Dimensionnement de Station d'Épuration PFE

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

TABLE DES MATIERES REMERCIEMENTS..................................................................................................................3 LISTE DES TABLEAUX...........................................................................................................4 LISTE DES FIGURES............................................................................................................6 LISTE DES ABREVIATIONS...................................................................................................7 AVANT-PROPOS........................................................................................................................8 INTRODUCTION GENERALE...............................................................................................9 PARTIE I : ETUDE TECHNIQUE DES STATIONS D’EPURATION DE

TYPE :

LAGUNAGE NATUREL, LAGUNAGE AERE ET BOUES ACTIVEES..........................12 CHAPITRE I : CARACTERISTIQUES PHYSICO-CHIMIQUES DES EAUX USEES....................................................................................................................................12 I-

Caractéristiques des eaux usées...........................................................................................................12

II-

Traitement des eaux usées....................................................................................................................14

CHAPITRE II : ETUDE TECHNIQUE DE LA STATION D’EPURATION DE TYPE LAGUNAGE NATUREL.....................................................................................................17 I-

Description de la step naturelle............................................................................................................17

II-

Dimensionnement des ouvrages la step naturelle...............................................................................19

CHAPITRE II : ETUDE TECHNIQUE DE STATION D’EPURATION DE TYPE LAGUNAGE AERE..............................................................................................................52 I-

Généralités...........................................................................................................................................52

II-

Dimensionnement................................................................................................................................53

III-

Calcul du volume d’air......................................................................................................................61

IV-

Détermination de la puissance des aérateurs.................................................................................64

V-

Détermination du volume des digues................................................................................................67

VI-

Détermination de la surface de la membrane d’étanchéité...............................................................68

CHAPITRE III : ETUDE TECHNIQUE DE STATION D’EPURATION DE TYPE BOUES ACTIVEES..............................................................................................................70

2

I-

GENERALITES..................................................................................................................................70

II-

Données de base et méthodologie.......................................................................................................73

III-

Caractérisation des différents ouvrages du procédé à boues..............................................................75

IV-

Age des boues.....................................................................................................................................81

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. V-

Calcul du volume d’air pour l’élimination de la pollution carbonée avec ou sans nitrification..........81

VI-

Puissance des aérateurs.....................................................................................................................84

VII-

Calcul des quantités de boues primaires et biologiques....................................................................85

VIII-

Calcul de la capacité des pompes de succion des boues...................................................................87

IX-

Filière de traitement des boues........................................................................................................87

X-

Volume des digesteurs de boues........................................................................................................89

PARTIE II : ETUDES FINANCIERE ET COMPARATIVE DES STEP DE TYPE : LAGUNAGE NATUREL, LAGUNAGE AERE ET BOUES ACTIVEES.........................90 CHAPITRE IV : ETUDE FINANCIERE DES STEP.......................................................90 I-

ETUDE FINANCIERE DE LA STEP A BOUES ACTIVEES...........................................................91

II-

ETUDE FINANCIERE DE LA STEP DE TYPE LAGUNAGE NATUREL.....................................92

III-

ETUDE FINANCIERE DE LA STEP DE TYPE LAGUNAGE AERE...........................................93

CHAPITRE V : ETUDE COMPARATIVE DES STEP....................................................93 I-

Avantages et inconvénients des step................................................................................................94

II-

Proposition d’un type de step...............................................................................................................95

CONCLUSION GENERALE..................................................................................................95 BIBLIOGRAPHIE....................................................................................................................96 GLOSSAIRE.............................................................................................................................97

