En résumé L’épuration des eaux usées domestiques comprend quatre étapes essentielles :  l’élimination des déchets facilement séparables (prétraitements : dégrilleur, dessableur, déshuileur ou dégraisseur, décanteur primaire),  la transformation de la pollution dissoute en produits décantables (lit bactérien, disques biologiques, boues activées, lagunage, géoassainissement),  la séparation entre l’eau épurée et les produits décantables (clarificateur ou lagunage),  la stabilisation et le devenir des boues (filière boues : digestion, stabilisation, épaississement, déshydratation, lit de séchage, silo de stockage).

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CHAPITRE 3 – LES PRÉTRAITEMENTS Les prétraitements sont généralement constitués par :  le dégrillage qui permet d’éliminer de l’effluent à traiter les plus gros déchets ;  le tamisage : élimination des déchets plus petits ;  le dessablage : élimination des sables et plus généralement des particules abrasives ;  le dégraissage ou déshuilage : élimination d’une partie des huiles et graisses ;  la décantation : séparation de l’effluent des matières en suspension décantables.

3.0. Règles générales de conception des ouvrages      

Equiper de by-pass et de vidange chacun des ouvrages. Equiper le by-pass général d’une grille fixe. Rehausser les ouvrages à 1,50 – 2,00 m pour faciliter l’extraction des déchets. Dimensionner les ouvrages pour le débit de pointe. Tenir compte des matières de vidange. Désodorisation éventuelle de la zone de prétraitements.

3.1. Poste de relevage Lorsque la pente naturelle du terrain est suffisante, l’effluent parvient à la station par gravité. Sur un réseau à faible pente, les dépôts accumulés sont nettoyés par des curages ou des chasses d’eau. Si la pente est insuffisante, les effluents sont refoulés par des pompes (ou des vis d’Archimède ou vis sans fin), au niveau de postes de relevage. C’est le cas quand les canalisations arrivent plus bas que la STEP. Les principales caractéristiques du poste de relevage sont :  le démarrage et l’arrêt des pompes sont déclenchés par des contacteurs de niveau ;  une grille ou un panier retient les déchets susceptibles de perturber le pompage ;  nettoyage une fois par mois (sable sur le fond, graisses sur parois et contacteurs de niveau) ;  nettoyer les grilles ou le panier dégrilleur (nettoyage aussi souvent que nécessaire) ; les déchets sont égouttés et chaulés puis mis en décharge ;  vérification régulièrement du groupe de pompage (vidange, joints et usure des roues). Le relevé régulier du temps de fonctionnement des pompes permet de connaître le débit entrant à la STEP. Les vis d’Archimède sont utilisées surtout pour les gros volumes à relever et pour les effluents chargés (graisses, matières de vidange, …) ; tout ce qu’une pompe ne peut pas transporter. La consommation énergétique du pompage est de :  7 W / m3/ m HMT pour une vis d’Archimède ;  9 W / m3 / m HMT pour une pompe.

3.2. Dégrillage Les dégrilleurs (simples ou automatiques) permettent de retenir les plus gros déchets (papiers, plastiques, cailloux, …) pour protéger en particulier les appareils mécaniques (pompes et turbines) utilisés dans la suite du traitement de l’effluent. Les déchets sont retenus par les barreaux de la grille espacés de 1 à 3 cm. Les dégrilleurs automatiques (équipés de goulottes d’évacuation à la place des paniers d’égouttage) sont plus complexes que les dégrilleurs statiques, mais ils assurent un meilleur rendement. L’entretien et la surveillance de ces ouvrages consistent en :  dégriller très régulièrement (tous les jours) les déchets : manuellement, à l’aide d’un râteau ; s’il y a un panier dégrilleur : remonter le panier et le vider ;  entretenir soigneusement le dégrilleur automatique ;  stocker les déchets en poubelles perforée et les évacuer comme ordures ménagères ; le refus de dégrillage est entre 3,2 et 4,2 l/hab/an, soit environ 1,4 à 2 kg de MS/hab/an ; les volumes

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produits par le dégrillage peuvent être estimés par la formule suivante : V = 12 / e avec : V : volume produit (l/an/EH) et e : espacement entre barreaux (cm) ; si e = 3 cm, V = 4 l/an/hab. Les paramètres de dimensionnement d’un dégrillage sont les suivants :  V : vitesse de passage comprise entre 0,3 et 0,6 m/s sur section mouillée (d’autres auteurs donnent une valeur de 1,2 m/s afin d’éviter la décantation) ;  t : tirant d’eau amont maximum (t = 0,4 m pour une capacité station comprise entre 5 000 et 20 000 EH ; d’autres auteurs préconisent : t=0,1 m < 1 000 EH, t=0,2 m < 5 000 RH, t=0,4 m < 20 000 EH, t=0,5 m < 50 000 EH, t=0,6 m < 100 000 EH) ; dans le cas d’une grille courbe, il faut prendre Lo la hauteur oblique mouillée (L 0 = t/sin avec  = angle d’inclinaison ; pour une grille courbe, on prendra  = 26,5°) ;  l : largeur minimale de la grille ;  la surface du dégrillage se calcule suivant la formule : S = Qp / (V O C), avec :  Qp = débit de pointe (m3/s) calculé avec le débit moyen Qm et le coefficient de pointe Cp,  V : vitesse de l’eau (m/s),  O : espace libre entre les barreaux / (espace libre + épaisseur des barreaux),  C : coefficient de colmatage (entre 0,1 et 0,3 en grille manuelle et 0,4 à 0,5 en automatique).

3.3. Tamisage Les tamis (statiques à grilles fines concaves ou rotatifs à tambour) sont nécessaires dans le cas des eaux très chargées en petites particules (de quelques mm) pour ne pas colmater les ouvrages suivants. Ils sont peu fréquents et sont particulièrement utilisés pour certaines eaux usées industrielles (abattoirs, caves vinicoles, …). L’entretien et la surveillance consiste en : tamis classique : vérifier régulièrement l’auto-nettoyage ; tamis rotatif : entretenir régulièrement le moteur et les systèmes de raclage ou de rinçage ; stocker les déchets en poubelle perforer et les évacuer comme des ordures ménagères. Sur un tamisage, l’espacement inter barreaux est inférieur à 1 cm (> 1 cm = dégrillage ; < 1 cm = tamisage). Le tamisage est fortement recommandé dans les situations suivantes : effluents industriels de types abattoirs ou laiterie ; eaux usées domestiques, s’il y a une décantation lamellaire ou une culture fixée.

3.4. Dessablage Le dessablage permet l’élimination de 90 % des particules de diamètre supérieur à 0,2 mm (ce qui représente 12 à 17 % des MM par temps sec et 25 à 30 % des MM par temps de pluie). La séparation des sables met à profit la différence de densité entre les solides minéraux (d = 2,65) et les matières organiques (d = 1,2) qui doivent rester en suspension. C’est là toute la différence entre les décanteurs et les dessableurs. Le temps de séjour dans le dessableur est de 3 à 4 mn en pointe et de 10 à 15 mn au débit moyen. Les dessableurs (longitudinaux ou statique, ou cylindro-coniques) permettent la récupération des sables contenus dans les eaux dégrillées, dont la présence pourrait nuire au bon fonctionnement des traitements suivants (usure des pompes, bouchage des conduites et orifices, ensablement des bassins). Les matières lourdes se déposent à la faveur de vitesse d’écoulement lente. Les sables se présentent sous forme d’une boue de graviers, sables, éléments minéraux fins. Ils sont souvent souillés par des éléments organiques. L’entretien et la surveillance consiste en :  récupérer régulièrement les sables décantés (pompage) ; les rincer, les égoutter et les évacuer comme des déchets inertes ;  évacuer les sables après chaque forte pluie. La production en sable est de 2 à 16 l/an/hab (fonction du type de réseau). Le ratio moyen est de 4 à 8 l/an/hab (dont 10 à 25 % de MVS), soit environ 16 kg/an/hab de MS ce qui représente un total de un million de tonnes annuelles en France. Le réseau quant à lui récupère 5 à 12 l/an/EH ce qui nous donne un total de 13 à 16 l/an/EH.

3.5. Dégraissage et déshuilage Les dégraisseurs (statiques ou aérés) permettent de retenir une partie des huiles et des graisses qui pourraient perturber le traitement biologique de l’effluent et générer des mauvaises odeurs.

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Sur un dégraisseur statique, les graisses remontent vers la surface et s’accumulent entre 2 cloisons siphoïdes. Sur un dégraisseur aéré, l’injection de fines bulles d’air permet une émulsion plus rapide des graisses. Il existe des ouvrages combinés dessableur-dégraisseur aéré (très usités actuellement sur les petites unités). Ce procédé est possible grâce à la différence de densité entre particule minérale 2,65, graisse 0,93 et MO 1,2. L’entretien et la surveillance de ces ouvrages consistent :  racler (automatique ou manuel) régulièrement les graisses accumulées en surface et les évacuer vers un centre de traitement approprié ;  les déshuileurs aérés doivent être contrôlés régulièrement : surpresseurs, nettoyage des rampes d’aération, réglage du débit d’air et entretien des diffuseurs de pompes aéractrices ;  vidange complète tous les six mois pour effectuer un brossage et nettoyage complet. Les critères de dimensionnement sont (à calculer sur Qp) :  temps de séjour : 15 à 20 mn avec un minimum de 5 mn ;  vitesse ascensionnelle : 10 à 15 m/h ;  Qair (surpresseur) : 0,5 à 2 m3/h/m3 ;  puissance aération : 30 à 40 W.m3 d’ouvrage utile ;  hauteur du bassin : 1,0 à 2,5 m (pente du radier : 45°) ;  rapport volume / surface : entre 1,25 et 2,5 m (hors cône de stockage des sables). La production d’huiles et graisses est de l’ordre de 1,4 à 1,8 l/an/hab soit 0,4 à 0,7 kg MS/EH/an avec un rapport MVS/MS de 85 à 90 % (11 à 23 g de SEC/hab/j de densité 0,93, une partie reste avec la DCO), soit environ 100 000 tonnes/an. Avec la production industrielle, le total annuel est de l’ordre de 550 000 tonnes.

3.6. Evacuation et traitement des sous-produits Les opérations de prétraitement permettent de débarrasser les eaux usées des gros déchets, du sable, des graisses, des huiles et des matières en suspension lourdes. Ces déchets sont traités différemment suivant leur nature :  déchets de dégrillage et tamisage : réseau de collecte des ordures ménagères (recyclage, incinération) ;  sables du dessablage : rinçage puis enfouissement (centre de stockage des inertes) ;  huiles et graisses : évacuation vers un centre de traitement approprié (incinération ou mieux dans un biodigesteur aérobie [biodégradation enzymatique sans ajout de bactéries lyophilisées] dimensionné pour 30 jours de séjour).

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CHAPITRE 4 – TRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES 4.0. Introduction L’expression « traitement physico-chimique » correspond le plus souvent à un traitement secondaire, se substituant (épuration partielle) ou complétant à un traitement biologique secondaire, comportant :  une coagulation - floculation (ou une précipitation),  suivie d’une séparation liquide – solide par décantation ou flottation. Compte tenu de sa spécificité, on utilise aussi le procédé physico-chimique pour l’élimination poussée des MES et d’une partie de la DBO colloïdale. Les applications classiques sont :  affinage de la déphosphatation par ajouts de sels métalliques ;  traitements d’eaux résiduaires très chargées ou à fortes variations de charge ;  réalisation de station d’épuration à réponse instantanée (apports brutaux et massifs) ;  station d’épuration de montagne ;  traitement primaire idéal pour épuration par cultures fixées. Les progrès de la décantation lamellaire (avec nouveaux floculants) conduisent à un désintérêt de ces procédés. Les avantages des traitements physico-chimiques sont :  réponse immédiate aux variations de charge,  rendement d’épuration plus élevé qu’une seule décantation primaire,  bonne élimination de la pollution particulaire et de certains éléments toxiques,  compacité des installations d’où une meilleure intégration au site,  déphosphatation simultanée de l’effluent ; Les inconvénients sont :  rendement épuratoire global inférieur au biologique (surtout sur pollution dissoute),  plus grande quantité de boues produites,  coût des réactifs,  risque de coloration de l’effluent (sels de fer sur des eaux septiques).

4.1. La coagulation - floculation Les matières colloïdales ne peuvent pas décanter naturellement car :  elles sont trop légères ;  elles se repoussent à cause des charges électriques négatives qu’elles contiennent. En mélangeant très énergiquement un réactif minéral apportant des ions positifs, on va annuler ces forces de répulsion : c’est la coagulation possible avec des réactifs tels que sels de fer ou aluminium, lait de chaux. Rien ne s’oppose plus alors au rassemblement des colloïdes neutralisés : il faut seulement maintenir une agitation lente favorisant la rencontre des particules : c’est la floculation. Le plus souvent cette floculation est nettement accélérée par l’ajout d’un second réactif : le polyélectrolyte (polymères). L’expérience montre que la nature et les doses de réactifs sont très variables d’une eau résiduaire à une autre (les essais de floculation préliminaires sont de ce fait très utiles). Très souvent l’eau aussi traitée doit être neutralisée avant rejet (ou passage dans une unité biologique) ; ce qui entraîne une consommation de réactifs acides.

4.1.1.

Coagulation

La floculation d’une eau est d’autant meilleure que la phase de coagulation préalable a été efficace. A cet effet, la dispersion du réactif doit être quasi instantanée dans un coagulateur (réacteur de mélange rapide avec un gradient de vitesse élevé). Les temps de séjour du liquide varient de quelques secondes à quelques minutes.

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Dans les mélangeurs rapides à hélices (temps de séjour de 1 à 3 minutes), le réactif est injecté dans la zone de plus grande turbulence (au-dessus ou au-dessous de l’hélice suivant qu’elle est refoulante ou aspirante). L’hélice est équipée d’un variateur de vitesse pour l’adapter en fonction de la température et de la charge. Les mélangeurs statiques sont placés directement sur les tuyaux avant la floculation. Ils ont des temps de séjour très courts (inférieurs à la seconde). Les performances de ces appareils diminuent avec le débit à traiter.

4.1.2.

Floculation

La floculation des ERU suit des règles semblables à la floculation en AEP (eaux de surface) avec des dispositifs simplifiés car la densité des particules favorise les contacts. Les vitesses ascensionnelles ne dépassent pas 1,5 m/h avec des polyélectrolytes employés seuls, 2 m/h avec des sels métalliques. La floculation est effectuée dans des enceintes munies de systèmes d’agitation, appelées floculateurs. Un floculateur est caractérisé par son gradient de vitesse, son temps de contact et les vitesses (maximum 40 cm/s pour un flot d’hydroxyde métallique). Il y a deux familles de floculateurs :  les floculateurs agités (organe mobile d’agitation) : ils peuvent être à barrières ou à hélice ;  les floculateurs à chicanes ou statiques pour créer des changements brusques de direction du fluide à traiter ; les pertes de charge résultantes fournissent l’énergie nécessaire à la floculation. La cuve et le système d’agitation sont conçus pour : éviter des zones mortes ; récupérer (sous forme de turbulence), l’énergie dissipée ; ne pas avoir de court-circuit entre l’entrée et la sortie. Les floculants sont (doses influencées par la température et le pH) des polyélectrolytes de synthèse qui :  permettent de floculer une fraction des colloïdes ;  pour des ERU diluées et fraîches, il convient d’utiliser des produits anioniques ;  pour des eaux concentrées et septiques, l’emploi des produits cationiques est courant ;  les rendements après décantation peuvent atteindre 60% pour la DBO5, et 75% pour les MES.  avec des coagulants (sels métallique [sels de fer et d’aluminium) ou chaux), les rendements peuvent atteindre 75% sur la DBO5 et 90% sur les MES. Les vitesses de transfert entre le floculateur et le décanteur ne doivent pas dépasser 0,20 m/s pour un flot fragile et 0,50 m/s pour un flot résistant. NB : La floculation hydraulique (ou mécanique) sans apport de réactifs améliore le rendement de la décantation en favorisant les contacts entre les MES. Elle donne de bon résultat lorsque les boues sont lourdes.

4.2. La décantation La décantation est la méthode de séparation la plus fréquente des :  des MES seules : décantation primaire après prétraitements et avant biologique ;  des MES et des colloïdes (particules de 1 µ à 1 mm rassemblés par flocs après une étape de coagulation-floculation) : décantation secondaire après traitements physico-chimiques. La vitesse lente de l’eau permet le dépôt des matières lourdes (organiques ou minérales) et d’éliminer environ 30 % de la pollution organique et 50 % des MES. Le dépôt au fond du décanteur constitue les boues (primaires ou secondaire) qui vont extraites régulièrement et traitées dans la filière boues. Suivant les matières décantables en jeu, la décantation est différente :  les particules grenues décantent indépendamment les unes des autres avec chacune une vitesse de chute constante (boues primaires après prétraitements et boues secondaires de biologique) ;  les particules floculées ont des tailles et des vitesses de décantation variables ; la vitesse de chute augmente avec celles des dimensions du floc (par suite de rencontres d’autres particules : décantation diffuse) : boues secondaires de traitements physico-chimiques. La décantation primaire est indispensable dans le cas de cultures fixées. Elle préserve le traitement biologique et évite en particulier tout risque de colmatage. Dans un décanteur :  l’écoulement doit être homogène (répartition de l’eau brute et collecte uniforme de l’eau décantée) ;  il doit être le moins turbulent possible ; la dissipation progressive de l’énergie à l’entrée ;

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

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écoulement, concentration, évacuation des boues constituent la part essentielle au bon fonctionnement.

La multiplicité de situations en traitement d’eau conduit à une très grande variété de décanteurs :  décanteurs statiques (sans recirculation de boues) :  sans raclage : décanteurs cylindro-coniques ou à flux horizontal,  avec raclage mécanique des boues : circulaires (raclage radial), rectangulaires (avec pont racleur) ; bonne récupération des boues en fond,  combinaison d’une zone de coagulation floculation avec une zone de décantation lamellaire,  raclé à succion des boues (avec succion radiale, diamétrale ou annulaire) ;  décantateur à contact de boues :  à lit de boues (l’eau flocule en passant dans le lit filtrant) lamellaire ou non,  à recirculation de boues,  décanteur épaississeur,  décanteur digesteur : les matières décantables sédimentées dans la partie basse de l’ouvrage sont stabilisées par digestion anaérobie, amorçant ainsi la filière boues ;  décanteur à masse de contact granulaire (catalysant le sable). L’entretien et la surveillance de ces ouvrages consiste en :  décanteur-digesteur :  éliminer les écumes et matières flottantes (toutes les semaines) ;  racler les parois et vérifier les lumières (une fois par mois) ;  malaxer le chapeau de boues, une fois par semaine, pour évacuer les gaz de digestion ;  s’il y a des remontées de MES, contrôler le débit d’alimentation (réglage débit maximal) ;  s’il y a des remontées de paquets de boues (décanteur et digesteur ne communique plus) : extraire les boues du digesteur, tringler les lumières, racler les parois du digesteur ;  s’il y a des écumes jaunes ou grises (digestion acide) : suspendre les extractions de boues, réensemencer le digesteur en boues digérées et ajouter de la chaux ;  si les boues ne s’écoulent plus du digesteur : la canalisation est obstruée ;  si les boues ne sont pas digérées : digestion anaérobie ne se fait plus ; appel de spécialistes ;  si les boues sont très noires et malodorantes : présence d’effluent septique ; vérifier les fosses septiques et augmenter les fréquences de pompages sur les PR.  décanteur primaire raclé :  évacuer les boues en excès (soutirage ou pompage) vers la filière boues ;  nettoyer les goulottes et la cheminée centrale ;  vérifier l’usure du raclage de fond et du chemin de roulement (décanteurs raclés). Un mauvais entretien accroît la charge organique à traiter et dégage des odeurs nauséabondes. La surface d’un décanteur est déterminée à l’aide de deux critères :  charge hydraulique : volume à traiter par unité de surface et de temps (m 3/h par m2) ; pour un rendement de 90 %, la charge hydraulique doit être inférieure à 1 - 1,5 m3/h par m2 de surface ;  flux massique : quantité de MES à décanter par unité de surface et de temps (kg/h par m2). Les décanteurs lamellaires ont des charges hydrauliques pouvant atteindre 15 m3/h par m2 (prétraitements avec dégrillage fin et dégraissage soigné). Leurs boues sont peu concentrées et elles doivent ensuite être épaissies.