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Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. LISTE DES TABLEAUX Tableau 1 : Récapitulatif du dimensionnement du bassin anaérobie.......................................23 Tableau 2: Récapitulatif du dimensionnement du bassin facultatif........................................26 Tableau 3: caractéristiques du bassin de maturation.................................................................29 Tableau 4: Récapitulatif des caractéristiques du bassin de maturation....................................33 Tableau 5 : Comparaison des surfaces des filières de traitement..............................................33 Tableau 6: Récapitulatif du dimensionnement du bassin anaérobie........................................36 Tableau 7: Récapitulatif du dimensionnement du bassin facultatif.........................................38 Tableau 8: caractéristiques du bassin de maturation.................................................................40 Tableau 9: récapitulatif du dimensionnement du bassin anaérobie..........................................40 Tableau 10: récapitulatif du dimensionnement du bassin facultatif.........................................42 Tableau 11: caractéristiques du bassin de maturation...............................................................43 Tableau 12: comparaison des surfaces des filières....................................................................44 Tableau 13:récapitulatif du dimensionnement du bassin anaérobie.........................................44 Tableau 14: récapitulatif du dimensionnement du bassin facultatif.........................................45 Tableau 15: caractéristiques du bassin de maturation...............................................................46 Tableau 16: comparaison des surfaces......................................................................................46 Tableau 17: calcul du volume de déblais du bassin anaérobie..................................................47 Tableau 18: calcul du volume de déblais du bassin facultatif...................................................47 Tableau 19: calcul du volume de déblais des bassins de maturation........................................47 Tableau 20: calcul du volume de la digue................................................................................50 Tableau 21: surface de la membrane d’étanchéité du bassin anaérobie....................................51 Tableau 22: surface de la membrane d’étanchéité du bassin facultatif....................................52 Tableau 23: surface de la membrane d’étanchéité du bassin de maturation.............................52 Tableau 24: Dimensionnement du bassin anaérobie en fonction des populations....................56 Tableau 25:Dimensionnement du bassin aéré en fonction des populations..............................59 Tableau 26:Dimensionnement du bassin de décantation en fonction des populations.............60 Tableau 27 :résumé des valeurs de Cm pour une eau urbaine................................................62 Tableau 28:Demande en oxygène pour l'oxydation de la DBO5 (DO1)..................................63 Tableau 29: Demande en oxygène pour la respiration endogène (DO2)..................................63 Tableau 30: Demande en oxygène pour la nitrification (DO3).................................................63 Tableau 31:Volume d'air sans nitrification................................................................................64

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Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. Tableau 32: Volume d'air avec nitrification..............................................................................64 Tableau 33: Détermination de la puissance des aérateurs.........................................................66 Tableau 34: Volume de la digue entre le bassin anaérobie et le bassin d'aération....................67 Tableau 35:Volume de la digue entre le bassin d'aération et le bassin de décantation.............68 Tableau 36: Surface de la membrane d'étanchéité pour le bassin anaérobie............................69 Tableau 37: Surface de la membrane d'étanchéité pour le bassin d'aération............................69 Tableau 38:Surface de la membrane d'étanchéité pour le bassin de décantation......................70 Tableau 39: calcul des flux des matières organiques................................................................75 Tableau 40: récapitulatif du dimensionnement du dessableur..................................................76 Tableau 41: recapitulatif du dimensionnement du décanteur primaire....................................77 Tableau 42: récapitulatif du dimensionnement du bassin d’aération.......................................78 Tableau 43:recapitulatif du dimensionnement du décanteur secondaire.................................80 Tableau 44: détermination du volume d’air............................................................................83 Tableau 45: caractéristiques des aérateurs................................................................................85 Tableau 46 : ratio de boues.......................................................................................................85 Tableau 47: calcul de boues primaires et biologiques...............................................................86 Tableau 48: dimensionnement du digesteur de boues...............................................................89 Tableau 49: Coût global des installations de la step de type boues activées...........................92 Tableau 50:Coût global des investissements des installations du lagunage naturel.................92 Tableau 51:coefficient de majoration pour évaluation du coût du lagunage aérée...................93 Tableau 52: Coût global des investissements des installations du lagunage aéré.....................93

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LISTE DES FIGURES Figure 1: Schéma de principe du lagunage naturel...................................................................18 Figure 2: Bassin facultatif.........................................................................................................19 Figure 3: disposition des digues................................................................................................48 Figure 4: schéma synoptique des digues de la step naturelle....................................................50 Figure 5: schéma d’une station de traitement à boues activées...............................................71 Figure 6: Décanteur primaire avec pont racleur......................................................................77 Figure 7: rampe d’aération – bassin d’aération - agitateur banane...........................................78 Figure 8: Clarificateur...............................................................................................................80