4.3. La flottation Le principe de fonctionnement est le suivant : l’eau à traiter, préalablement floculée (ou non), est mise en contact avec de l’eau pressurisée. Cela entraîne la formation de fines bulles d’air (ou gaz) qui se fixent sur les particules solides. L’ensemble particule/bulle (densité < eau) s’accumule à la surface. L’eau est pressurisée soit indirectement (contact avec de l’air sous pression) soit directement (pressurisation de l’eau). La boue est concentrée (MES > 50 g/l). La boue est collectée par un système de raclage.

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Les vitesses sont limitées à 10 m/h. Elle nécessite l’emploi de réactifs (polyélectrolytes cationiques) facilitant l’accrochage des micro bulles d’air sur les flocs. Pour les ERU on utilise généralement des flottateurs circulaires. La flottation est aussi utilisée pour l’épaississement des boues.

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CHAPITRE 5 - PROCÉDÉS BIOLOGIQUES – NOTIONS DE BASE 5.0. Introduction 5.0.1.

Principe de l’autoépuration

Lorsqu’un cours d’eau reçoit une pollution biodégradable, un déséquilibre se produit : les bactéries capables de dégrader la pollution se multiplient considérablement en consommant de plus en plus d’oxygène. Lorsque l’appauvrissement en oxygène devient trop important, les bactéries aérobies diminuent leur activité. Une dégradation anaérobie, plus lente, se met en place, produisant des gaz nauséabonds (fermentation) : dans ce cas la capacité d’autoépuration du cours d’eau a été dépassée. Le processus d’autoépuration est le suivant :  production de nombreuses bactéries (avec consommation d’oxygène) et de sels minéraux ;  apparition de micro-organismes prédateurs de bactéries (assimilent les sels minéraux) et d’algues qui produisent de l’oxygène (par photosynthèse) ;  le milieu retrouve progressivement une teneur en oxygène acceptable et son équilibre ; l’autoépuration a permis de transformer la surcharge organique en biomasse. L’oxygène provient de la dissolution de l’oxygène de l’air au contact de la surface de l’eau, et d’autre part de la photosynthèse des plantes aquatiques. La quantité d’oxygène dissous dépend de la turbulence, de la température (dissolution augmente quand température baisse) et de la limpidité de l’eau. Le fonctionnement des stations d’épuration biologique repose sur les principes de l’autoépuration.

5.0.2.

Principe de l’épuration biologique

Les micro-organismes présents naturellement dans les eaux usées se développent dans les ouvrages de traitement. Ils existent 2 grandes familles de micro-organismes :  les aérobies : ils ont besoin pour vivre d’oxygène libre qu’ils trouvent dans l’air ou dissous dans l’eau ;  les anaérobies : ils peuvent ou doivent vivre en l’absence d’oxygène libre ;  les 2 familles ont besoin d’avoir chaud (25 °C) et d’évoluer dans un milieu ni trop acide, ni trop basique (pH  7) ; ils se reproduisent par division successives. La voie principale de l’épuration biologique, voie aérobie, nécessite un apport d’oxygène pour les microorganismes qui dégradent la matière organique sous forme de gaz carbonique, eau et biomasse. On distingue l’épuration biologique par cultures fixées (les micro-organismes se développent sur un support) et par cultures libres (les micro-organismes sont maintenus en mélange intimes avec l’effluent). L’épuration biologique par lagunage nécessite un temps de séjour important des eaux. Elle crée des conditions nécessaires au développement d’algues et de crustacés (complétant l’action des micro-organismes). L’épuration par le sol (ou géoassainissement) utilise le sol comme support pour les micro-organismes épurateurs.

5.0.3.      

Définitions

Aérobie : réaction en présence d’oxygène (O 2 > 1 mg/l) ; elle s’instaure spontanément dans les eaux aérées. Anaérobie : absence totale d’oxygène (O2 = 0), en milieu réducteur (asphyxie totale). Fermentation : dégradation de certaines substances organiques, souvent accompagnée de dégagements gazeux ; le traitement biologique fait appel à différents types de fermentation. Anoxie : environnement pratiquement exempt d’oxygène (O2 = 0) ; les bactéries sont « en apnée », elles consomment l’oxygène combiné aux nitrates (ce qui ne sera pas le cas en anaérobie).. Biofilm : formé par fixation sur des supports très divers de micro-organismes (cultures fixées). Substrat : ensemble des produits contenus dans une eau et susceptible d’être utilisés par les bactéries pour leur croissance. Ces éléments peuvent être classés de la façon suivante :  éléments majeurs : C, H, O et N,  éléments mineurs : P, K, S et Mg,

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   

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 vitamines et hormones,  éléments traces ou oligo-éléments (Co, Fe, Ni, ….). Biomasse : masse totale des êtres vivants subsistant en équilibre sur ou dans un milieu donné. Dans l’eau, elle constituée essentiellement par le carbone organique (formule très simplifiée C 5H7NO2 ; une formule très simplifiée de la pollution organique est C10H19O3N). Boues activées : suspension boueuse contenant la flore bactérienne épuratrice du bassin d’aération. Digestion thermophile : procédé de stabilisation qui permet de profiter du caractère exothermique de la réaction chimique pour porter la température du milieu entre 50-55 °C. Digestion mésophile : idem mais avec température du milieu entre 33-35 °C.

5.1. Notion de biomasse La croissance bactérienne en milieu renouvelé (substrat arrive d’une façon continu au cours du temps) est caractéristique des procédés d’épuration. On utilise des approximations pour son estimation.

5.1.1.

Développement théorique d’une culture bactérienne

La croissance d’une biomasse est définie à l’aide des 3 paramètres :  taux de croissance horaire (nombre de divisions par unité de temps) ;  temps de génération (temps de doublement de la population) ;  vitesse spécifique de croissance (accroissement relatif par unité de temps). Après ensemencement, une culture bactérienne se développe jusqu’à épuisement du milieu nutritif. On distingue quatre phases spécifiques.

Phases Phase 1 Phase 2

Interprétation La vitesse spécifique de croissance est nulle. Les bactéries présentes s’adaptent au milieu et à la nourriture (elles commencent leur repas). Exponentielle Elles se développent très rapidement en doublant leur nombre toutes les dix minutes. La croissance dépend de : pH, température,nature des bactéries, nature et concentration des nutriments. Après digestion de la nourriture, elles rejettent : aérobie, gaz carbonique et eau ; anaérobie, méthane, gaz carbonique, hydrogène sulfuré.

Phase 3

Stationnaire

Le nombre de bactéries vivantes reste constant. (l’arrêt de la croissance peut s’expliquer par : épuisement du substrat, accumulation de déchets toxiques ou évolution défavorable des conditions physico-chimiques comme le pH).

Phase 4

Déclin

Faute de nourriture, les bactéries meurent et ne se reproduisent plus. Le nombre de bactéries vivantes chute. Le taux de mortalité va augmenter. L’ensemble des bactéries en train de digérer et les cadavres constitue les boues.

Latence

Description des étapes de la croissance discontinue Ces différentes phases sont valables en milieu aérobie ou anaérobie. La modélisation générale de la courbe s’écrit : dB/dt = (µ-b) B0 avec :  µ = vitesse spécifique de croissance.

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  

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b = coefficient de mortalité. B = biomasse au temps t. B0 = biomasse initiale.

Dans ce modèle, le paramètre µ dépend de la concentration des substrats utilisés pour la croissance. MONOD, s’inspirant des lois de la cinétique enzymatique, a déterminé une expression quantifiant le phénomène. La vitesse de croissance bactérienne est approchée par l’expression : µ = µmax (S/ (KS+S)) :  S = concentration en substrat ;  KS = constante de MONOD (concentration seuil au-dessous de laquelle le taux de croissance devient très dépendant de la concentration du substrat) :  si S tend vers 0, µ tend vers 0,  si S tend vers KS, on a µ = µmax/2,  si S tend vers infini, µ tend vers µmax ; =  µmax vitesse maximale de croissance ;  µ = vitesse de croissance. Cette modélisation de la croissance ne représente qu’incomplètement le phénomène réel. Pour les eaux usées, la réalité est bien plus complexe car les bactéries ont à leur disposition une multitude de substrats. Le plus facilement assimilable est le premier utilisé (si la bactérie en est capable).

5.1.2.

Application aux eaux usées (ERU)

Les éléments nutritifs permettant une croissance bactérienne dans l’épuration des eaux usées sont le carbone (le plus important), l’oxygène, l’azote, le phosphore et les oligo-éléments. Les valeurs de KS sont de l’ordre de :  KLe : 75 à 80 mg/l, (Le est la DBO5 qui représente la fraction organique biodégradable),  KN : 0,2 mg/l (N symbolise NTK),  KP : 0,4 mg/l (P symbolise les orthophosphates),  KO2 : 0,5 mg/l. Seule la valeur de KO2 peut être limitante en période d’anoxie pour la croissance bactérienne. L’expression générale de la croissance bactérienne est : µ = µmax (Le / (KLe + Le)) (N / (KN + N)) (P / (KP + P)) …. On simplifie l’expression de la croissance sous la forme : µ = µmax (Le / (KLe + Le)), en tenant compte uniquement du principal nutriment présent dans les eaux usées : le carbone mesurée par la DBO5. Sa teneur dans l’eau brute, de l’ordre de 400 mg/l, est fortement supérieure à la valeur limite de 80 mg/l (µ  0,85 µmax). La vitesse de disparition d’un substrat en fonction du temps peut prendre plusieurs allures :  réaction d’ordre 0 si dS/dt = cte ; la vitesse est indépendante de la concentration en substrat ;  dans le cas contraire, on a une réaction dite d’ordre n avec dS/dt = KS Sn. Dans les STEP à forte charge (de pollution), le substrat n’est pas limitant et on a µ = µ max. La biomasse est en phase exponentielle. Le taux d’épuration varie linéairement avec le temps de séjour dans l’étage biologique. Elles ont un rendement de la pollution carbonée de l’ordre de 85 %. La boue est produite en quantité importante (concentrée en MO et très fermentescible avec  1,1 kg de MVS par kg de DBO5 éliminés). Dans le cas des moyennes charges (Le faible devant KLe), la biomasse se trouve en phase de croissance ralentie. Quand la concentration en DBO5 devient inférieure à un seuil, il y a ralentissement de la vitesse de disparition du substrat (DBO5). Cela signifie que les dernières fractions de substrat sont souvent difficiles à éliminer.

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5.1.3.

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Biodégradabilité de la pollution

a)

Rapport C/N/P

En mode aérobie, une croissance normale de la biomasse nécessite des apports de carbone, d’azote et de phosphore dans la proportion de 100 / 5 / 1 (DBO5 pour le carbone, NKT pour l’azote et Pt pour le phosphore). Dans le cas d’un effluent urbain, on a : C/N/P => DBO5/NKT/P = 400 / 80 / 15 = 100/20/ 3,75. Aucune carence nutritionnelle n’est relevée. Les effluents industriels présentent souvent une carence en N et/ou en P.

b)

Rapport de biodégradabilité

Le rapport de biodégradabilité k (DCO / DBO5) représente la fraction de la de la DCO biodégradable. Valeurs de k 1,5 2à3 >5

Caractère de l’effluent Spontanément biodégradable Biodégradable avec un traitement adéquat. Concerne un effluent urbain. Non biodégradable. Concerne un effluent industriel (traitement physico-chimique s’impose).

Le rapport DCO/DBO5 est de 1,5 à 2,5 pour les eaux usées ; supérieur à 3 pour une eau épurée. Rappel : si dans l’eau toutes les matières organiques étaient biodégradables, on devrait avoir DCO = DBO 21 (DBO ultime). C’est le cas pour le glucose. S’il y a des matières organiques non biodégradables on a : DCO > DBO21. Au cours d’un traitement biologique le rapport de biodégradabilité augmente sensiblement.

5.2. Cultures bactériennes aérobies Les procédés biologiques aérobies sont nombreux tant qu’en épuration, qu’en potabilisation (par exemple, dégradation du carbone, nitrification suivie de dénitrification pour l’azote, pour boues activées et biofiltres).

5.2.1.

Elimination du carbone

Les paramètres mesurant la pollution carbonée sont : DBO5, DCO et MES. Cette pollution est présente sous 3 formes dans les eaux usées : décantable, colloïdale et soluble. Les MES sont pour 2/3 minérale et 1/3 organique. Fraction décantable MES 2/3 DCO, DBO5 1/3

Fraction colloïdale 1/3 1/3

Fraction soluble 1/3

Une simple décantation permet d’éliminer environ 30 % de la pollution carbonée. Le rendement en mode physico-chimique (coagulation - décantation) monte à 60 %, car la fraction colloïdale est touchée. La pollution carbonée soluble est éliminée, par un traitement biologique, en produisant de la biomasse (le rapport C/N/P, représenté par DBO5/NK/P, nécessaire à une croissance équilibrée est de 100/5/1).

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5.2.2.

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Elimination de l’azote

Les méthodes physiques ou chimiques ne sont pas envisageables pour éliminer l’azote en traitement d’eaux usées. La seule voie est la voie biologique qui fait appel à 4 processus d’oxydo-réduction :  ammonification : transformation de l’azote organique en azote ammoniacal ;  assimilation : utilisation de l’azote ammoniacal pour la synthèse bactérienne ;  nitrification : oxydation de l’azote ammoniacal en nitrites puis nitrates ;  dénitrification : réduction des nitrates en azote gazeux.

a)

Ammonification (transformation en NH4)

L’ammonification est une minéralisation : l’azote organique (Norg de concentration moyenne 20 mg/l) devient, sous l’action de la biomasse, minéral de formule NH4+. Seuls 78 % de Norg est ammonifiable (22 % sont résistants à ce processus en raison essentiellement de leur nature particulaire).

b)

Assimilation

La quantité assimilée répond au ratio C/N/P égal à 100/5/1. L’azote consommé par la biomasse est de l’ordre de 5 % de la DBO5 éliminée. Si 380 mg/l de DBO5 sont éliminés, le flux d’azote assimilé est de 19 mg/l. L’assimilation de l’azote se fait avec la forme NH4+. La pollution carbonée + oxygène + NH4 + bicarbonate donnera par l’intermédiaire des bactéries : gaz carbonique + eau + bactéries. Le rendement d’élimination est en moyenne de 20 %. Il est plus important dans les fortes charges massiques.

c)

Nitrification

La réaction de nitrification se décompose en deux étapes distinctes :

Les bactéries de la nitritation appartiennent aux genres Nitrosomonas et Nitrocystis et celles de la nitratation, aux Nitrobacter et Nitrocystis. Elles utilisent l’énergie pour assimiler le carbone minéral sous forme de CO2. La vitesse de nitratation est supérieure à celle de nitritation ; cette dernière est limitante pour la nitrification. On constate par mg de N - NH4+ nitrifié, on a :  consommation de 4,18 mg d’O2, (ou 4,3 mg d’O2 par mg de NO3 produit) ;  production de 0,17 mg de biomasse (MVS),  consommation de 0,7 °F de TAC (soit 7 mg/l de CaCO3 car 1 °F = 10 mg/l de CaCO3) ; cette consommation permet de neutraliser l’acide produit lors de l’oxydation de NH4 en NO3 ;  la cinétique est de l’ordre de 2 à 3 mg de N par g de MVS par heure. Un TAC trop faible (< 5°F) peut inhiber la nitrification même si toutes les autres conditions, comme le pH (optimal entre 7,5 et 8,8), l’oxydation ou l’âge de boue (important), sont réunies. La température doit être supérieure à 8 °C. L’âge minimal des boues dépendra de la température : au moins 19 jours à 8 °C et au moins 6 jours à 22 °C (l’âge minimal est donné par la formule : Aminimal = 6,5 (0,914)T-20).

d)

Dénitrification

La dénitrification est synonyme de respiration nitrate en milieu anoxie. (dénitrification = présence de NO 3- dans le milieu + absence d’O2 dissous). La biomasse consomme l’oxygène des nitrates. L’équation globale s’écrit : 2 NO3- +2 H3O+ ---> N2+3 H2O + 5/2 O2 La dénitrification autorise une récupération de 2,85 g d’O2 par mg de N-NO3- dénitrifié. Elle restitue aussi du TAC : 0,36 d°F par mg de N soit 3,6 mg de CaCO3. Les conditions optimales sont pour un pH entre 6,5 et 7,5 ; un âge des boues faibles. La cinétique est de l’ordre de 1 à 3 mg de N par g de MVS par heure.

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L’ammonification du NO3- en NH4+ procure de l’azote à la biomasse pour leurs besoins métaboliques. Les genres bactériens concernés sont Alcaligenes, Bacillus, Thiobacillus et Pseudomonas. Ces derniers sont majoritaires et présentent une forte vitesse de croissance. Les micro-organismes vrais dénitrificateurs possèdent en outre une Nitrite Réductase qui procède à la réaction suivante : 2 NO2- +2 e- + 4 H+ —> N2O + 2 H2O Le protoxyde d’azote N2O a une durée de vie d’environ 150 ans dans l’atmosphère et est reconnu comme un gaz à effet de serre. Il participe à la dégradation de la couche d’ozone. Une dénitrification complète nécessite 4 réductions (et systèmes enzymatiques) distinctes : Enzyme Nitrate réductase N itrite réductase Oxyde nitrique Oxyde nitreux réductase réductase Réaction NO3- — > NO2NO2- —> NO NO —> N2O N2O —> N2 En réalité, les réactions sont plus compliquées et on peut distinguer 3 chaînes de réactions selon l’origine du carbone (carbones organique de l’eau usée, carbone organique de la biomasse et carbone organique exogène) : La dénitrification endogène (carbone organique de la biomasse) peut se dérouler au niveau du clarificateur et provoquer des pertes de boues dans l’eau traitée, du fait de la flottation du floc par les bulles de N2.

5.2.3. Types de procédés de nitrification – dénitrification pour les ERU L’ammonification est un processus automatique par toute biomasse (elle n’exige aucune condition particulière dans un traitement donné). L’assimilation se fait lors de l’élimination de la pollution carbonée (rapport C/N/P). Dans ce paragraphe, seules sont traitées nitrification et dénitrification :  nitrification : on oxygène beaucoup en augmentant l’aération ; cela permet la formation de NO3 ;  dénitrification : on envoie la liqueur obtenue dans un bassin sans oxygène (anoxie : pas d’oxygène dissous, mais oxygène combiné aux nitrates) ; les bactéries utilisent alors celui des nitrates avec formation d’azote gazeux qui s’évapore. Pour AEP : La nitrification peut se dérouler au sein soit d’une filière classique, soit spécifique. Une biomasse fixée élimine les ions NH4+ par oxydation en milieu aéré. Pour la dénitrification en milieu anoxie, un complément de carbone organique sous forme d’éthanol et de phosphore avec de l’acide phosphorique est indispensable.

a)

Nitrification

Dans le cas d’un procédé à boues activées, la nitrification nécessite le respect des conditions suivantes :  âge de boues important (paramètre fonction de la température : 6 jours à 20 °C et 17 jours à 10 °C) ;  pH compris entre 6 et 8 pour un optimum de 8,5 ;  teneur en O2 dissous comprise entre 0,5 et 2 mg/l ;  TAC de l’eau brute supérieur à 5 °F. Les composés organiques à base de soufre sont des inhibiteurs pour la biomasse nitrifiante L’effet de la température est essentiel. La cinétique de la nitrification est deux fois plus élevée à 20 °C qu’à 10 °C (les vitesses de nitrification varient de 1 à 2 g N.kg-1.MVS.h-1).

b)

Dénitrification

La dénitrification nécessite le respect des conditions suivantes :  âge de boues faible car la biomasse a une croissance rapide ;  pH compris entre 6 et 8 avec un optimum à 7 ;  teneur en O2 dissous très faible ;  DBO5 suffisante pour satisfaire les besoins en carbone organique. La vitesse de dénitrification dépend de 2 paramètres essentiels : température et carbone organique disponible (à 15 °C, vitesse de 2,5 à 3 g N-NO3-.kg-1.MVS.h-1). Si le rapport DCO/DBO5 est inférieur à 1,6, le carbone organique est limitant (et la vitesse ne pourra dépasser la valeur de 0,5 g N-NO3-.kg-1.MVS.h-1).

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La dénitrification existe simultanément à la nitrification en phase aérobie. Cela est possible par l’existence d’un gradient de concentration décroissant en O 2 dissous de l’extérieur vers l’intérieur du floc biologique (vitesse de 0,4 à 0,5 g N-NO3-.kg-1.MVS.h-1). Il faut tenir compte de ces valeurs pour dimensionner les bassins. Les phénomènes de nitrification et de dénitrification sont tout à fait contradictoires (conditions optimales respectives). En conséquence, les procédés de traitement de l’azote sont basés sur l’alternance spatiale et/ou temporelle de phases d’aération et d’anoxie. En résumé : Opposition

Points communs Complémentarité

c)

Nitrification Aérobie Carbone minéral Age des boues élevé soit Cm faible Forte sensibilité à la température pH de 7,5 à 8,5 Consommation d’alcalinité Consommation d’oxygène

Dénitrification Anaérobie Carbone organique Age des boues faible soit Cm forte Sensibilité moyenne à la température Ph de 6,5 à 7,5 Restitution d’alcalinité Restitution d’oxygène

Filières pour la dénitrification des eaux usées Boues activées une zone d’anoxie en tête

Ce procédé exige la mise en place deux bassins distincts. (faire le schéma ci-après). Son principe est :  bassin d’anoxie en tête de filière : c’est le lieu de la dénitrification ;  bassin d’aération : assure la nitrification et l’élimination de la majeure partie de la pollution carbonée ;  l’apport en NO3- est assuré par la recirculation de liqueur mixte en provenance du bassin d’aération ;  la biomasse dénitrifiante privée d’O2 (besoins en carbone organique satisfaits par l’arrivée d’eau prétraitée) recircule du clarificateur vers le bassin d’anoxie.

Cette configuration nécessite une recirculation de liqueur mixte de l’ordre de 150 à 400 % du débit d’eau brute (respect des conditions d’anoxie et rapport C/N suffisant). Recirculation des boues de 100 à 200 %. Le rendement optimal (85 %) est obtenu pour une recirculation des boues de 150 % et une recirculation de la liqueur mixte de 400 % (r = 1,5 et c = 4). Le dimensionnement du volume d’anoxie peut se calculer à partir, soit de la vitesse de dénitrification, soit du temps de contact qui doit être compris entre 1 et 2 heures. En général, le volume représente 25 % du volume total nécessaire à l’épuration (on préconise un brassage faible de puissance de 10 à 15 W.m-3). Alternance temporelle en bassin unique de la dénitrification

nitrification et

Les conditions optimales de ce procédé sont :  âge de boues supérieur à 10 jours ;  majoration de 30 % de l’aération par rapport à la seule élimination de la pollution carbonée ;  respect d’un temps minimal d’anoxie de l’ordre de 8 à 10 heures par jour ;

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

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un taux de boue d’environ 3 g MVS.l-1. Il est indispensable de prévoir un ouvrage de dégazage entre le bassin d’aération et le clarificateur.

La régulation de l’aération peut se concevoir, soit par horloge, soit par sondes oxymétriques ou rédox (réglage par horloge recommandé sur les petites STEP pour des raisons économiques et de maintenance des sondes). Procédés à biomasse fixée (biofiltres) : peuvent aussi être utilisés pour la dénitrification. Réacteurs à culture immobilisée en gel

Ce procédé de nouvelle génération permet de multiplier par 3 la cinétique de nitrification (par rapport à une biomasse libre) et par 2 la charge éliminée. Il est très adapté à la réhabilitation des stations d’épuration. Les bactéries nitrifiantes sont encapsulées dans des biocubes (taille de 3 mm et constitués de gel non biodégradable) qui sont maintenus en suspension dans le bassin par une aération fines bulles.

5.3. Cultures bactériennes anaérobies Ces bactéries sont particulièrement intéressantes pour l’épuration d’eaux très chargées, la stabilisation des boues et la déphosphatation qui combine une phase anaérobie suivie d’une aérobie. Le nombre d’installations mettant en oeuvre un procédé à biomasse anaérobie est encore limité.

5.3.1.

Déphosphatation biologique

La déphosphatation biologique est une alternative permettant de remédier aux 2 inconvénients majeurs de la déphosphatation physico-chimique : surproduction de boues (15 à 30 % en plus) et coûts des réactifs.

a)

Procédé biochimique

La formule complète bactérienne C106H180O45N16P indique que la biomasse renferme 1,38 % de P. Certaines bactéries qu’on sèvrent d’oxygène (en la mettant en milieu anaérobie : stress anaérobie), se mettent à consommer 3 à 4 fois plus de phosphate (sous forme de polyphosphate), que leurs besoins d’assimilation normaux, si on lui redonne de l’oxygène (aération). La principale espèce bactérienne responsable de ce phénomène est Acinetobacter calcoaceticus hvoffii. Ce phénomène est aussi appelé « assimilation pléthorique ». En mode anaérobie, cette bactérie relargue massivement le phosphate qu’elle a stockée en milieu aérobie. La quantité de P absorbée en zone aérobie est directement fonction de la quantité relarguée. La condition indispensable à l’élimination biologique du phosphore est la période anaérobie. L’abattement de P par ce procédé est d’environ 14 à 18 mg/l de P (3,5 à 4,5 mg de P pour 100 mg de DBO5 éliminée). Cela correspond à un pourcentage d’élimination théorique de 70 à 80 %. Le phosphore sera extrait avec les boues en excès. Dans les boues normales, on trouve 1,5 à 3 % de P (par rapport aux MES) ; dans les boues déphosphatantes, on atteint des taux de 4 à 7 % de P par rapport aux MES. Il ne faut pas omettre l’assimilation classique du phosphore à hauteur de 1 % de la DBO5 éliminée, soit environ 4 mg/l, et ce, sans traitement spécifique (C/N/P : 100/5/1 avec DBO5 de 400 mg/l).

b)

Filières pour la déphosphatation biologique

La présence, en tête, du bassin anaérobie est indispensable (si on supprime anoxie, augmenter anaérobie). La zone d’anoxie évite les retours de NO3- en tête de station (si elle devient anaérobie : formation de composés réducteurs tels que sulfures à l’origine de certains dysfonctionnements et de nuisances olfactives). La maîtrise de ce processus nécessite le respect des données suivantes :  avoir une zone anaérobie stricte en supprimant tout retour de NO 3- et NO2- (leur présence favorise le développement de bactéries dénitrifiantes non déphosphatantes) ;  prévoir une puissante oxygénation de la liqueur mixte en zone aérobie ;  limiter le temps de séjour des boues dans le clarificateur (éviter période anaérobie) ;

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 

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âge de boues : 10 à 12 jours (le plus faible possible, mais compatible avec nitrification) ; traitement des boues : flottation ou centrifugation (épaississement statique proscrit).

Suivant la valeur du rapport DBO5 / P de l’eau prétraitée ou décantée, le respect de l’objectif de rejet de l’eau traitée est différent, à savoir PT1 (2 mg/l) si DBO5 / P > 27 et PT2 (1 mg/l) si DBO5 / P > 40. Le dimensionnement du bassin anaérobie peut se concevoir de 2 façons différentes :  soit 1/5 à 1/3 du volume aérobie ;  soit un temps de contact compris entre 2 et 4 heures.

5.3.2. a)

Méthanisation – Digestion anaérobie des boues Procédé biochimique

La méthanisation est un processus de dégradation des matières organiques, en mode anaérobie, qui mène à la formation de méthane (existence des gaz de marais combustibles à l’origine des feux follets). Elle comporte deux variantes (hautement énergétiques pour les deux) :  une première voie, représentant 30 % du flux total de CH 4, fait appel à Methanococcus et à Methanosarcina barkeri. Ces bactéries ont une vitesse spécifique de croissance relativement faible avec un temps de génération de quelques heures.  une seconde voie, responsable de 70 % de la formation du méthane, est le fait de bactéries telles que Methanosarcina barkeri ou mazei ainsi que de Methanothrix soehngenii. Leur division demande quelques jours, leur croissance est très lente.

b)

Filières pour la digestion anaérobie des boues  Filières possibles

Les premiers digesteurs étaient des ouvrages non chauffés avec un temps de séjour de 2 à 3 mois. Actuellement, on utilise surtout des ouvrages chauffés. La digestion est mésophile ou thermophile respectivement pour de température de 33-35 °C et 50-55 °C et des temps de séjour 15-25 jours et 12-15 jours. On distingue 3 types de digesteurs pour les boues, dont les caractéristiques sont données ci-après :  faible charge non chauffé : charge volumique de 0,4 kg de MVS m-3.j-1 (volume : 150 à 200 l/hab) ;  moyenne charge : à la fois digestion et épaississement avec brassage limité dans la partie haute :  charge volumique de 0,8 à 1,2 kg de MVS m-3.j-1,  volume : 40 à 70 l/hab (en fonction de la température) ;  forte charge : digestion complète (sans épaississement) avec brassage intense :  charge volumique de 2 à 3 kg de MVS m-3.j-1,  volume : 30 à 50 l/hab (en fonction de la température) ;  une forte gazéification est le signe d’un bon fonctionnement. Certaines installations comportent 2 ouvrages : un digesteur primaire (lieu de la digestion proprement dite, donc chauffé et brassé) et un digesteur secondaire (épaississement et stockage de la boue digérée). Le traitement d’effluents industriels fortement chargées en DCO (distillerie, vinicole ou produits alimentaires) est possible par digestion anaérobie (digesteurs classiques ou à cellules fixées).

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 Conditions d’exploitation

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Pour optimiser l’exploitation des digesteurs, il faut considérer les paramètres suivants :  alimentation en boues fraîches continue (si fort apport en MO, le développement de bactéries acidifiantes perturbent celui des méthanogènes ; le digesteur passe en phase acide) ;  la biomasse des digesteurs est sensible aux métaux lourds (Cr3+ et Zn2+), aux organochlorés et à NH4+ ;  maintien température des boues : 1 000 à 1 300 kcal par m3/j (chaudières-échangeurs au biogaz) ;  brassage (assure mélange boues fraîches - boues digérées et casse le chapeau en partie supérieure) : par recirculation de boues, par introduction de gaz sous pression (8 à 1 m3 de gaz par m2 de surface) ou par brassage mécanique par agitateur (puissance : 3 à 8 W.m-3) ;  surveillance obligatoire des paramètres suivants : pH, Eh, pH2 et taux d’acides volatils dissous (la seule connaissance de la variation du pH est insuffisante) ;  surveillance indispensable d’un taux constant de biogaz CH4 ;  lavage obligatoire du gaz produit (procédé chimique : Fe(OH)3 ou biologique (Biosulf) ;  les boues digérées doivent être noires (dû à la présence Fe 2S3). granuleuses, avoir une odeur de goudron et ne présenter aucune nuisance olfactive. La production de gaz varie de 800 à 900 NL (normo litres) par kg MVS détruit ou à 350 NL par kg de DCO. Sa composition s’établit est : 55 à 75 % de CH4, 0,7 % de N2, 25 à 40 % de CO2, 1 à 5 % d’H2 et 0,1 à 0,5 % H2S (un faible taux d’H2S est nécessaire car c’est un inhibiteur puissant de la méthanogénèse acétoclastique).

 Résultats Les boues correctement digérées (stables chimiquement et biologiquement) ont les caractéristiques suivantes :  réduction de l’ordre de 35 à 50 % des matières organiques ;  ammonification de 30 à 40 % ;  réduction de 15 à 30 % de la masse de la boue ;  fermentation ultérieure nulle ;  pH compris entre 6,8 et 7,8.

5.4. Synthèse Les traitements biologiques ne font que reprendre des phénomènes naturels. Deux voies sont possibles :  voie aérobie, les bactéries ont besoin pour vivre d’oxygène libre (dans l’air ou dissous dans l’eau) :  le carbone organique se retrouve sous forme de CO2 et de biomasse,  cette voie est utilisée pour la nitrification et le traitement du phosphore ;  la voie anaérobie, les bactéries peuvent vivrent en l’absence d’oxygène libre en milieu réducteur :  le carbone organique après dégradation se retrouve sous forme de CO2, CH4, H2S et biomasse,  elle est utilisée pour le traitement du phosphore (stress anaérobie) et la digestion des boues. La dégradation aérobie de la matière carbonée est plus rapide (production de boues plus faible en anaérobie). Le taux de génération des germes aérobies est plus élevé que celui des germes anaérobies. Le bon déroulement d’une fermentation aérobie ou anaérobie demande des conditions strictes de température et pH. Il est également nécessaire que le milieu ne contiennent pas produits toxiques ou inhibiteurs susceptibles de ralentir, voire stopper, l’activité bactérienne (métaux lourds, cyanures, fluorures, arséniates, chromates, …). Le traitement biologique de l’azote consiste en une nitrification et dénitrification :  nitrification : on oxygène beaucoup en augmentant l’aération ; cela permet la formation de NO3 ;  dénitrification : on envoie la liqueur obtenue dans un bassin sans oxygène (bassin d’anoxie) ; les bactéries utilisent alors l’oxygène des nitrates avec formation d’azote gazeux qui s’évapore. Le traitement biologique du phosphore repose sur le stress anaérobie de bactéries : une bactérie que l’on met en milieu anaérobie (sevrage d’oxygène) se met à consommer 4 fois plus de phosphate quand on lui redonne de l’oxygène (bassin d’aération). De retour dans le bassin anaérobie, elle relargue le phosphore stocké.

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6. PROCÉDÉS BIOLOGIQUES – EPURATION PAR CULTURES LIBRES 6.1. Principe de l’épuration par cultures libres Rappels : L’épuration des eaux usées domestiques comprend quatre étapes essentielles :  l’élimination des déchets facilement séparables (prétraitements) ;  la transformation de la pollution dissoute en produits décantables ;  la séparation entre l’eau épurée et les produits décantables ;  la stabilisation et le devenir des boues.

6.1.1.    



L’épuration par cultures libres

Un traitement secondaire biologique consiste à mettre en contact l’eau usée et des micro-organismes aérobies (qui ont besoin d’oxygène) qui transforment la matière organique en matière minérale. La rencontre se passe dans un réacteur. Il existe plusieurs type de réacteurs : lit bactérien (le plus simple), le bassin de boues activées (le plus utilisé) et le lit immergé (le plus récent). Dans un traitement par cultures libres, on maintient en suspension un mélange eaux usées-bactéries aérobies, appelé « boues activées » ou « liqueur mixte ». dans un bassin d’aération (ou d’activation) Les phénomènes en jeu sont les mêmes que dans une rivière, à la différence que les micro-organismes sont en très grand nombre dans le bassin d’activation (espace réduit). L’apport d’oxygène et le brassage du mélange « eaux usées - bactéries" sont assurés par : aération de surface (turbine), diffusion de bulles (insufflateur d’air) ou un couplage brassage - aération. Les micro-organismes qui dégradent la pollution s’agglomèrent entre eux et forment un floc décantable (les « boues activées »), qui est ensuite séparé de l’eau dans un clarificateur.

6.1.2.

Filières de traitement par cultures libres

Une station d’épuration par cultures libres comporte :  les ouvrages de prétraitements et de comptage (débitmètre) communs à toutes les stations ;  parfois, un décanteur primaire ;  le bassin d’aération à boues activées ;  éventuellement d’autres bassins : d’anoxie (pour traitement biologique de l’azote), parfois précédé (ou remplacé) par un bassin anaérobie (pour traitement biologique du phosphore) ;  un puits de dégazage, en sortie du bassin d’aération :  un clarificateur (parfois appelé décanteur secondaire), avec poste de recirculation des boues ;  une filière de traitement des boues. La dénitrification peut être réalisée dans le bassin d’aération, si l’on y aménage des périodes d’anoxie. La déphosphatation peut elle aussi être assurée, au moins partiellement, par voie biologique. Dénitrification et déphosphatation peuvent être réalisées sur la même station.

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Sont présentés ci-après des synoptiques de quelques files de traitement par cultures libres.

6.1.3.

Les matières de vidange

Le traitement biologique ne peut s’effectuer que sur un effluent brut « frais ». Les fosses septiques, les séjours prolongés dans les canalisations sont à proscrire car ils provoquent des fermentations. Toutes les matières incompatibles avec un traitement biologiques doivent être refusées sur station d’épuration. Le dépotage de matières de vidange dans une station d’épuration biologique doit être particulièrement surveillé. D’une manière générale, les seules matières de vidange admissibles sur station d’épuration sont celles de fosses toutes eaux ou de fosses septiques. La tenue d’un cahier d’admission des matières de vidange est indispensable. Il doit comporter notamment le volume, l’origine et l’aspect de la livraison. Dans tous les cas, il faut se conformer aux prescriptions du plan départemental d’élimination des matières de vidange qui définit leur destination et demander l’avis du SATESE avant l’admission. La fosse de réception des matières de vidange doit être muni d’un dégrillage et d’un dispositif de régulation de la réinjection sur la station d’épuration (permettant d’effectuer des apports de faibles débits, de manière parcimonieuse et aux périodes creuses).

6.2. La décantation primaire La décantation primaire a pour but d’éliminer de l’effluent les matières décantables (organiques ou minérales) et d’éliminer ainsi environ 30 % de la DBO5 (pollution organique) et 50 % des MES (matières en suspension). Elle peut parfois être évitée (sur les STEP de petite taille, et fonction des traitement qui suivent). C’est notamment le cas dans les stations d’épuration par cultures libres.

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6.2.1.

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Techniques et équipements

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La décantation est assurée dans des décanteurs statiques ou raclés. La vitesse lente de l’eau permet le dépôt des MES au fond du décanteur. Cela constitue les boues primaires qui sont envoyées, par pompage, (ainsi que les boues secondaires du clarificateur) vers la filière des boues (stabilisateur aérobie ou digesteur anaérobie). L’efficacité d’un décanteur est améliorée lorsque l’arrivée des eaux se fait par une cheminée centrale ou « clifford », qui permet de les répartir régulièrement et de briser l’effet de jet (qui perturbe la décantation). Les décanteurs sont équipés de cloisons siphoïdes qui permettent de retenir les flottants et graisses résiduelles. Réalisés pour des stations traitant à partir de 1 000 à 2 000 EH, les décanteurs raclés sont en général circulaires. Un système de raclage de fond ramène les boues au centre de l’ouvrage (puits à boues) où elles sont reprises.

6.2.2.