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LISTE DES ABREVIATIONS BA

: Bassin Anaérobie

BF

: Bassin Facultatif

BM

: Bassin de Maturation

Cm

: Charge Massique

Cv

: charge volumique

DBO5 : Demande Biologique en Oxygène après 5 jours DCO : Demande Chimique en Oxygène DP

: décanteur secondaire

DS

: décanteur primaire

EH

: Equivalent-Habitant

EP

: Eaux de Pluies

EU

: Eaux Usées

MES

: Matières En Suspension

MeST

: Matières En Suspension totale

MS

: Matières Sèches

MVS

: Matières Volatiles en Suspension

STEP

: STation d’EPuration.

STEU

: Station de Traitement des Eaux Usées

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AVANT-PROPOS L’Institut National Polytechnique Houphouët Boigny (INP-HB) qui a été créé le 04 Septembre 1996 est un établissement d’enseignement supérieur, formant des étudiants dans divers domaines d’activités. La notoriété de cet institut part de la qualité de la formation dispensée et de celle de ses anciennes écoles dont l’ENSTP (École Nationale Supérieure des Travaux Publics) sous l’appellation de l’École Supérieure des Travaux Publics (ESTP) au sein de l’INP-HB. La formation d’un ingénieur à l’ESTP a su allier une base sur les fondements théoriques des enseignements et une mise en pratique de ses enseignements. La dernière année de la formation se particularise d’une partie en tronc commun et une autre en voie d’approfondissement. A l’issue des enseignements, les élèves effectuent un Projet de Fin d’Étude (PFE) qui est une occasion pour eux de faire la synthèse de la formation en particulier de celle la voie d’approfondissement et d’acquérir un savoir-faire professionnel par l’application de leurs connaissances à la résolution d’un problème concret d’Ingénieur dans les conditions les plus proches de celle qu’ils rencontreront dans la profession. C’est dans ce cadre que s’inscrit le projet qui nous a été soumis lequel a pour thème : >. Ce présent document fait donc office de rapport et présente les résultats des études menées.

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Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. INTRODUCTION GENERALE 1. contexte L'importance des enjeux auxquels sont confrontées les collectivités territoriales matière d'assainissement tient à la constance des ressources en eau sur terre en qualité et quantité. Si les eaux dégradées après utilisation ne sont pas nettoyées et assainies, disponibilité des ressources en eau pour les autres usages va diminuer en quantité et qualité.

en en la en

L'assainissement devient ainsi une nécessité absolue pour restaurer et/ou préserver les caractéristiques physico-chimiques qui font une eau de qualité. En plus de cet enjeu de préservation des milieux naturels, l'assainissement doit également contribuer à la qualité du cadre d'exercice de l'activité humaine. Ceci commence en premier lieu par tout ce qui concerne l'amélioration de la qualité de la vie: hygiène, santé, confort ménager, loisirs, cadre de vie. Le traitement de la pollution des eaux usées municipales est généralement réalisé par des systèmes biologiques dont les techniques de traitement sont multiples. En allant du plus simple au plus compliqué, on trouve en exploitation: 1.1 - Le système extensif : le lagunage naturel Le traitement des eaux usées par le procédé de lagunage pourrait convenir aux communes aussi en milieu urbain qu'en milieu rural car c'est un système bien adapté pour la Côte d'Ivoire compte tenu de la simplicité de l'exploitation, de la disponibilité des espaces et du climat qui est particulièrement favorable à ce type d'ouvrage. De plus, c'est un procédé qui n'est pas coûteux en termes d'investissements. Cependant, cette technique d'épuration par le procédé de lagunage naturel présente l'inconvénient de nécessiter : - une surface importante; - un temps de séjour élevé, de plusieurs semaines. En Côte d'Ivoire, seule la station expérimentale du projet pilote de Dabou par le procédé d'épuration par lagunage a fait l'objet d'un suivi pour la collecte de données. Les résultats de cette expérimentation ont été positifs du point de vue de la réduction des matières oxydables, des très bons abattements des matières azotées et phosphorées, du taux de décontamination microbienne élevé. 1.2 - Le système semi-intensif : le lagunage aéré, La technologie de traitement semi-intensif pour les eaux usées se trouve entre la technologie de traitement intensif, avec des temps de rétention de quelques heures, et la technologie de traitement extensif, avec des temps de rétention de plusieurs semaines. La configuration de traitement semi-intensif la plus courante utilisée est composée d'un bassin anaérobie (temps de rétention de 1,5 à 3 jours) suivi d'un bassin aéré (temps de rétention de 3 à 5 jours). Cette technique réduit considérablement les temps de séjours des bassins aérés. Cette configuration utilisée en Israël a prouvé être moins cher, faible consommation en énergie, flexible, sure et efficiente.