Observations, interprétations, interventions

Dans un décanteur, l’écoulement de l’effluent doit être réparti sur l’ensemble de l’ouvrage. Le débit eaux doit être inférieur à 1,5 m3/h par m2 de surface. La surface du décanteur doit être régulièrement entretenue.

a)

Observations et interventions sur un décanteur

Le décanteur étant le siège de fermentations, l’observation de certains phénomènes permet d’évaluer son fonctionnement : importance des flottants, remontées de boues, odeur anormale, ... :  Présence de graisses ou de déchets divers (papiers, plastiques...) :  s’assurer du bon fonctionnement des ouvrages de prétraitement ;  écumer régulièrement les écumes et flottants.  Remontées de boues, avec souvent un dégazage intense :  effectuer une extraction de boues car leur quantité est trop importante ;  vérifier que la conduite d’extraction n’est pas obstruée ;  racler régulièrement les parois à pente insuffisante.  Boues extraites malodorantes (et parfois noires) : l’effluent est septique :  vérifier que des effluents de fosses septiques n’aient pas été raccordés au réseau ;  augmenter la fréquence des pompages aux postes de relèvement du réseau.

b) 

Observations et interventions sur un décanteur raclé

Odeur anormale ou remontée de boues en surface : les boues stagnent trop dans l’ouvrage :  vérifier l’état et le fonctionnement du système de raclage ;  vérifier le fonctionnement du système d’extraction des boues et en augmenter la fréquence.

6.3. Le traitement par cultures libres – Boues activées

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6.3.1.

    

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Techniques et équipements

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Dans un bassin d’aération, la forme de l’ouvrage et la technique d’aération utilisée sont combinées de manière à obtenir la meilleure diffusion de l’oxygène dans l’effluent. Un puits de dégazage après le bassin d’aération permet d’améliorer le fonctionnement du clarificateur. Pour éliminer les nitrates, l’effluent séjourne dans un bassin d’anoxie qui assure la dénitrification. Pour déphosphatation (voie biologique), l’effluent transite régulièrement dans un bassin anaérobie. Pour déphosphatation (voie physico-chimique), il faut injecter dans l’effluent des produits coagulants.

a)

Le bassin d’aération

Il doit assurer de manière homogène dans tout le bassin à la fois aération et brassage des boues activées pour maintenir en suspension les micro-organismes et leur fournir l’oxygène et les matières nutritives nécessaires. L’aération a 2 objectifs qui doivent être satisfait à tout moment :  l’oxygénation : fournir l’oxygène pour l’oxydation de la matière organique et de NH4 ; ;  le brassage : favoriser le contact entre pollution, bactéries et oxygène et éviter les dépôts. Les besoins en oxygène dépendent de :  la pollution carbonée (DBO5) : oxydation de la matière organique ;  la respiration endogène (MVS) : respiration endogène des boues ;  la pollution azotée : nitrification. Ces besoins représentent 60 à 80 % des dépenses énergétiques et environ 20 % du coût d’exploitation de la STEP. Ces besoins varient en fonction de la température, de la pression atmosphérique et de la teneur en MES. Les principales caractéristiques d’un aérateur sont :  sa capacité d’oxygénation CO (kg O2 dissous / m3 BA / heure) ;  son apport horaire AH (kg O2 dissous / heure) : AH = CO x VBA ;  son apport spécifique brut ASB (kg O2 dissous / kWh consommé) ; c’est la masse d’oxygène introduite dans le BA pour une dépense d’énergie de 1 kWh : ASB = AH / E1h = (CO x VBA) / E1h ; le coefficient ASB est donné par les constructeurs pour de l’eau claire ; pour les boues, on introduira un facteur correctif global FG qui permettra de calculer ASB en boues = ASB* = ASB x FG ;  la puissance théorique absorbée sera : besoins en O2 en pointe / (ASB x FG) ;  son rendement d’oxygénation (en % = kg O2 dissous / kg O2 introduit). Les systèmes d’aération sont :  aération de surface :  turbines : lentes (ABS  1,5 ; FG = 0,7) ou rapides (ABS  1,0 ; FG = 0,7) ;  brosses :  0,7 à 0,85 m (ASB  1,4 – 1,5) ou  1 à 1,05 m (ABS  1,5 à 1,7) ;  aération par insufflation d’air (la puissance consommée dépend du débit et du rapport entre les pressions d’aspiration et de refoulement) : [débit d’air (m3/h) = BO2 (kg O2/h) x 1 000 / (Rdt x ASB x FG x H) ; Rdt : entre 3,8 à 6,8 % ; H : hauteur de liquide au dessus des diffuseurs]  grosses bulles ( > 6 mm) : ABS < 1,0 ;  moyennes bulles ( de 4 à 6 mm) : ABS de l’ordre de 1,05 ; FG = 0,7 :

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

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 fines bulles ( < 3 mm) : ABS de l’ordre de 2,5 ; FG = 0,5 ; systèmes à base de pompes : éjecteur (pompe immergée avec prise d’air atmosphérique ou air surpressé) ou turbines déprimogènes ; l’ASB est de l’ordre de 0,6 ; FG est de l’ordre de 0,5.

Il est recommandé d’asservir la fourniture d’O2 aux besoins et de limiter les périodes d’anoxie à 2 h 00. L’oxygénation permet de créer un stock d’oxygène (dissous et combiné) dans le bassin d’activation : 

si le stock est insuffisant : c’est l’asphyxie et l’arrêt de l’épuration (O2 dissous < 0,5 mg/l avec boues filamenteuses, mauvaise décantabilité, nitrification insuffisante, non respect des normes de rejet) ;



si le stock est en excès : c’est un gaspillage d’énergie et des difficultés de clarification (O 2 dissous > 2 mg/l avec dénitrification dans le clarificateur, mauvaise décantabilité, mauvais rendement énergétique).

Il faut donc trouver un optimum pour l’oxygénation ; c’est optimum est pour (aération efficace) :  couleur : marron – brun ;  odeur : non désagréable ;  eau traitée : limpide ;  O2 dissous dans BA : 1 à 1,5 mg/l ;  nombre de démarrages : < 4 / h ;  nitrification – dénitrification : NH4ET < 10 mg/l et NO3ET < 5 mg/l Aération de surface (brosses d’aération, turbines lentes ou turbines rapides)



Les brosses d’aération : montées sur un axe horizontal mis en rotation par un moteur (et un motoréducteur) ; bon pouvoir de brassage et capacité d’oxygénation très satisfaisante ; coût élevé.



Les turbines rapides (sans motoréducteur) sont légères et généralement montées sur flotteurs (dans le cas des bassins à niveau variable). Elles ont un faible rendement de brassage et d’oxygénation.

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

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Les turbines lentes (avec motoréducteur) sont fixées ; bon brassage et bonne capacité d’oxygénation.

Aération de fond (insufflateurs ou hydroéjecteurs)



Aération par insufflateurs : un suppresseur alimente en air un réseau de canalisations en fond de bassin. Ces canalisations sont pourvues de diffuseurs qui répartissent l’air insufflé sous forme de bulles (4 à 6 mm : tubes émulseurs ; inférieures à 3 mm : mousses plastiques, résines agglomérées ou membranes de caoutchouc perforées). Les diffuseurs à membranes remplacent de plus en plus les anciens diffuseurs poreux qui étaient sensibles au colmatage.

Pour augmenter le rendement d’oxygénation et assurer un brassage optimal, il est recommandé d’installer dans des agitateurs immergés assurant un brassage indépendant. Efficaces, ils sont moins exigeants en énergie.

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

hydroéjecteur



Aération par hydroéjecteurs : pompe immergée munie d’un dispositif comprenant un tube d’aspiration d’air et un tube d’éjection de l’émulsion air comprimée-eau ; assez peu performants.

La forme des bassins

Elle dépend de la technique d’aération et de brassage prévue (nombre et disposition des turbines, brosses...). En aucun cas il ne doit y avoir dans l’ouvrage une zone non brassée. Plusieurs formes peuvent être rencontrées :  carrée, dans le cas d’une aération par turbine unique ; la profondeur ne doit pas excéder 3 m ;  rectangulaire, dans le cas d’une aération par plusieurs turbines ;  circulaire, dans le cas d’une aération par turbines unique ou multiples (avec cône anti-vortex en fond pour favoriser le mélange et éviter la mise en rotation de la masse liquide) ;  chenal, allongé ou circulaire (avec clarificateur central dans le cas d’une aération par brosses tournantes). La profondeur doit être faible. Le brassage

Le brassage et l’aération sont plus efficaces lorsqu’ils sont indépendants l’un de l’autre. On recommande d’installer un système de brassage dissocié du système d’aération (cas des nouvelles stations).

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b)

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Le bassin ou zone d’anoxie

La protection du milieu récepteur exige des traitements de plus en plus performants. L’élimination des nitrates et des phosphates qui subsistent après dégradation de la pollution organique fait partie de ces exigences. L’élimination des nitrates par voie biologique s’appelle la dénitrification. Elle est souvent réalisée dans le bassin d’aération par des arrêts prolongés de l’aération (période d’anoxie). Elle peut aussi être effectuée dans un bassin spécifique (bassin d’anoxie, cas le plus fréquent) dans lequel l’oxygène est quasiment absent. Les microorganismes utilisent l’oxygène contenu dans les nitrates et rejettent de l’azote gazeux (N 2) dans l’atmosphère. Ces bassins permettent également une certaine déphosphatation (incomplète) de l’effluent.

Le bassin d’anoxie ne doit donc pas être aéré, mais seulement brassé par un agitateur immergé. Le bassin d’anoxie est alimenté par la liqueur mixte (eau + micro-organismes) produite dans le bassin d’aération et par la recirculation des boues issues du clarificateur. L’efficacité de la dénitrification est liée au temps de séjour dans le bassin d’anoxie. Plus l’effluent est dilué, moins la dénitrification est efficace.

Si la dénitrification est réalisée dans le bassin d’aération (sous réserve d’une capacité d’oxygénation suffisante permettant d’aménager des périodes d’anoxie), un système de brassage indépendant est recommandé.

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W/m3

La puissance de brassage du bassin d’anoxie est de l’ordre de 10 si fonctionnement en continu et de 15 W/m3 si fonctionnement syncopé (50 % du temps). Rappel pour le brassage en zone aérobie, il faut une puissance variant entre 3 W/m3 (bassin annulaire) à 15 W/m3 (bassin rectangulaire de grande longueur).

c)

Le bassin anaérobie (déphosphatation biologique)

Si le milieu récepteur est sensible aux risques d’eutrophisation, l’effluent doit subir une déphosphatation poussée qui peut être réalisée par voie biologique à condition de disposer d’un bassin anaérobie en complément ou en substitution du bassin d’anoxie. La succession des stress anaérobies (alternance de phases aérobies / anaérobies) entraîne une accumulation progressive des phosphates dans les bactéries. Le phosphore de l’effluent est ainsi « exporté » vers les boues. Cette voie d’élimination biologique est assez rare du fait des exigences en génie civil et des contraintes d’exploitation qu’elle impose. Le rendement obtenu ne permet pas de satisfaire aux normes de rejets les plus contraignantes. Le traitement doit donc être complété par une déphosphatation physico-chimique.

d)

La déphosphatation physico-chimique

La voie physico-chimique d’élimination des phosphates est plus fréquente. Elle consiste à injecter des produits coagulants (sels de fer, lait de chaux), afin de précipiter les phosphates sous forme de particules lourdes. L’utilisation de réactifs modifie la qualité des boues produites et augmente leur quantité. L’injection des réactifs (et donc la précipitation) peut être pratiquée : en fin de prétraitements (décantation), au droit du bassin d’aération, ou après l’épuration biologique (on parle alors de traitement tertiaire). L’apport de réactifs doit être proportionnel au phosphore reçu en station.

e)

Le puits de dégazage

Son installation en sortie d’aération permet d’évacuer l’air de la canalisation de liaison avec le clarificateur. La canalisation de liaison doit avoir un diamètre suffisant pour éviter la mise en charge du bassin d’aération lors du fonctionnement simultané des pompes de relevage et de recirculation. La différence de hauteur entre le bassin d’aération et le clarificateur doit être inférieure à 50 cm (pour éviter les chutes d’eau et privilégier l’écoulement laminaire). Le dégazeur sera accolé au bassin d’aération et à proximité du clarificateur pour limiter l’hydraulique. Le dimensionnement s’effectuera sur le débit maximal recirculé :  vitesse maximale en sortie de 1 m/s ;  hauteur de la lame déversante : < 3 cm pour turbine et brosse ; < 6 cm pour insufflation ;  temps de séjour de 3 à 5 mn ;  surface : de l’ordre de 1 m2 pour m3/h ;  hauteur : h = V / S avec V = Q x ts.

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6.3.2. a)

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Caractéristiques du fonctionnement La charge

Deux paramètres principaux permettent de caractériser le régime de fonctionnement d’une culture libre : 

La charge volumique (Cv), ou charge organique (en) : quantité de pollution (exprimée en kg de DBO5) qui traverse en un jour un mètre cube de bassin d’aération.



La charge massique (Cm) (en kg DBO5/m3/kg MVS) : quantité de pollution (kg de DBO5) traitée en un jour par un kilo de micro-organismes présents dans le bassin d’aération. On assimile la masse des micro-organismes à la masse des matières organiques ou « matières volatiles en suspension (MVS) ».

On obtient la masse des matières organiques (en kg de MVS) en multipliant la concentration des matières organiques (en g/1 de MVS) par le volume du bassin d’aération (en m3).

b)

Régimes de fonctionnement

On distingue deux régimes de fonctionnement : l’aération prolongée ou faible charge (régime le plus fréquent) et la moyenne ou forte charge (régime réservé à des stations de forte capacité). 

L’aération prolongée (faible charge) : quantité de micro-organismes présents dans le bassin élevée en comparaison de la pollution entrante (charge massique de 0,1 kg DBO5/jour/kg MVS au maximum).

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Les micro-organismes sont maintenus en état de sous-nutrition (ils sont obligés de « s’autoconsommer ») ; la production de boues est moindre et la matière organique fortement minéralisée. Ce régime permet d’obtenir d’excellents résultats épuratoires, avec une grande fiabilité et une souplesse dans les périodes d’aération (adaptant le fonctionnement aux tarifications EDF). Il nécessite cependant un long temps de séjour de l’effluent dans le bassin d’aération (24 heures minimum). 

Moyenne et forte charge (à l’abandon) : quantité de micro-organismes présents dans le bassin faible en comparaison de la pollution entrante (charge massique de 0,15 à 0,40 kg DBO5/jour/kg MVS). Les micro-organismes ont suffisamment de nourriture. La production de boues est importante et la matière organique faiblement minéralisée. Les boues doivent subir un traitement complémentaire dans un stabilisateur (aérobie) ou un digesteur (anaérobie). Ce régime implique un suivi et une technicité importants. La pollution doit être aérée dès son entrée dans le bassin (coûts énergétiques élevés). Le temps de séjour est faible (10 heures maximum) et ne permet pas de traiter la pollution azotée.

6.3.3.

Observations, mesures et interventions

3 facteurs essentiels conditionnent le bon fonctionnement de l’épuration par cultures libres : l’oxygène dissous ou potentiel rédox, la concentration et la qualité des boues.

a)

L’oxygène dissous (02) et potentiel rédox (Eh)

Dans un cours d’eau (milieu naturel), l’oxygène dissous varie selon les saisons de 5 à 10 mg/1 environ. Dans un bassin d’aération, le taux d’oxygène dissous doit être compris entre 0 et 2 mg/1. La mesure et le réglage du taux d’oxygène dissous permet d’optimiser le rapport efficacité/coût de l’épuration. Mesure du taux d’oxygène dissous

Dans les bassins, la mesure est effectuée à l’aide d’un oxymètre, portable ou en poste fixe (dans ce cas, la sonde permet de commander la mise en route ou l’arrêt des aérateurs, selon les valeurs mesurées). Une teneur d’oxygène trop élevée génère un dégagement gazeux (oxydes d’azote) qui fait remonter des flocs dans le clarificateur. L’efficacité de l’épuration est réduite et la consommation d’énergie excessive. Une teneur nulle pendant un temps trop long peut entraîner la mort des microorganismes aérobies qui se traduit par des odeurs nauséabondes. L’efficacité de l’épuration est réduite. Coûteux, les oxymètres équipent seulement les stations assez importantes et nécessitent une maintenance contraignante. Le pilotage de l’aération peut être également réalisé à l’aide de sondes à potentiel rédox.

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Le capteur doit être implanté : en un point représentatif, avec une sonde pour 1 500 à 2 500 distance de 3 à 5 m entre la sonde et l’aération, avec une immersion entre 0,5 et 1,5 m.

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m3

de BA, avec une

Avec l’utilisation d’une sonde rédox, on aura les correspondances suivantes :

Réglage du taux d’oxygène dissous

Pour maintenir une concentration en MVS optimale dans le bassin, il faut déterminer par la mesure et le calcul l’apport d’oxygène nécessaire, puis procéder aux réglages de la commande du système d’aération. Le réglage et la vérification des consignes d’aération sont basés sur la pratique des tests NH4 et NO3. Le réglage consiste à définir ou modifier la fréquence (nombre de démarrages de l’aérateur chaque jour) et le temps de fonctionnement pour chaque démarrage de chaque période d’aération. Ils doivent tenir compte de :  variations de charges (journalières, hebdomadaires et annuelles) ;  variations de climat :  plus la température monte, plus les besoins en oxygène des microorganismes augmentent,  les apports pluvieux diluent les effluents et les besoins en oxygène diminuent ;  quantité de boues présentes dans le bassin (besoin en O2 augmente avec la quantité de boues) ;  périodes tarifaires EDF.

b)

Concentration des boues

La mesure de la concentration en boues, de leur degré de minéralisation et de leur aptitude à la décantation permet une gestion fine de leur extraction et de leur recirculation.

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La concentration des boues activées peut être évaluée par le pesage des matières sèches (MS) ou des matières volatiles en suspension (MVS) :  les matières sèches (MS) correspondent à la somme des matières organiques (MVS) et minérales ;  les MVS correspondent aux matières organiques (mortes ou vivantes) des boues. MVS (matières volatiles en suspension) + MM (matières minérales) = MS (matières sèches) Concentration en matières sèches (MS)

L’échantillon de boues doit être prélevé après au moins 10 minutes de fonctionnement de l’aérateur. Au laboratoire, il est centrifugé (pour évacuer l’eau interstitielle). La partie solide est séchée par chauffage à 105°C, puis pesée. On détermine ainsi le poids de boues (ou matières sèches). Les valeurs maximales généralement admisses en concentration de matières sèches (MS) vont de 7 g/l (aération prolongée) à 3 g/l (moyenne charge). La mesure des matières sèches (MS) ne permet pas de distinguer la proportion des matières minérales et des matières organiques. Il est souhaitable de déterminer la concentration des matières volatiles en suspension.

Concentration en matières volatiles en suspension (MVS)

Après pesée des MS, l’échantillon est chauffé à plus de 550°C, ce qui entraîne la volatilisation des MO (ou MVS). Le résidu pesé correspond au poids des MM. Le poids des MO se calcule par la différence des 2 pesées. MS (matières sèches) – MM (matières minérales) = MVS (matières volatiles en suspension). La mesure des MVS ne permet pas de distinguer la proportion des matières organiques inertes et vivantes, mais elle reste la seule approximation de la concentration en boues activées dans les bassins.

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Test de décantation : Indice de boues (IB)

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Pour évaluer la capacité des boues à décanter en clarification, un test est réalisé régulièrement. Il reproduit les phénomènes de séparation boues/eau et de tassement des boues qui se déroulent dans le clarificateur. L’échantillon de boues prélevé dans le bassin d’aération (après fonctionnement de l’aérateur d’au moins 10 mn) est dilué par 3 ou 4 volumes d’eau traitée (issue du clarificateur). Après 30 mn de décantation, on lit le niveau des boues dans l’éprouvette qui correspond au résultat du test de décantation. Une nouvelle dilution est nécessaire si la lecture des boues décantées est supérieure à 250 ml après 30 mn de décantation. Les tests de décantation sans dilution (Indice de Mohlman - IM) sont déconseillés car souvent non fiables. Le résultat du test de décantation et la mesure des matières sèches (MS) permettent de calculer l’indice de houes (IB) qui traduit l’aptitude des boues à la décantation (aide à la gestion des extractions et recirculations). IB = [Résultat du test de décantation (ml/l) x dilution] / MS (g/l) IB < 100 : Bonne aptitude à la décantation 100 < IB < 200 : Aptitude passable pour la décantation IB > 200 : Mauvais état de la boue pouvant évoluer vers un « bulking »

Un bulking est un foisonnement filamenteux. Il est lié à une croissance importante de micro-organismes filamenteux rendant les boues floconneuses, légères et inaptes à la décantation. Il peut avoir plusieurs causes : déficit d’oxygénation, carences en azote ou en phosphore, variation importante des conditions épuratoires … Les actions à mettre en œuvre sont alors différentes : aération, dopage, chloration. Dans un système d’aération prolongée (charge massique < 0,1 kg DBO5 /jour/kg MVS), l’indice de boues est indépendant de la charge instantanée. Il constitue un paramètre stable qui permet d’estimer la concentration en MS dans le bassin à partir du test de décantation (on considère IB connu et on peut donc calculer [MS]).

c)

Observation microscopique

L’observation au microscope des micro-organismes des boues activées permet de juger la qualité du fonctionnement de l’épuration. Elle doit être réalisée sur quelques gouttes d’un échantillon de boues prélevées dans le bassin d’aération, après au minimum 10 mn de brassage. La présence de vorticelles (n°5 du schéma) est caractéristique de boues « matures » et bien oxygénées. L’observation de nombreux filaments est une explication d’une mauvaise décantation (« bulking »).

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6.4. La clarification 6.4.1.

Techniques et équipements

La clarification permet de séparer l’eau épurée des micro-organismes (boues) produits dans le biologique. Les boues décantées en clarification (boues secondaires) sont régulièrement renvoyées dans le premier bassin d’activation (recirculation), les boues en excédent étant dirigées vers le traitement des boues (extraction).

a)

Les clarificateurs

Les clarificateurs fonctionnent sur le même principe que les décanteurs primaires. Ils sont statiques ou raclés. Ils sont généralement cylindro-conique à courant ascendant. Le mélange eaux traitées-boues est réparti dans le clarificateur par l’intermédiaire d’une cheminée centrale (le clifford). L’eau clarifiée s’écoule par surverse à la périphérie. Les boues s’accumulent au fond. La vitesse ascensionnelle de l’eau (qui s’oppose à la vitesse de décantation des boues) dépend du débit et de la surface libre du décanteur. La vitesse optimale est de l’ordre de 0,6 à 1 m/h (Va = Q / S). La hauteur du clarificateur dépend de l’indice de boues IB : IB = 150, H = 2,50 m ; IB = 200, H = 2,80 m ; IB = 250, H = 3,50 m ; on prendra généralement H = 3 m par sécurité. La vitesse du pont racleur est généralement de 5 cm/s (on pourra utiliser pour le dimensionnement du clarificateur le fait que le temps de séjour maximal des boues doit être supérieur au temps d’un tour de clarificateur).

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Les ponts peuvent être raclés ou sucés. Le pont suceur peut être installé dans les bassins clarificateurs à fond plat ou faiblement incliné. Généralement, si le diamètre du clarificateur est inférieur à 20 m, on utilisera un pont raclé (avec pente en fond supérieure à 10 %) ; si le diamètre est supérieur à 24 m, on utilisera un ou plusieurs ponts sucés (avec une pente de fond de l’ordre de 1 %).

b)

La recirculation

La recirculation consiste à soutirer les boues du clarificateur et à les renvoyer en activation. S’il y a un bassin d’anoxie, deux circuits différents sont mis en œuvre (cf. schéma). La recirculation a pour but de :  améliorer le rendement épuratoire de la station en évitant la perte des boues accumulées dans le clarificateur (et en favorisant éventuellement la dénitrification) ;  optimiser l’activité biologique en maintenant les conditions de vie optimale pour les bactéries ;  maintenir une charge en boues constante dans le réacteur biologique.

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6.4.2.   

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Observations, mesures et interventions

Recirculation déficiente : remontées de boues et perte de qualité des eaux traitées. Défaut de raclage en fond (clarificateur raclé) : remontées de boues, sous forme de paquets noirâtres. Les mesures de NH4 et NO3 de l’eau clarifiée constituent une aide pour le réglage de l’aération.

a)

Réglage de la recirculation

Le débit recirculé doit être au minimum égal au débit entrant. Une recirculation insuffisante provoque des fermentations et la formation de gaz qui entraîne la remontée de boues dans le bassin et diminuent la limpidité de l’effluent. Dans ce cas :  contrôler le débit de la pompe de recirculation ; le remettre au nominal s’il a diminué (usure) ;  si le débit n’a pas varié, augmenter le temps de fonctionnement de la pompe.

Comme tout équipement électromécanique, la pompe de recirculation doit être contrôlée régulièrement.

b)

Contrôle de la limpidité de l’eau

La limpidité de l’eau est un indicateur simple et précieux pour l’exploitant qui permet de mettre en évidence l’origine de dysfonctionnements. Ces dysfonctionnements peuvent être classés en deux grands groupes :

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



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Dysfonctionnements du clarificateur : l’eau limpide en décantation, mais des particules de boues sont entraînées avec les eaux traitées. Les causes peuvent être :  une surcharge hydraulique du décanteur ;  une recirculation insuffisante ;  un mauvais fonctionnement de la pompe de recirculation :  une concentration en boues trop forte dans le bassin d’aéra:ion. Dysfonctionnements du bassin d’aération : l’eau trouble et séparation entre les boues et eau traitée n’est pas facilement identifiable. Les causes peuvent être :  une surcharge polluante ;  une toxicité des effluents ;  un défaut d’aération du bassin d’aération ;  un « foisonnement » des boues.

c)

Le raclage (clarificateur raclé)

Un défaut de raclage en fond se traduit par des remontées de boues (paquets noirâtres). Dans ce cas :  régler la hauteur du racleur ; si le phénomène persiste, changer la lame de caoutchouc (après vidange) ;  contrôler l’état de la roue (et motoréducteur) (usure rapide en période de gel sur chemin de roulement). Une vidange de l’ouvrage tous les 5 ans permet de contrôler et de remettre en état le matériel usagé. Tout arrêt de la station doit faire l’objet d’une demande préalable d’autorisation à la police des eaux.

d)

Les tests Ammoniaque et Nitrates

La pollution azotée contenue dans effluent entrant en station se présente sous deux formes : l’azote organique (urée) et l’ammoniaque (NH4). Ces matières azotées sont transformées dans le bassin d’aération en nitrates. A leur tour, les nitrates peuvent être transformés en azote gazeux (N 2) dans le bassin (ou la zone) d’anoxie par les micro-organismes de la dénitrification. L’azote gazeux se dégage dans l’atmosphère. Il est important de gérer au mieux l’aération (nitrification) et l’anoxie (dénitrification) pour obtenir des teneurs en NH4 et NO3 les plus basses dans le clarificateur. Il existe dans le commerce des tests de terrain d’une utilisation simple et pratique. Ces tests se présentent sous forme de bandelettes à tremper dans la solution à analyser, puis à comparer à une gamme de couleur.

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6.5. Solutions extensives 6.5.1.

Le lagunage naturel

Ce système d’épuration copie encore plus le modèle de l’autoépuration, en complétant l’action des microorganismes par celle d’algues et de petits crustacés (consommant les algues en excès). Il ne peut s’envisager que dans les zones où les contraintes géologiques l’autorisent et implique de disposer d’espace important. La technique du lagunage consiste à faire circuler lentement l’effluent prétraité dans une succession de bassins peu profonds. Au cours de ce cheminement, l’épuration se fait grâce à la prolifération de micro-organismes et d’algues microscopiques, ces dernières produisant l’oxygène nécessaire par leur photosynthèse. L’action des rayons UV du soleil permet une décontamination bactérienne importante de l’effluent (destruction de nombreux germes microbiens pathogènes). Il est primordial d’assurer un prétraitement correct de l’effluent (en particulier dégraissage). Un piège à flottants en entrée de première lagune est une bonne précaution. Les caractéristiques préconisées pour les lagunages naturels sont :  surface : 11 à 12 m2/EH (soit 1,1 à 1,2 ha pour 1 000 EH) ;  lagune 1 : profondeur maximale 1,5 m (surprofondeur) ; 1 à 1,1 m (reste du bassin) ; superficie : 6 à 7 m2/EH (soit 0,6 à 0,7 ha pour 1 000 EH) ;  lagunes 2 et 3 : profondeur maximale 1,1 m ; superficie de chacune : 2,5 m2/EH ;  temps de séjour moyen de l’effluent : 2 à 3 mois. Les lagunages naturels doivent être entretenus et surveiller avec soin :  contrôle régulier de l’état des digues, niveau de l’eau des lagunes, couleur et odeurs éventuelles ;  contrôle du développement des broussailles aux alentours, des végétaux aquatiques, des éléments flottants et des lentilles d’eau sur les lagunes ;  sonder régulièrement les bassins pour évaluer le dépôt des boues ;  curage régulier des lagunes (tous les 1 à 5 ans pour la surprofondeur de la première, 10 à 15 ans pour le restant de la première et tous les 15 à 20 ans pour la 2° et 2° lagunes).

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Un mauvais entretien des lagunes altère le traitement et multiplie les nuisances (odeurs, insectes et rongeurs). Si les lagunes sont blanches, brunes ou roses, il y a un développement anormal de micro-organismes (surcharge, effluent septique ou industriel, couche de flottants, et manière passagère par temps orageux).

6.5.2.

Le lagunage aéré

L’installation de dispositifs d’aération (turbines, hydroéjecteurs) sur la première lagune permet d’améliorer les performances, particulièrement dans le cas du traitement d’effluents agro-alimentaires très chargés en polluants.

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6.5.3.

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Epuration par le sol

L’épuration peut s’opérer sur de grands surfaces de terrain sableux (granulométrie de 0,2 à 0,5 mm) ; les surfaces nécessaires sont de l’ordre de 2 000 EH par hectares. Ce type d’épuration est souvent utilisé en traitement tertiaire car il présente d’excellents résultats d’élimination :  DBO5 : 90 % ; DCO : 95 à 98 % ; MES : 100 % ;  disparition totale des germes pathogènes ;  abattement de 43 % de l’azote et 100 % des phosphates ;  peu de nuisances pour le voisinage (pas d’odeurs).

6.6. Principaux dysfonctionnements cultures libres

de

l’épuration

par

L’épuration des eaux usées par traitement biologique ne peut être effectuée correctement sans :  une bonne connaissance de la nature et des quantités d’eaux usées à traiter ;  la mise en œuvre des équipements indispensables ;  un dimensionnement correct des équipements ;  une exploitation de qualité. Si l’une ou plusieurs de ces conditions ne sont pas respectées, des dysfonctionnements plus ou moins graves vont apparaître à court ou moyen terme, avec pour conséquences :  le non-respect des normes de rejet, et par suite la pollution du milieu récepteur ;  une dépense d’énergie inutile. Quelques règles générales de fonctionnement :  En cas de charge de pollution excessive, l’effluent est mal épuré et nauséabond.  En cas de boues trop concentrées, le système est fragilisé et le rendement mauvais.  De mauvaises conditions de pH, de température ou d’oxygène ou risquent d’entraîner une production importante de mousses en surface du bassin (témoins du mauvais fonctionnement du système).  Veiller à un bon équilibre entre la concentration des boues et la charge de pollution dans le bassin.  Apparition de mousses marrons : présence probable de bactéries filamenteuses (enlever les mousses).  Apparition de mousses blanchâtres : le plus souvent, trop de boues ont été extraites, parfois il y a présence de détergent (briser les mousses à l’aide d’un jet fin). Mauvais entretien du bassin d’aération = eau mal épurée, boues non minéralisées en excès et odeurs. Des exemples de dysfonctionnements (parmi les plus courants) sont présentés ci-après. Le conducteur de la STEP doit noter sur son cahier d’exploitation tous les incidents et en référer à sa hiérarchie. En cas de doute sur le bon fonctionnement du traitement, il est recommandé de contacter le SATESE.

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6.6.1.

Dégrilleur : bypass par colmatage de la grille

6.6.2.

Dégraisseur : dépôts excessifs en fond d’ouvrage

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6.6.3. Bassin d’aération : malodorantes 6.6.4.

boues

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noircissantes

Bassin d’aération : apparition de boues biologiques

et

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6.6.5.

Bassin d’aération : mousses blanches sur le bassin

6.6.6.

Clarificateur : remontées de boues noirâtres

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6.6.7.

Clarificateur : remontées de boues décantées

6.6.8.

Clarificateur : débordement chronique du lit à boues

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6.6.9.

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Silo épaississeur statique : mauvais fonctionnement

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6.7. Eléments pour le dimensionnement d’un procédé par boues activées 

Temps de séjour dans le BA : TS = VBA / Q ou volume du BA : VBA = TS x Q



Production de boues avec formule d’Eckenfelder : P = Smin + Sdur + a Le - b Sv - Seff avec :  P : production de boues biologiques en kg de MS par jour,  a et b des coefficients, dans le cas de moyenne charge : a = 0,5 et b = 0,07  Smin : masse des MES minérales de l’eau brute (évaluée à 30 % des MES totales)  Sdur : masse des MES difficilement biodégradables (évaluée à 17,5 % des MES totales)  Le : masse de DBO5 éliminée par jour  Sv : masse de boues organiques dans le bassin d’aération en kg de MVS  Seff : masse de boues évacuées avec l’effluent traité en kg de MES par jour Production de boues avec formule de l’AGHTM : P = Smin + Sdur + (0,83 + 0,2 logCm) Le - Seff avec :  P : production de boues biologiques en kg de MS par jour,  Smin : masse des MES minérales de l’eau brute (évaluée à 30 % des MES totales)  Sdur : masse des MES difficilement biodégradables (évaluée à 17,5 % des MES totales)  Le : masse de DBO5 éliminée par jour  Seff : masse de boues évacuées avec l’effluent traité en kg de MES par jour





Evaluation rapide de la production des boues (à 10 % près) : (flux DBO5 + flux MES) / 2



Age de boue : quantité de boue dans le biologique / quantité de boues soutirée quotidiennement



Quantité de boues soutirée (ou extraite) quotidiennement : VBA x ([CBA – CBAnom] / CR)  VBA : volume du bassin d’aération  CBA : concentration des boues dans le BA  CBAnom : concentration optimale des boues dans le BA  CR : concentration des boues de la recirculation



Taux de recirculation des boues : QR / QEB = CBA / (CR – CBA)  QR : débit de recirculation  QEB : débit d’eau brute en entrée de STEP  CBA : concentration des boues dans le BA  CR : concentration des boues de la recirculation



Evaluation des besoins en O2 pour aération : BO = a’ Le + b’ SV + 4,3 NN – 2,85 c’ NDN  BO : besoin théorique en oxygène pour l’aération brassage en kg par jour  a’ : quantité d’oxygène nécessaire à l’oxydation de 1 kg de DBO5 (faible charge : 0,65 et moyenne / forte charge de 0,5 à 0,6)  Le : masse de DBO5 éliminée par jour  b’ : quantité d’oxygène nécessaire à la respiration endogène de 1 kg de MVS de boues par jour (0,06 à 0,07 pour faible charge ; 0,080 pour moyenne charge et 0,1 pour forte charge)  Sv : masse de boues organiques dans le bassin d’aération en kg de MVS  NN : flux d’azote à nitrifier en kg de N  c’ : fraction de l’oxygène des NO3 récupérée par dénitrification (entre 60 et 70 %)  NDN : flux d’azote à dénitrifier en kg de N



Dimensionnement du clarificateur : (deux paramètres)  vitesse ascensionnelle (ou charge hydraulique) : V = Qp / S (débit de pointe / surface) ; on préconise une vitesse inférieure à 0,4 m/h pour des faibles charges et inférieure à 1,2 m/h pour des moyennes charges ;  débit massique (ou charge au radier) en kg MS m2/h : ([QEB + QR] MSBA) / S  QR : débit de recirculation  QEB : débit d’eau brute en entrée de STEP

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  

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MSBA : concentration en matières sèches dans le BA S : surface du plan d’eau en pratique, la charge au radier doit être inférieur à 5 en pointe pour un clarificateur classique (à 7,5 pour clarificateur sucé et à 25 pour clarificateur lamellaire).

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7. PROCÉDÉS BIOLOGIQUES - EPURATION PAR CULTURES FIXÉES 7.1. Principe de l’épuration par cultures fixées Rappels : L’épuration des eaux usées domestiques comprend quatre étapes essentielles :  l’élimination des déchets facilement séparables (prétraitements) ;  la transformation de la pollution dissoute en produits décantables ;  la séparation entre l’eau épurée et les produits décantables ;  la stabilisation et le devenir des boues. Une installation de traitement biologique comprend un ouvrage dans lequel sont maintenus des microorganismes aérobies qui dégradent la matière organique en la transformant en matière minérale. Dans une installation par cultures fixées, le traitement se réalise dans un ouvrage qui comporte un support permettant-la fixation et le développement des microorganismes (d'où le terme de cultures fixées). Le système est conçu pour favoriser le contact entre les eaux usées, l'air environnant et les micro-organismes épurateurs. L’ensemble des micro-organismes (bactéries, vers, protozoaires, …) fixés sur le support est appelé « zooglée ». Trois procédés sont utilisés en cultures fixées : 

Le lit bactérien, à support fixe constitué d'un empilage de matériaux présentant de nombreux vides dans lesquels les micro-organismes vont pouvoir se développer.  Il est constitué de matériaux à grande surface de contact (pouzzolane, tubes en plastique), empilés dans une cuve dont le fond est perforé pour l’apport d’oxygène atmosphérique.  L’effluent prétraité (décanté, généralement décanteur-digesteur) est réparti à la surface du lit par un tourniquet d’aspersion (sprinkler). Après percolation à travers le matériau de garnissage, les eaux traitées sont récupérées à la base de l’ouvrage.  Ensuite, les eaux traitées rejoignent le milieu naturel ou sont dirigées vers la clarification.



Les disques biologiques (biodisques), constitués de disques chargés en micro-organismes. Ils tournent très lentement (axe horizontal) et sont immergés partiellement, à intervalle régulier, dans l'effluent.  L’effluent prétraité (décanté, généralement décanteur-digesteur) alimente une auge dans laquelle tournent les disques (matériau synthétique) servant de support aux micro-organismes.  La rotation lente (1 t/mn) de ces disques met les micro-organismes au contact alternativement de l’effluent et de l’air et assure ainsi un apport régulier d’oxygène atmosphérique.



Le lit immergé : l’eau à traiter ruisselle sur un garnissage très fin (5 à 30 mm ; 40 à 80 mm pour lit bactérien) qui joue le rôle de filtre et permet de retenir les boues ce qui évite d’utiliser un décanteur secondaire. Il faut laver régulièrement le filtre pour éviter le colmatage (boues extraites du lit).

Représentation schématique de biodisques (gauche) et d'un lit bactérien (droite) Les biodisques sont alimentés en effluent par immersion, les lits bactériens par arrosage. En cultures fixées, on peut évacuer les boues même si la digestion n’est pas terminée (dans ce cas, il faudra prévoir la digestion ailleurs) ; l’important étant que les bactéries aient consommées de la pollution.

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Une station d'épuration par cultures fixées comporte de plus :  ouvrages de prétraitements et de comptage (dessableur et déshuileur peuvent être absents) ;  un décanteur primaire et un digesteur (souvent combinés dans les petites stations) ;  un clarificateur (décanteur secondaire) en sortie du lit bactérien ou des biodisques. Avant, les stations traitant de faibles charges par cultures fixées ne comportaient pas de clarificateur.

Synoptiques de files de traitement par cultures fixées

7.2. Le décanteur-digesteur 7.2.1.

Techniques et équipement

La décantation primaire a pour but de séparer de l'effluent les matières lourdes (organiques ou minérales) et d'éliminer ainsi environ 30 % de la DBO5 et 50 % des MES. Dans les petites installations (jusqu 'à 3 000 équivalent-habitant environ dans les stations à cultures fixées) un même ouvrage, le décanteur-digesteur, assure deux fonctions :  l'élimination des matières décantables (zone de décantation) ;  la digestion des matières organiques (zone de digestion des boues). Indispensable avant le passage de l'effluent dans un ouvrage à cultures fixées, il permet de préserver le traitement biologique et de limiter le risque de colmatage. II existe en deux types principaux :  Premier type (de décanteur-digesteur) : la zone de décantation est périphérique ; les gaz de digestion sont canalisés dans un cône, puis évacués dans une cheminée centrale (cf. figures pour type 1).

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

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Second type (de décanteur-digesteur) : la décantation est assurée dans le compartiment central ; les gaz de digestion sont évacués dans les deux compartiments latéraux.

La répartition de l’eau et le brisage mécanique du chapeau améliore l’efficacité des décanteurs-digesteurs. La zone de décantation est en général circulaire, parfois rectangulaire. La pente des parois doit être au minimum de 60° pour assurer un bon glissement des matières décantables vers la zone de digestion. Les matières décantables qui sédimentent dans la partie basse de l'ouvrage sont « digérées » par des bactéries anaérobies (transformation partielle des MO en MM). Ce phénomène est très lent (3 à 6 mois). Il dépend de la température et du pH (entre 6,8 et 7,6 pour assurer le développement optimal des bactéries). La digestion produit du gaz (méthane) qui s'échappe en surface de l'ouvrage.

7.2.2.

Observations, interprétations, interventions

Le décanteur-digesteur étant le siège de fermentations, l'observation de certains phénomènes permet d'évaluer son fonctionnement : importance de flottants, remontées de boues, odeur anormale, …  Si l'on observe une présence de graisses ou de déchets divers (papiers, plastiques...) :  s'assurer du bon fonctionnement des ouvrages de prétraitements ;  enlever les écumes et flottants (pour protéger le lit bactérien de tout risque de colmatage).  Si l'on observe des remontées de boues, avec souvent un dégazage intense :  effectuer une extraction de boues (quantité dans compartiment digestion est trop importante),  vérifier que les lumières de communication entre les deux compartiments, et que la conduite d'extraction, ne sont pas obstruées ;  pour éviter ce phénomène, racler régulièrement les parois et les lumières ; malaxer le chapeau de boues (pour éviter que des croûtes de boues n'emprisonnent des gaz de fermentation).  Si l'on observe des écumes jaunes ou grises, la digestion est acide :  vérifier le pH des boues digérées, et au besoin l'ajuster à pH 7 avec de la chaux ;  suspendre l'extraction de boues et réensemencer en boues digérées.  Si les boues extraites sont malodorantes (et parfois noires), l'effluent est septique :

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 

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s'assurer que des effluents de fosses septiques ne sont pas raccordés au réseau ; augmenter la fréquence des pompages au poste de relèvement.

7.3. Le traitement par cultures fixées   

7.3.1.

Techniques et équipements

Le lit bactérien et les disques biologiques sont des ouvrages sur lesquels sont fixés les microorganismes qui se développent en transformant la pollution organique. L’alimentation d’un lit bactérien doit assurer une bonne répartition de l’effluent en surface des matériaux. Les matériaux constituant le lit bactérien peuvent être de différente nature mais doivent présenter des caractéristiques précises. Deux paramètres principaux permettent d’évaluer le régime de fonctionnement d’un lit bactérien : la charge hydraulique et la charge volumique.

Une installation de traitement biologique comprend un ouvrage dans lequel des micro-organismes aérobies dégradent la matière organique pour se développer. En épuration par cultures fixées, la principale technique est celle du lit bactérien, mais certaines stations utilisent des biodisques.

a)

Description d'un lit bactérien

Un lit bactérien est un ouvrage de forme généralement cylindrique, ce qui permet d'épandre l'effluent par un système de tourniquet hydraulique. Cependant, certains lits bactériens peuvent avoir, plus rarement, une autre forme, la distribution de l'effluent étant alors assurée par des canaux répartiteurs. Le matériau de garnissage doit avoir au minimum 2 m de hauteur pour permettre une absorption satisfaisante de la pollution, et 3 m au maximum (cas d'un garnissage de pouzzolane) pour assurer la circulation de l'air (indispensable au développement des micro-organismes), qui se fait généralement de façon naturelle. La présence d’un tamis fin, en entrée, permet de réduire les risques de colmatage du lit. Le niveau d’eau entre le décanteur doit être > 80 cm au-dessus du sprinkler pour entraîner sa rotation. En l’absence de relevage, l’installation d’un système d’alimentation par bâchée est indispensable.

Certains lits peuvent avoir une hauteur supérieure. L'aération est alors mécanique. Dans les régions présentant des risques de gel, on couvre les lits qui sont alors ventilés mécaniquement.

b)

Les matériaux de garnissage

Les matériaux supports composant un lit bactérien doivent présenter plusieurs caractéristiques :  une grande surface de contact pour un faible volume ;  une résistance à l'écrasement ;  une granulométrie satisfaisante (pour la circulation air / eau) ;  une résistance à la corrosion, l’effritement, à l'action du gel et du dégel.

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Les matériaux les plus utilisés sont : pouzzolane (pour ERU) et matériaux plastiques (pour eaux industrielles). Un compromis doit être trouvé entre la surface et la taille des interstices afin d'éviter le colmatage du lit : la forme sphérique offre ce meilleur compromis. Certains lits sont constitués de plusieurs couches de matériaux de différentes granulométries :  couches supérieures : matériaux de diamètre de 60 à 80 mm ;  couches de fond : matériaux de 80 à 150 mm. La pouzzolane La pouzzolane, roche éruptive, a une structure présentant de nombreuses alvéoles. Ses caractéristiques sont :  masse volumique : 1 300 kg/m3 ;

   

indice de vide à sec : 50 % ; indice de vide en fonctionnement : 15 % ; le film biologique (zooglée) occupe 35 % du volume, ne laissant que 15% d'espace pour l'air ; surface active : 100 m2 par m3.

Provenant à l'origine de la région italienne de Ponzol. La pouzzolane est aujourd'hui extraite en France. La pouzzolane est fragile. Elle peut se briser en éléments fins. Il est recommandé d'installer, en aval du lit bactérien, un piège à pouzzolane pour protéger les pompes (contre l'abrasure de la pouzzolane). Les matériaux plastiques

Les supports en matériaux plastiques ont été créés pour augmenter la surface spécifique des lits. Ces matériaux sont creux et présentent une grande surface par rapport à leur volume. Leur faible poids et leur capacité à assurer une circulation d'air importante permettent de les empiler sur une grande hauteur. Ces matériaux présentent un faible risque de colmatage, mais ils ont l'inconvénient de ne pas permettre un développement important de la zooglée, car l'adhérence y est faible et le ruissellement intense.

Ils ne sont pas utilisés pour le traitement des ERU, mais servent dans l'industrie.

c)

Alimentation d'un lit bactérien

La répartition de l'effluent sur un lit bactérien doit aussi régulière que possible sur la totalité de la surface du lit (pour éviter des écoulements par cheminements préférentiels). Système d'alimentation par bâchées

Lorsque les eaux usées arrivent dans le décanteur primaire en l'absence de poste de relevage (dénivelé suffisant), un système d'alimentation « par bâchées » doit être placé entre le décanteur et le lit bactérien (chasse pendulaire, auget basculant, électrovanne. Exemple ci-après, alimentation par auget basculant). Le remplissage par l’effluent provoque un déplacement du centre de gravité de l’auget, et par la suite son basculement. Le réglage de l’auget est délicat : plusieurs essais à l’eau claire sont souvent nécessaires.

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L'installation d'un tamis est recommandée pour retenir les flottants (plastiques, feuilles, boules de graisses).

Le sprinkler

Pour assurer une répartition aussi régulière que possible, l'effluent est distribué sur toute la surface du lit par un système de tourniquet hydraulique appelé sprinkler. Ce système comporte deux bras radiaux dans les petites installations et jusqu'à huit dans les grandes stations. La vitesse en périphérie ne doit pas dépasser 1 m/s. Les bras sont munis d'orifices d'aspersion de plus en plus rapprochés à leurs extrémités, permettant ainsi à chaque orifice d'arroser la même surface de lit (distance parcourue par le bras plus importante en périphérie qu'au centre). Les orifices sont décalés d'un bras sur l'autre, la totalité de la surface pouvant être ainsi arrosée. Les embouts du sprinkler sont munis de bouchons amovibles pour permettre de nettoyer l'intérieur des bras.

d)

Caractéristiques de fonctionnement des lits bactériens

Deux paramètres permettent de définir les conditions de fonctionnement d'un lit bactérien :  Charge hydraulique (Ch) : quantité d'eau (en m3) qui passe en 1 h sur 1 m2 de surface du lit bactérien.  charge hydraulique (en m3/m2/h ou m/h) = débit (m3/h) / surface (m2) ;  elle représente la vitesse de passage de l’eau à travers le lit ;

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 

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si la vitesse est inférieure à 0,6 m/h, le lit pourra se colmater ; au delà de 1,7 m/h, la zooglée risque d'être décrochée (phénomène de lessivage).

Charge volumique (Cv) : quantité de pollution (kg DBO5) qui traverse en 1 jour 1 m3 de lit bactérien.  Charge volumique (en kg DBO5/m3/jour) = quantité de DBO5 (kg/j) / volume du lit (m3).  Lit bactérien à faible charge : l'effluent ne traverse qu'une fois le lit avant son rejet dans le milieu naturel (ouvrages doivent être suffisamment volumineux pour un traitement correct).  Lit bactérien à forte charge : la recirculation et la clarification permettent une meilleure qualité de l'épuration (dilution des eaux décantées). Le volume de recyclage doit être égal à environ deux fois le volume d'effluent brut entrant dans la station.

e)

Disques biologiques (biodisques)

L'effluent prétraité (décanté) alimente une auge dans laquelle tournent des batteries de disques en matériau synthétique servant de support aux micro-organismes. La rotation lente (1 tr/mn) des disques met les microorganismes an contact alternativement de l'effluent et de l'air assurant un apport régulier d'O2 atmosphérique.

7.3.2.    

Observations et interventions

L'entretien du système d'amorçage, du système de distribution et des ouvertures d'aération est une condition indispensable du bon fonctionnement du système. L'aspect de la zooglée permet d'évaluer le fonctionnement du traitement biologique. La présence de flaques sur les matériaux est signe d'un colmatage plus ou moins profond du lit. Les organes électromécaniques doivent être entretenus avec soin.

a)

Protection

Pour protéger le fonctionnement du sprinkler, il est recommandé d'installer un tamis en amont du lit (flottants). La mise en place d'un filet de protection contre les chutes de feuilles est recommandée dans les zones arborées.

b)

Distribution et aération

Points à surveiller particulièrement Pour assurer un répartition uniforme de l’effluent sur le lit, il est important de :  nettoyer fréquemment le système d'alimentation du tourniquet hydraulique ;

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 

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vérifier que les orifices ne sont pas bouchés et nettoyer les bras par les bouchons d'extrémité ; veiller au bon équilibrage des bras et entretenir les systèmes de rotation (roulement...).

Pour une bonne aération de la zooglée, il faut vérifier que les ouvertures de ventilation sont bien dégagées. Les déchets (système de distribution) sont stockés en poubelle perforée et évacués (avec ordures ménagères).

c)

Observation de la zooglée

Une zooglée épaisse, de couleur vert foncé pour les lits bactériens, marron pour les biodisques, caractérise un bon fonctionnement. La disparition brutale de la zooglée signifie un empoisonnement de la station par un produit toxique. Pour les lits bactériens :  Une zooglée grisâtre, avec odeurs nauséabondes, signifie une surcharge organique :  augmenter la recirculation pour diluer l'effluent si nécessaire ;  vérifier l'aération du lit.  Une zooglée clairsemée ou absente témoigne en général d'une alimentation insuffisante :  température très faible (le cas peut se produire en hiver en zone de montagne) ;  taux de raccordement insuffisant ;  débit d'alimentation excessif.

d)

Colmatage des matériaux

La présence de flaques sur les matériaux dénote un colmatage du lit. Cette anomalie est souvent due à l'accumulation de particules (boues, graisses, déchets plastiques, graviers, etc.) à la surface du lit bactérien. Plusieurs solutions peuvent être envisagées :  bloquer le sprinkler quelques heures pour faciliter le lessivage du lit ;  détasser la couche superficielle du lit ; retourner à la fourche les zones colmatées ;  si le colmatage persiste, ne plus alimenter le lit durant quelques jours jusqu'au séchage de l'ensemble, puis rincer abondamment pour évacuer les matières sèches ;  si, malgré toutes ces opérations, des flaques persistent, il faut changer le matériau. Pour lutter contre le colmatage, il est faut effectuer une aspersion intense régulièrement (1 fois par mois).

e)

Organes électromécaniques

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Dans le cas des biodisques, il est nécessaire de vérifier fréquemment l'état du motoréducteur, du système d'entraînement et des paliers (cf. figure ci-dessus). Dans certains lits bactériens de grande capacité, une ventilation mécanique est parfois ajoutée à la ventilation naturelle. Il est alors nécessaire de s'assurer du bon fonctionnement de cet appareil.

7.4. La clarification

(Se reporter au paragraphe « Traitement biologique :

cultures libres ».)

7.5. Principaux dysfonctionnement 

Lit bactérien :  Si flaques d’eau en surface, le lit peut être colmaté ou la charge organique est trop forte.  Si lit sent mauvais : la recirculation est insuffisante ou le lit est colmaté.  Si le film bactérien se décroche, la charge hydraulique est trop forte et provoque un lessivage.  Un mauvais entretien du lit bactérien aboutit à :  une eau rejetée contenant de la pollution organique (mal épurée) ;  des boues non minéralisées en excès ;  des odeurs nauséabondes.



Disques biologiques ou biodisques : il faut surveiller les décantations de matières au fond des auges (film biologique disparaît de la tranche des biodisques) ; après arrêt, aspirer les matières décantées.

Des exemples de dysfonctionnements (parmi les plus courants) sont présentés ci-après.

7.5.1. Décanteur-digesteur : suspension

départ

de

matières

en

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7.5.2. Décanteur-digesteur : développement du chapeau de digestion

7.5.3.

Décanteur : acidification

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7.5.4.

Lit bactérien : absence du film biologique

7.5.5.

Lit bactérien : développement hétérogène du film

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7.5.6.

Lit bactérien : flaquage et colmatage en profondeur

7.5.7.

Clarificateur : remontée de boues noirâtres

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7.6. Eléments pour cultures fixées

le

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dimensionnement

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de

procédé

par



Charge hydraulique conseillée (Q / S) : entre 2 et 4 m/h (débit par m2 de filtre).



Charge volumique moyenne (par m3 de matériau) : elle est de 5 à 6 fois celles d’un bassin de boues activées ; soit entre 3 et 8 kg de DCO/m3/j et de l’ordre de 1,7 kg de MES/m3/j.



Production de boues biologiques P (en kg/j) : P = 0,8 kg MES/j + 0,2 kg DCOS/j + 0,2 kg NN/j :  DCOS : quantité de DCO soluble et NN : quantité d’azote à nitrifier.



Les besoins en air sont de l’ordre de 50 Nm3 par kg de DCO et de 250 Nm3 par kg de NH4.



Les besoins journaliers en air (en Nm3/j) sont : (1,5 / [h – 0,3]) x (37,5 DCOS + 10 DCOP) :  h : hauteur du matériau en m,  DCOS : DCO soluble éliminée en kg/j,  DCOP : DCO particulaire éliminée en kg/j (DCOP = DCOtotale – DCOS).



Autre formule pour les besoins en air : 0,85 (35 DCO + 13 MES).

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CHAPITRE 8 - TRAITEMENT ET DEVENIR DES BOUES 8.0. Généralités Une station d’épuration n’élimine pas la pollution, mais en transforme une grande partie en une matière plus concentrée et décantable, les boues. Ces boues sont « piégées » soit :  dans un décanteur primaire : ce sont des « boues primaires » ou « boues fraîches » composées de matières minérales (sables, limons...) et de matières organiques lourdes très putrides et nauséabondes ; (elles sont régulièrement extraites et dirigées vers le digesteur) ;  dans un clarificateur : ce sont les boues « secondaires" ou biologiques » résultant de la transformation de la pollution dans le bassin d’aération (flocs de micro-organismes des cultures libres). La production de boues de stations d’épuration urbaines (et assimilées) est d’environ un million de tonnes de matières sèches (MS) plus ou moins déshydratées. Les boues provenant des décanteurs (primaires et secondaires) ne peuvent pas être utilisées telles quelles :  trop volumineuses à cause du volume d’eau qu’elles contiennent ;  trop fermentescibles à cause de micro-organismes encore en action dans la boue. Selon la destination finale, on choisira une filière de traitement adaptée, mais les objectifs resteront les mêmes :  réduction du pouvoir fermentescible par stabilisation (aérobie, chimique ou digestion anaérobie) ; c’est-à-dire transformation de la matière organique, au moins partiellement, en matière minérale ;  réduction du volume par épaississement et déshydratation. La filière boues est aussi importante que la filière eau. Le devenir des boues est une des clés de l’épuration.

8.1. Stabilisation ou digestion des boues 

Les systèmes de traitement très faible charge ou « aération prolongée » combinent dans le même bassin la dégradation de la pollution et la stabilisation des boues.  Le digesteur assure une transformation des boues par voie anaérobie en 2 phases : acide puis basique.  Le stabilisateur aérobie assure une transformation des boues par voie aérobie. En aération prolongée, le temps de séjour des boues en présence d’O2 est important et assure leur stabilisation. Ce n’est pas le cas des boues produites par les traitements à moyenne et forte charge, dont les boues secondaires ne sont qu’en partie minéralisées. La minéralisation des boues se poursuit dans un digesteur (digestion anaérobie ou stabilisation aérobie) où les micro-organismes non nourris « digèrent leurs réserves ».

8.1.1.

La digestion anaérobie

Ce procédé permet une dégradation importante des matières organiques en matières minérales par fermentation anaérobie (avec production de méthane utilisé parfois énergétiquement en station). Pour une bonne digestion :  pH entre 6,8 et 7,2 (à contrôler régulièrement, tous les mois par exemple) ;  température : 35 °C ;

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

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temps de séjour : 3 semaines.

Les bactéries présentes font subir aux boues des transformations suivant deux phases : une phase acide (production de sous-produits acides) et une phase basique (production de sous-produits basiques et de gaz comme CH4 et CO2). Après un certain temps de fonctionnement, ces deux phases doivent coexister. La présence de boues brunes à grisâtres et odorantes est caractéristique de la prédominance de la phase acide (souvent au démarrage des installations) : faire un apport de chaux (pour favoriser la phase basique).

8.1.2.

La stabilisation aérobie

Ce procédé consiste, par une aération prolonger des boues, à continuer le développement de micro-organismes aérobies (jusqu’à dépasser la période de synthèse des cellules et réaliser leur propre auto oxydation) et à les minéraliser par oxydation. Le stabilisateur doit donc être aéré. Son efficacité reste limitée dans des conditions de température basse.

8.1.3.

Stabilisation chimique

En augmentant le pH jusqu’à 11, on tue les bactéries. On le fait avec de la chaux qui a l’avantage d’être économique.

8.2. L’épaississement ou concentration Une fois stabilisées (encore très liquides : l à 4 % de matières sèches), les boues sont épaissies gravitairement (statique) ou mécaniquement pour réduire leur volume. Les boues épaissies contiennent encore 90 % d’eau.

8.2.1.

L’épaississement statique

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Dans un épaississeur statique, les boues décantent par gravité avant d’être extraites pour être déshydratées ou stockées. Le cycle complet (alimentation – épaississement - évacuation de l’eau - vidange des boues) ne doit pas excéder 48 h avant transfert (vers le stockage ou la déshydratation), sous peine de dysfonctionnement.

8.2.2.

L’épaississement mécanique

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Utilisé dans les stations importantes, l’épaississement comprend deux étapes : la floculation et la séparation :  Adjonction d’un produit floculant avant le passage des boues sur le support filtrant d’égouttage. Le choix du produit floculant (sels d’aluminium, de fer, alginates, polyélectrolytes, etc.) et de son dosage influe sur l’efficacité de l’épaississement ainsi que sur la maintenance du support filtrant.  Séparation par passage des boues sur des tables ou des grilles d’égouttage, ou encore à travers des cylindres ou des tambours rotatifs (supports filtrants de maille 500 à 600 microns). L’entretien et la surveillance de ces ouvrages consiste à :  veiller à l’entretien courant des pompes, pompes doseuses, moteurs et systèmes d’entraînement ;  assurer une maintenance régulière des supports filtrants (rinçages à contre-courant) ;  surveiller l’efficacité du lavage, l’état du support de filtration (toile, grille, diffuseurs, pression de lavage, cycle, …) ainsi que la qualité des eaux d’égouttage. La siccité des boues après épaississement est de l’ordre de 10 % (1 à 4 % en sortie de stabilisation).

8.3. Déshydratation et stockage des boues 8.3.1.

La déshydratation

Même après épaississement et concentration, les boues restent très liquides ( 10 % de siccité). Suivant leur destination finale, et en particulier pour les rendre pelletables, il est donc parfois nécessaire d’amener leur teneur en matières sèches jusqu’à 25 % voire 50 %. Après déshydratation, la siccité est entre 15 et 50 %. Deux procédés sont principalement utilisés : l’épandage sur des lits de séchage et la déshydratation mécanique.

a)

Les lits de séchage

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Ils sont constitués de bacs (rectangulaires dont le fond est composé de matériaux filtrants) sur lesquels sont répandues les boues. L’eau s’en extrait par drainage (80 %) et par évaporation (20 %). L’épandage de nouvelles boues liquides doit se faire sur des lits débarrassés (à la pelle ou à la fourche) des boues sèches, et rechargés en sable propre. Les drains doivent être régulièrement nettoyés. Cette technique de séchage présente des avantages, mais elle pose aussi des problèmes liés notamment à la surface des lits, à la manutention et aux conditions climatiques (durée des périodes humides).

b)

Déshydratation importantes)

mécaniques

(dans

les

stations

Dans les stations importantes, on utilise plutôt des procédés de déshydratation mécanique : centrifugation, filtre à bandes presseuse, filtre presse, ... La floculation préalable des boues est indispensable.

La déshydratation des boues par filtre à bandes ne peut être mise en œuvre que sur des boues résiduaires parfaitement floculées (dans le cas contraire, la boue flue sur les côtés). Le développement de ces appareils est donc allé de pair avec les progrès accomplis dans la floculation des boues.

8.3.2.

Le stockage des boues stabilisées

Les boues traitées sont généralement destinées à être utilisées en agriculture. Des contraintes (agronomiques ou climatiques) peuvent interdire temporairement tout épandage agricole. Il est donc nécessaire de prévoir, dès la conception du système d’assainissement, des équipements de stockage des boues. Les structures de stockage

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peuvent être situées à proximité de la station d’épuration, soit à proximité des parcelles d’épandage. Le stockage doit être couvert ; généralement sous hangar en en silo.

8.4. Le devenir des boues Chaque habitant produit par jour 2,5 à 3,5 l de boues (30 m3 pour une ville de 10 000 habitants). Ces quantités ne peuvent pas être gardées à la STEP, il faut leur trouver une destination régulière et fiable. Les boues d’épuration sont considérées par la réglementation comme des déchets à valoriser. Depuis 2002, leur mise en décharge est interdite. L’épandage agricole et l’incinération (en mélange ou non avec les ordures ménagères) sont les principales destinations des boues produites dans les STEP traitant des ERU.

8.4.1.

L’épandage agricole des boues

Compte tenu de la valeur agronomique des boues (car contenant du carbone, azote, phosphore et potassium) et de l’importance des surfaces agricoles en France, l’épandage agricole des boues d’origine domestique (exemptes de substances toxiques) est souvent la meilleure solution à leur valorisation. C’est la voie la mieux adaptée pour les petites collectivités. Les contraintes de transport sont très réduites lorsque le rayon d’épandage ne dépasse pas quelques kilomètres. 

100 m3 de boues liquides à 3 % de matière sèche apportent en moyenne :  2 tonnes de matière organique (équivalent à 16 tonnes de fumier de bovins) ;  180 kg d’azote total, dont 50 à 70 % disponibles la première année ;  100 kg d’acide phosphorique ; 12 kg de potasse ;  15 kg de magnésie ; 15 kg de chaux.

8.4.2. La réglementation (décret du 8 décembre 1997 et l’arrêté du 8 janvier 1998)   

les boues ont un statut de déchet dont l’élimination incombe au producteur ; le producteur doit s’assurer de leur innocuité et de leur intérêt agronomique ; le producteur doit réaliser leur traitement (réduire pouvoir fermentescible et risques sanitaires) avec :  étude préalable concluant à la bonne qualité des boues et à l’aptitude des sols à les recevoir,  plan d’épandage (matériels, parcelles) comportant une solution alternative,  surveillance régulière de la qualité des boues et des sols récepteurs (tenue d’un registre).

Les risques sanitaires sont très faibles si certaines précautions élémentaires (et réglementaires) sont prises :  épandre hors des périmètres de protection des captages AEP ;  ne pas épandre par aéro-aspersion ;  ne pas épandre par fortes pluies, par gel intense, ou sur sol saturé en eau (contamination de nappes) ;  interdire l’épandage sur les cultures maraîchères consommées crues ;  respecter un délai de 6 semaines après épandage sur des prairies destinées au pâturage ;  assurer un suivi rigoureux du plan d’épandage : enregistrement des quantités épandues parcelle par parcelle, analyse des boues, analyse des sols...

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Attention : les distances qui figurent sur ce schéma sont indicatives. Les distances d’isolement réglementaires et les délais de réalisation des épandages sont détaillés dans le tableau suivant (arrêté du 8 janvier 1998).

8.4.3.

L’incinération des boues

Il faut de grosses quantités de boues : riches en matières organiques et pauvres en humidité (dans ce cas, les besoins complémentaires en fuel ou gaz d’appoint seront miniums) Ne pas oublier l’élimination des cendres et le lavage des fumées.

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8.5. Eléments pour le dimensionnement des procédés de traitement des boues 

Composition d’une boue en sortie de traitement primaire ou secondaire :  matières organiques (rapport MVS/MS) : 55-65 % décantation primaire ; 35-55 % décantation physico-chimique ; 70-85 % aération moyenne charge et 60-75 aération prolongée ;  NTK : 2,5-3 % décantation primaire ; 4-5 % aération moyenne ou faible charge ;  phosphore : 1-1, % décantation primaire ; 2-3 % aération moyenne ou faible charge ;  potassium : 0,2 à 0,3 % quelque soit le procédé ;  calcium : 5 à 15 % quelque soit le procédé.



Epaississement statique (réduire le volume et augmenter la concentration) :  le principal paramètre de dimensionnement est la charge spécifique en kg MS/m2/j :  100 à 150 si boues primaires,  30 si boues biologiques ;  charge hydraulique : 0,6 à 1 kg MS/m3/j ;  la siccité obtenue en gravitaire est de 5 à 9 % (10 % après tambour égoutteur) ;



Stabilisation (limiter les fermentations en vue de favoriser la valorisation agricole) :  la stabilisation aérobie est adaptée pour les petites et moyennes STEP ; au-delà de 50 000 EH, il est recommandé de réaliser une stabilisation anaérobie ;  stabilisation chimique : pH requis de l’ordre de 10 à 11 (dosage de 15 à 25 % de chaux vive par rapport aux MS) ; l’incinération de la boue obtenue est à proscrire ;  stabilisation aérobie (rare en raison des coût et des temps de séjour) : à 20 °C, temps de séjour de 90 jours ; volume de 40 l/EH et besoin en oxygène de 0,1 kg O2/j/kg ;  stabilisation anaérobie : voir chapitre sur les cultures bactériennes pour dimensionnement : la réduction des matières organiques est de 30 à 50 % et celles des boues de 10 à 30 %.



Déshydratation :  paramètre essentiel est le taux de capture (ou rendement d’extraction) qui représente le rapport entre les flux de MS du gâteau et des boues humides :  R = (Cg [Cali – Cf]) / Cali [Cg – Cf]),  Cg: MS gâteau ; Cali : MS alimentation ; Cf : MS filtrat ou centrifugat ;  sur filtre bande (5 000 à 50 000 EH), la siccité obtenue est de l’ordre de 18 à 22 % ;  sur centrifugeuse (10 000 à 150 000 EH), la siccité peut atteindre 25 % ;  avec un filtre presse (> 50 000 EH), la siccité peut atteindre 30 à 40 %.

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CHAPITRE 9 – TRAITEMENTS COMPLÉMENTAIRES Le traitement secondaire élimine environ 35 % environ de l’azote et du phosphore, alors que dans certain cas il faut en éliminer de 70 à 95 % (de plus, dans certains cas, de fines particules et les micro-organismes doivent être éliminés). D’où la mise en place de traitements tertiaires adaptés à chaque type de pollution :  pour l’azote : traitement biologique avec zone d’anoxie (nitrification – dénitrification) ;  traitement physico – chimique pour le phosphore par précipitation ;  traitement biologique pour le phosphore avec zone d’anaérobie ;  pour les micro-organismes : désinfection chimique, filtration sur lit de sable ou lagunage. Ces traitements complémentaires permettent d’adapter l’épuration à l’usage que l’on veut faire de l’effluent et bien évidemment à la protection du milieu (zones de captage, de baignade ou de conchyliculture). Les usages des eaux après traitement tertiaire sont variés : besoins pour arrosage (public ou agricole), recharge de nappe pour AEP, industriel (climatisation, refroidissement), réduction de l’eutrophisation des lacs. Les techniques de traitement peuvent être :  physiques : décantation, filtration, tamisage, microfiltration ;  chimiques : à base de chaux, floculation, extraction de l’azote et du phosphore ;  biologiques : lagunage, boues activées, infiltration dans le sol ;  bactériologiques : chlore, ozone, adsorption sur charbon actif, rayonnement UV, …

9.1. Elimination de la pollution azotée Rappels :  Impact de N sur l’environnement : consommation d’O2, NH3 (ammoniaque libre) principal inhibiteur de la vie aquatique, NH4 (formation de chloramines avec Cl) en excès conduit à l’eutrophisation.  Mécanisme biologique d’élimination de l’azote : ammonification (Norg en NH4 en aérobie ou en anoxie), assimilation (synthèse bactérienne qui représente environ 5% de la DBO 5 éliminée), nitrification (oxydation NH4 en NO3) et dénitrification (en anoxie NO3 en N2 et O2). Dans les ERU, l’azote représente entre 13 à 15 g/hab/j dont 2/3 de NH4+ et 1/3 d’azote organique. Les principales techniques utilisées sont :  physico-chimiques : par addition de chaux (augmentation du pH avec transformation de NH4 en N2) ;  échanges d’ions : matériaux porteurs d’anions ou cations (charbons, silicates, résines) échangeables en solution ;  biologiques : rappel 4 techniques : 3 bassins distincts (carbonée, nitrification, dénitrification), alternance de phases (aération, anoxie), zone d’anoxie en tête et bassin seul.

9.2. Elimination de la pollution phosphorée Dans les ERU, le phosphore est de l’ordre de 3 à 4 g/hab/j dont 80% sont des orthophosphates. Dans une station biologique classique, l’élimination du phosphore est de l’ordre de 1% de la DBO 5 éliminée soit un rendement de l’ordre de 20 % (15 à 30 %). Les principales techniques supplémentaires utilisées sont : 

physico-chimiques par ajout de sels métalliques (fer ou aluminium) ou de chaux, avec formation de complexes et de précipités du phosphore qui sont ensuite décantés ; 3 types de traitement existent :  pré-précipitation : précipitation en tête de station sur les effluents bruts avec de la chaux ; production de 100 % de boues supplémentaires ;  co-précipitation (technique la plus utilisée) : injection de sels métalliques dans le BA ; augmentation de 40 à 60% de boues ;  post-précipitation : traitement physico-chimique spécifique (avec filtration des effluents) avant le clarificateur ; très bon rendement (80 à 90 %), mais onéreuse.



biologiques : par alternance de phase anaérobie – aération :

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    

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après un stress anaérobie (où elles larguent tout le phosphore qu’elles contiennent), les bactéries consomment en aérobie jusqu’à 4 fois plus de phosphates que sans stress anaérobie ; la technique repose sur l’accumulation de phosphore à l’intérieur des bactéries (évacuées avec les boues en excès) et permet de passer de 2 % de P à 6 - 8 % de P dans les boues (sans augmentation des boues) avec la contrainte de ne pas repasser dans une zone anaérobie ; la présence de NO3 gêne le processus de déphosphatation (compétition entre les bactéries) ; temps de séjour dans le bassin d’anaérobie de 4 à 6 h.

pour mémoire autres techniques (peu usitées) : échanges d’ions, production d’algues, cristallisation, électrochimiques.

9.3. Désinfection des effluents Les stations d’épuration biologiques éliminent environ 90 % de la charge microbienne initiale. Les eaux épurées (après traitement classique) contiennent plus d’un million de micro-organismes par litre dont certains (bactéries, virus, parasites) peuvent être pathogènes (c'est-à-dire porteurs de maladies). Ce nombre sera d’autant plus important qu’il reste dans l’eau traitée des particules en suspension (nutriments). La désinfection a pour objectif principal d’améliorer la qualité bactériologique de l’effluent afin de protéger les zones sensibles (captage AEP, baignade, aquaculture, irrigation). Les techniques utilisées mettent en œuvre un agent chimique (oxydant puissant)) ou physique afin d’assurer la destruction des micro-organismes. 

Chloration (la plus utilisée) : injection de chlore ou de dioxyde de chlore.  Le chlore est efficace sur les bactéries, mais peu efficace sur les virus ; de plus des phénomènes de reviviscence ont été mis en évidence.  Le dioxyde de chlore est un bactéricide et virucide plus efficace que le chlore (mais pouvant générer dans sous-produits chlorés toxiques).  Le contact doit être supérieur à 30 mn.  Pour obtenir 99,9 % de réduction des coliformes, les doses sont les suivantes : 3 à 10 mg/l après lits bactériens, 2 à 8 mg/l après boues activées et 1 à 5 mg/l après filtration (sable ou charbon actif).



Traitement par ozone : son action sur les bactéries et les virus est marquée (pas d’études de reviviscence).  Traitement dans des colonnes de contact où l’eau et l’air ozoné circulent à contre courant.  Avec 1 à 2 mg/l d’ozone et un contact de 20 mn on obtient une concentration de l’ordre de 10 3 coliformes fécaux. Pour obtenir une meilleure désinfection, il faut un contact de 20 mn avec une concentration de 10 à 15 mg/l d’ozone.



Le brome : oxydant puissant au même titre que le chlore.



Rayonnement UV : pouvoir germicide important (des reviviscences bactériennes ont été observées). Son efficacité est affectée par la présence de MES, colloïdes (absorption du rayonnement). Son coût est important en investissement 10 à 20 €/EH.



Filtration sur lit de sable : rétention des dernières particules dans l’eau et donc les micro-organismes qui s’y sont aggripés.



Le lagunage : la désinfection est assurée, durant le temps de séjour important (30 jours), par l’insolation et des mécanismes physico-chimiques et biologiques. L’abattement atteint 4 unités log.



Par membranes : microfiltration (0,2µ ; kystes, bactéries, mais pas tous les virus) et ultrafiltration (0,01µ ; élimination totale des germes). Les membranes retiennent les germes par une barrière physique. Cette technique ne génère pas de sous-produits toxiques. Les coûts d’investissement sont entre 50 et 100 €/EH.



A l’acide peracétique qui possède une activité désinfectante similaire à celle du chlore.

De plus en plus, la désinfection des eaux usées devra répondre aux 3 objectifs suivants :  destruction de 3 à 4 unités log des germes tests ;

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 

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absence de toxicité résiduelle (formation de sous-produits) ; absence de reviviscence des germes après traitement.

9.4. Traitement des odeurs Les odeurs sont dues aux gaz, vapeurs émisses par certains produits contenus dans les ERU ou dans les composés se formant au cours des différentes phases de traitement (ammoniac, graisses, boues, fermentation). Les principales sources sont : prétraitements, puits à boues, épaississeur, déshydratation et traitement des matières de vidanges. Les principaux composés malodorants sont :  composés azotés (ammoniac et amines) ; avec odeur piquante d’urine ou de poisson ou d’excréments ;  composés soufrés (H2S et mercaptans) ; avec odeur d’œuf ou de légume pourri ;  composés carbonés (aldéhydes et cétones) ; odeur rance ou d’huile brûlée pour acides organiques. Les plus fortes nuisances olfactives proviennent des composés soufrés (essentiellement boues). Pour H 2S, le seuil de perception par l’odorat humain est très faible (1 µg/m3). Les principales techniques pour traiter les odeurs sont :  désodorisation par absorption gaz / liquide (passage du polluant de la phase gazeuse à liquide) ;  bio désodorisation : passage du gaz à épurer sur des biofiltres (lit de tourbe avec biomasse) ;  autres méthodes peu utilisées : adsorption sur charbon actif (utilisé sur les postes de refoulement), réinjection de l’air vicié dans le bassin d’aération.

9.5. Assainissement non collectif (autonome) Hors agglomération, toute habitation isolée doit avoir un système d’épuration autonome. S’il existe un réseau d’eaux usées domestiques à proximité (dans la rue) le raccordement est obligatoire. Plusieurs techniques peuvent être choisies en fonction de la surface disponible, de la pente, de la perméabilité du sol, de la présence d’une nappe souterraine, de l’inondabilité du terrain, de la présence d’un captage à proximité, du nombre de pièces dites principales (nbre de chambres + 2) et du nombre d’usagers. Le principe est le suivant :  collecte des eaux usées (eaux vannes et eaux ménagères) ;  prétraitement avec une fosse toutes eaux :  (élimination des graisses et des MES, soit 20 % de la pollution) ;  elle doit être vidangée au moins tout les 4 ans ;  volume : 5 m3 pour 5 pièces ou moins, puis 1 m3 supplémentaire par pièce supplémentaire ;  aération pour éviter les odeurs ;  épuration à travers le sol en place ou à travers un sol reconstitué : une étude de sol préliminaire est obligatoire pour déterminer le type d’installation (épandage souterrain, 15 à 20 ml de drains par pièces, épandage sous sol reconstitué, lit filtrant drainé, tertre d’infiltration si nappe proche du sol ou zone inondable) ;  évacuation par le sol en place (infiltration) ou par un tuyau acheminant l’eau dans un fossé ou ruisseau (après avoir obtenu une autorisation de rejet). La norme AFNOR (DTU 64.1) fixe les règles de mise en œuvre des dispositifs d’assainissement autonome. L’arrêté du 6 mai 1996 en fixe les prescriptions techniques. La vérification de la construction et du fonctionnement du dispositif doit être assurée par la collectivité.

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CHAPITRE 10 – CONCEPTION ET EXPLOITATION DES OUVRAGES 10.1.

Conception des ouvrages

Les principales recommandations pour la conception d’une station d’épuration sont : 

répondre à la réglementation en vigueur (objectifs de rendement) ;



faire l’objet d’un cahier des charges précis spécifiant :  les débit et flux à traiter (établis à partir de mesures représentatives) : horaire, journalier, hebdomadaire, saisonnier,  si nécessaire, volume et charge par temps de pluie,  une estimation des flux pour le moyen terme,  données sur la qualité de l’effluent brut (fractions dissoutes et particulaires, minéralisation),  évaluation des rejets industriels et matières dépotées,  devenir des boues et des déchets de l’épuration ;



accepter des variations de charge hydrauliques avec des limites définies en quantité et durée (au-delà de la limite fixée la STEP devra comporter des ouvrages complémentaires) ;



analyser la fiabilité et les risques de défaillances de la STEP ;



concevoir la fiabilité de la filière de traitement suivant les critères :  prétraitements : accessibilité, dimensionnement, élimination des sous-produits,  décantation primaire : prévoir l’adaptation aux variations de flux et des procédures de gestion d’extraction e boues pour ne pas permettre son utilisation comme épaississeur,  bassin d’aération :  volume dimensionné pour 3 à 4 g/l de MES pour la liqueur mixte,  puissance d’aération pour les besoins de pointe,  ouvrage de dégazage pour récupérer efficacement les mousses,  si insufflation : aération et brassage doivent être dissociés,  pour éviter la formation de flottants : aération élevée en anoxie, faible hauteur de chute en sortie du BA, zone de contact en tête de bassin,  clarification : (dimensionnement avec vitesse ascensionnelle, flux hydraulique et massique, indice de boues) :  dimensionnement correct du volume de stockage et de la profondeur,  pour les petites STEP, vitesse ascensionnelle inférieure à 0,6 m/h,  utilisation de l’ouvrage comme épaississeur est à proscrire,  les flottants sont envoyés vers la déshydratation (pas de retours en tête),  traitement par cultures fixées : dimensionnement en prenant en compte l’indisponibilité de modules en période de lavage ;



comporter un traitement de boues à « toute épreuve » :  sans goulet d’étranglement (gestion des extractions primaires et secondaires),  il est souhaitable de séparer l’épaississement des boues primaires et biologiques,  produisant une qualité de boues permettant d’envisager plusieurs solutions de valorisation,  comportant une chaîne de mesure ;



pouvoir accepter, en cas de réseau unitaire, des débits supérieurs aux débits nominaux sans dégradation majeure du traitement (par exemple, débit maximal par temps de pluie = 3 fois le débit moyen de temps sec [hors eaux parasites] sur une période de 24 à 48 h) ;



comporter la métrologie interne minimale suivante : auto-surveillance (débits entrée et sortie), pilotage et contrôle du procédé biologique (température, pH, potentiel rédox, O 2 dissous, …), production de boues, débit des recirculations et extraction, … ;



réceptionner soigneusement les ouvrages (tests, mesures, documentation, étanchéité, …) ;

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

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exploiter selon des principes inspirés de l’assurance qualité (ISO 9000).

10.2.

Exploitation des ouvrages

10.2.1. Exploitation et entretien des stations d’épuration Pour une bonne exploitation, on recherchera :  un rapport optimal qualité / prix ;  économie d’énergie (relèvement des eaux, par exemple) ;  utilisation de matériel robuste, facile à remplacer ;  solutions optimales de traitement (programmateurs et personnel expérimenté) ;  formation du personnel et manuels clairs et complets (entretien, contrôle, analyse, …). Il est à noter que, dans plus de 50 % des cas, les insuffisances d’épuration sont dues au réseau (fonctionnement défectueux : effluents surchargés, fosses septiques, eaux parasites, insuffisances de riverains raccordés). Il est impératif de tenir un journal d’exploitation sur lequel on indique chaque jour tous les événements survenus ainsi que toutes les perturbations de fonctionnement. Il comportera en particulier :  les observations visuelles (eaux brutes, volume, pointe, …) ;  les résultats des contrôles (aération O2, air ; volume traitée, consommation EDF ; …) ;  les analyses des concentrations d’effluents ;  les contrôles sur les boues activées (MES, MVS, volumes extraits, …) ;  les renseignements sur la digestion des boues (acide volatif, température, volume des gaz). Le tableau fourni est annexe donne quelques recommandations techniques en rapport à des incidents. Les besoins en personnel d’une station d’épuration sont de l’ordre de :  (entretien d’un réseau d’une vingtaine de km : 3 égoutiers en moyenne) ;  < 10 000 EH : une équipe de 2 personnes (électromécanicien et agent) qui intervient 2 à 4 h par jour ;  10 à 20 000 EH : une équipe de 3 personnes (un chef de station et 2 agents) ;  20 à 50 000 EH : 7 personnes, un chef de station et deux équipes de 3 personnes (électromécanicien et de 2 agents) ;  50 à 100 000 EH : 10 personnes, un chef de station et trois équipes ;  au dessus de 100 000 EH, on admet un agent supplémentaire par tranche de 10 000 EH. L’exploitant est confronté au problème de l’intervention 24 h/24 (astreinte). Le service d’assainissement assure l’instruction des dossiers de sinistres (inondations, …) et des plaintes (odeurs, bruits). L’instruction se développe sur la base d’une enquête technique, sur la définition des responsabilités et l’évaluation des dommages.

10.2.2. Entretien des ouvrages Il ne faut pas négliger l’entretien du génie civil et des parties métalliques de la station. En effet, un éclatement de béton non réparé à temps peut entraîner, à terme, des réparations très coûteuses. Pour reprendre des défauts courants (fissuration du béton, éclatement du béton après fissuration, dégradations étanchéité et peintures, corrosions métalliques), il existe des techniques pour réaliser des petites réparations :  Pour reboucher les fissures : injection sous pression (0,5 à 2 bars) de résine époxy (rebouchage aux polyesters ou mortier est déconseillé). Sur les STEP, la difficulté réside dans le fait de travailler hors d’eau (bassin vide).  Pour un éclatement : application à la spatule de mastic de résine évite la poursuite de la dégradation. Pour assurer un service optimal d’entretien et de maintenance, il est utile de :  faire des prévisions des moyens en personnels et en matériels ;  disposer d’un personnel compétent ;  connaître toutes les informations relatives aux fonctionnalités, aux interventions d’entretien et réparation réalisées ;

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

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analyser les opérations d’exploitation et les coûts qu’elles entraînent (taux de collecte, nature de l’effluent, eaux parasites, connaissance des techniques nouvelles, …).

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10.2.3. Protection du personnel a)

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Maladies et risques liés à l’eau



Risques liés à la consommation d'eaux potables contaminées (rappels) :  Choléra. Maladie contagieuse provoquant des infections intestinales aiguës (diarrhée fréquente, vomissements, soif intense et déshydratation rapide). Cette maladie peut entraîner la mort dans 50 % des cas graves non traités.  Fièvre typhoïde. Infection, souvent bénigne, entraîne la mort dans 1 % des cas. (fièvre, maux de tête, l'anorexie, ralentissement du rythme cardiaque, augmentation du volume de la rate, formation de taches rosées sur le corps, toux sèche et constipation).  Dysenterie. Terme générique caractérisant des maladies (avec diarrhée douloureuse et sanglante, nausées et vomissements) d’origine bactérienne, amibes et protozoaire. Seule la shigellose peut entraîner la mort (taux de mortalité pouvant atteindre 20 %).  Les principaux symptômes de toutes les maladies d'origine hydrique sont : diarrhées ou, rarement, constipation, fièvre, crampes abdominales parfois violentes, vomissements. Le tableau joint présente toutes ces maladies et diverses autres informations appropriées.



Risques liés au contact de l'épidémie avec des eaux souillées :  Hépatite virale «A». Infection virale (fièvre, anorexie, nausées, douleurs abdominales, suivi d'ictère [jaunisse]). Cette maladie entraîne la mort dans 0,1 % des cas.  Tétanos. Maladie causée par la toxine du bacille (bactérie) tétanique qui se développe dans des blessures soumises à des conditions anaérobies (contractions musculaires douloureuses aux joues, au cou et au tronc). La mortalité peut atteindre 90 %, selon l'âge du malade.  Bilharziose (schistosomiase). Maladie causée par des vers vivant dans le système vasculaire de l'humain (diarrhées, maux de ventre, obstruction des voies urinaires, infection et cancer de la vessie). Les larves du parasite se développent dans les eaux douces des pays chauds et pénètrent dans le système vasculaire de l'homme. Cette maladie entraîne rarement la mort. Les risques sont élevés pour les égoutiers.



Risques liés à la respiration de gouttelettes d'eau polluée : La maladie des légionnaires (légionellose) est transmise par la respiration de gouttelettes d'eau. La bactérie se multiplie en eau chaude ( 40° C).



Noyade : Particulièrement dans les réseaux pluviaux ou unitaires (débit pouvant croître rapidement au cours d'une pluie, à l'ouverture de vannes, à la décharge de réservoirs de retenue).



Gaz et vapeurs dans les réseaux d’assainissement : gaz toxiques ou explosifs, substances volatiles toxiques, asphyxie par manque d'oxygène :  Méthane (CH4). Gaz, incolore et inodore, produit par décomposition anaérobie de la matière organique (coups de grisou). Il est plus léger que l'air (partie supérieure des équipements).  Acide sulfhydrique (H2S). Produit par la décomposition anaérobie de la matière organique. Gaz incolore, inflammable, explosif (4 et 46 %) et mortel pour l'humain (après ½ h à 0,05 %). À fortes concentrations, il affecte l'odorat.  Gaz carbonique (CO2). Gaz incolore et inodore (produit par la transformation microbienne aérobie et anaérobie de la matière organique et par plusieurs autres transformations chimiques). Il est mortel pour l'humain (contact ½ h à 6 %).  Oxygène (O2). Gaz incolore, inodore et sans saveur. 20,9 % d'O2 dans l'atmosphère. 19 % est insuffisante pour l'humain. 13 % est dangereuse pour la santé et inférieur à 7 % entraîne la mort. Une faible concentration d'oxygène résulte d'une concentration élevée d'autres gaz.  Plusieurs autres gaz peuvent être présents dans les conduites d'égout (infiltration ou déversement d'eaux usées industrielles) : vapeurs d'essence, CO, solvants industriels (acétone, phénol, acide nitrique, ...), chlore (C12), azote ammoniacal (NH3), …



Autres risques pour les travailleurs de l’eau : risques de n'importe quel chantier :  accident (chute, explosion, arrivée d’eaux, ..) ;  intoxication (danger le plus fréquent dans les lieux le renouvellement d’air est faible) ;  électrocution ;

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

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infection et contamination.

b)

Hygiène et sécurité du personnel

Pour une meilleure hygiène et sécurité du personnel, il est recommandé de :  prévoir toutes les sujétions d’hygiène et sécurité lors de la conception des ouvrages (échelons encastrés préférables aux échelles fixées, crinoline sur les puits de descente, plates-formes intermédiaires avec garde-fous et crochets pour harnais de sécurité) ;  établir une liaison permanente et sûre entre les équipes dans des ouvrages souterrains et de surface ;  bien équiper le personnel (bottes, casques, baudriers, masque à cartouche, …) ;  mettre en œuvre toutes les mesures propres à la réglementation du travail (douches, rince yeux, désinfection des locaux, hygiène corporelle, vaccinations, …) ;  appliquer des règles d’hygiène personnelle (travailleurs du domaine de l'eau) :  ne jamais fumer ou manger sur les lieux de travail,  se laver soigneusement les mains et se brosser le dessous des ongles (notamment avant de fumer ou de manger),  nettoyer et désinfecter toute blessure et la protéger durant le travail,  ne jamais se toucher le visage, notamment le nez, les yeux et la bouche, avec les mains,  se doucher le plus souvent possible ;  se protéger contre les maladies causées par l’eau : vaccinations contre la polio, le tétanos, l’hépatite A, leptospirose, … ;  utiliser des matériels répondant aux exigences du travail à réaliser (protection autour des moteurs, avertisseur de manœuvre, arrêt automatique, arrêt coup de poing, …) ;  assurer régulièrement le contrôle de la sécurité des installations. Il existe des détecteurs qui assurent la protection du personnel dans toutes les atmosphères dangereuses (manque O2, présence H2S, risques d’explosivité) ; ces appareils donnent l’alarme avant les seuils critiques.

c)

En conclusion

Les travailleurs du domaine de l'eau courent, en plus des risques semblables à ceux qui sévissent sur les chantiers de construction, des risques spécifiques dus à la présence de virus et de bactéries pathogènes et à celle de produits chimiques toxiques et explosifs. Pour protéger leur vie et leur santé, ils doivent :  respecter en tout temps des règles d'hygiène strictes (lavages fréquents des mains, douches, etc.) ;  porter des vêtements appropriés ;  ne jamais effectuer seuls des travaux comportant des risques.

10.2.4. Instruments de mesure Sur l’ensemble des ouvrages d’une STEP, il y a des instruments permettant de mesurer la qualité de l’eau (ou boues) pour surveiller les rendements, piloter les ouvrages, détecter des pannes ou défaillances. Les principaux capteurs utilisés pour la gestion de l’eau sont ceux de :  pH : caractère acide ou basique de l’eau ; mesure du potentiel (activité de H +) par rapport à une électrode de référence (électrode Ag / AgCl dans une solution de KCl ; pour l’étalonnage, on utilise des solutions tampons de pH 4, 7 et 10 (pH pour régler le zéro, puis pH 4 ou 10 pour régler la pente) ;  potentiel d’oxydo-réduction (rédox) : pouvoir qu’ont les sels dissous à échanger des électrons ; l’électrode de référence est de même type que pour le pH ; en traitement par boues activées : Eh varie entre + 400 mV (sur aéré ou nitrification totale) à + 100 mV (sous aéré ou dénitrification totale) ;  oxygène dissous : il varie avec la température, la salinité et la pression atmosphérique (valeur à saturation entre 2 et 25 °C : 14 à 8,5 mg/l) ; le principe de la mesure repose sur la tension de polarisation appliquée à un couple d’électrodes polarisées ;  conductivité : mobilité et concentration des sels dissous ; mesure de la résistance entre 2 électrodes ;  turbidité : quantité de MES colloïdales ; l’intensité d’une source de lumière infrarouge diffusé sur les particules est mesurée ;

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 

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MES : particules non solubles de dimension entre 1 et 100 µ ; la mesure peut être réalisée par : absorbance, rétrodiffusion ou diffusion d’un faisceau optique ; température :(pH, O2 dissous, conductivité et chlore varient avec la température) ; on a la mesure soit avec des sonde platine (résistance varie avec température) ou thermocouples (potentiel entre 2 métaux distincts mis en contact).

Il existe 3 grands types de capteurs :  potentiométrique, c’est la tension qui varie (pH, thermocouples) ;  résistif, c’est la résistance qui varie (colorimètre, turbidimètre, température) ;  ampérométrique, c’est l’intensité qui varie (mesure oxygène). Le capteur est souvent sensible à des variations de température ; pour palier à cela, on utilise des compensateurs de température (automatique ou à réglage manuel). La chaîne de mesure est constituée de :  capteur avec une sonde qui mesure une grandeur physique et la convertit en signal électrique de très faible valeur (mA, mV) ;  le signal est ensuite amplifié (amplificateur) ;  puis, il est soit enregistré, soit transmis par câble (transmetteur).

10.3.

Quelques chiffres clés

Les travaux de collectes des ERU représentent 80 à 85 % de l’investissement total en assainissement, c'est-àdire 4 à 5 fois plus cher que le traitement. Les durées d’amortissements (« renouvellement moyen ») sont :  50 à 60 ans pour les réseaux ;  25 à 30 ans pour les STEP et bassins de retenue ou de stockage - restitution ;  10 à 15 ans pour les équipements, pompages, relevages, filtres.

10.3.1. Données sur les collecteurs Prix unitaires HT d’investissement des collecteurs : (valeurs 1996) :  en fonction du diamètre (pour une pose en terrain meuble) :  200 mm : 70 €,  300 mm : 110 €,  400 mm : 150 €,  500 mm : 200 €,  1 000 mm : 400 €,  2 000 mm : 775 € ;  en fonction du terrain :  pour des terrains difficiles non encombrés, il faut les multiplier de 1,25 à 1,35 ;  pour des terrains moyennement encombrés, il faut les multiplier de 1,75 à 1,80. La mise en place d’un réseau représente en moyenne un coût de 400 € par habitant (250 à 650 € suivants les régions). Un branchement particulier au réseau revient à environ 1 000 €. Ratio : on table en moyenne sur 3-4 ml de collecteur par habitant (soit 35 km pour 10 000 EH). Les coûts annuels d’entretien et d’exploitation des réseaux sont en moyenne de 4 à 5 €/ml de réseau (2 à 30 €/ml). On les évalué généralement entre 1 et 2 % de la valeur du réseau (175 k€/an pour 10 000 EH). La gestion des réseaux est pour 80 % en régie communale et 20 % privée (affermage, concession, contrat d’exploitation).

10.3.2. Données sur les unités de traitement

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La France (données 1992) comptent plus de 11 000 stations d’épuration (sur 36 000 communes) dont plus de 50 % ont une capacité inférieure à 1 000 EH. On estime qu’en milieu rural, 18 % de la population est desservie par un réseau de collecte. Pour les STEP à boues activées, les coûts d’investissements hors traitements tertiaires sont de l’ordre de :  10 000 EH : 950 000 à 1 250 000 € (95 à 1 25 €/EH) ;  50 000 EH : 4,5 à 6,5 M€ (90 à 100 €/EH) ;  100 000 EH : 7,5 à 9,5 M€ (75 à 95 €/EH). Les coûts se décomposent : acquisition et aménagement des terrains : 35 %, filière eau : 35 %, filière boues : 20 %. Majoration de 20-25 %, pour l’élimination de l’azote et de 15-20 % pour phosphore. En France, le procédé par boues activées représente 60 % du parc des usines de dépollution et 80 % de la capacité de traitement, soit 40 millions d’EH. Les traitements par cultures fixées (essentiellement lit bactérien) représentent 15 % des installations d’épuration et traitent 10 % de la pollution totale française. Les coûts d’investissements sont 10 à 15 fois supérieurs à ceux d’une culture libre. Un lagunage naturel (3 bassins) coûte entre 20 et 50 % du prix d’une STEP classique. Une installation de traitement des eaux pluviales d’une capacité de 10 m3/s est de l’ordre de 10 M€. Une installation d’assainissement individuel varie entre 3 000 et 6 000 €. Les coûts d’exploitation annuels d’une STEP biologique représentent en % d’investissements :  exploitation courante (personnel, énergie, réactifs, …) : 5 à 10 % ;  renouvellement des matériels : 1 à 2 % ; soit de l’ordre de 100 k€ pour une STEP de 10 000 EH. Pour une STEP physico-chimique, les coûts annuels d’exploitation varient entre 15 et 20 % de l’investissement. La gestion des STEP est pour 49 % en régie communale et 51 % privée.

10.3.3. Bilan sur la pollution En 1997 (date de la dernière enquête au niveau national), la pollution était :  pollution totale brute : 71 millions EH dont :  pollution domestique : 53 millions EH,  pollution industrielle raccordée : 18 millions EH ;  taux de dépollution 42 % (28 millions EH n’entrant pas en épuration et 14 millions EH non éliminée par épuration) ;  taux de collecte : 40 % ;  rendement des stations de traitement : 69 %.