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Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. 1.3 - Le système intensif : les boues activées par exemple. Le choix du procédé d'épuration des eaux usées est extrêmement important pour atteindre les enjeux ci-dessus cités car l'assainissement a un coût. En Côte d'Ivoire, des stations d'épuration du procédé de boues activées ont été construites pour atteindre les enjeux de protection de l'environnement et de la santé mais le résultat escompté n'a pas été atteint compte tenu du manque d'entretien relatif aux charges d'exploitation et à la demande de techniciens hautement qualifiés. Ces stations d'épuration ont été abandonnées pour la plupart à cause des charges d’entretien. 2. Problématique Seuls les systèmes de traitements intensif, boues activées et chenal d'oxydation, et extensif, lagunage naturel existent en Côte d'Ivoire. Chaque système d'épuration ayant ses limites, la technologie de traitement semi-intensif devrait être considérée comme une alternative aux systèmes intensif et extensif. Cependant, il n’existe pas encore à l’heure actuelle des études en Côte d’Ivoire, qui détermine la technologie appropriée en fonction de la situation géographique, de la taille de la population et du coût du terrain. Aussi, des études devraient-elles être entreprises pour apporter une réponse à cette préoccupation. 3. Objectif L'objectif du présent projet est de faire des études de cas qui vont servir à la réalisation de projets pilotes. Il s’agira, à partir des données de dimensionner les différentes bassins et proposer une filière d’épuration optimale en terme de coût, de superficie et d’efficacité du système. 4. Résultats attendus Les simulations des études technique et financière des procédés suivants sont obtenues : - le lagunage naturel ; - le lagunage aéré ; - les boues activées. 5. La démarche méthodologique adoptée Pour atteindre les objectifs assignés à cette étude, la démarche méthodologique adoptée est la suivante :  une recherche documentaire et sur internet 

une analyse et synthèse des informations permettant d’élaborer le travail demandé.

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Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

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Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. PARTIE I : ETUDE TECHNIQUE DES STATIONS D’EPURATION DE LAGUNAGE NATUREL, LAGUNAGE AERE ET BOUES ACTIVEES

TYPE :

CHAPITRE I : CARACTERISTIQUES PHYSICO-CHIMIQUES DES EAUX USEES Dans ce chapitre nous présenterons les différentes caractéristiques des eaux usées tant du point de vue physique que chimique et les différents traitements qui s'imposent pour un rejet d'effluent de qualité acceptable. I-

Caractéristiques des eaux usées

Les eaux usées contiennent des matières minérales ou organiques en proportions variables selon leur origine. Ces matières peuvent être sous forme solide, colloïdale ou dissoute. En général, elles contiennent également une multitude d'organismes vivants dont certains peuvent être fortement pathogènes. I.1 - Caractéristiques chimiques Les eaux usées sont des milieux extrêmement complexes, ainsi se réfère-t-on à quelques paramètres pour les caractériser. Demande biochimique en oxygène (DBO): elle exprime la quantité de matières organiques biodégradables présente dans l'eau. Plus précisément, ce paramètre, exprimé en mg d'oxygène par litre, mesure la quantité d'oxygène nécessaire à la destruction des matières organiques grâces aux phénomènes d'oxydation par voie aérobie. Pour mesurer ce paramètre, on prend comme référence la quantité d'oxygène consommée au bout de 5jours. C'est la DBO5 Demande chimique en oxygène (DCO) : La DCO, exprimée en mg d'oxygène par litre, représente la teneur totale de l'eau en matières oxydables. Ce paramètre correspond à la quantité d'oxygène qu'il faut fournir pour oxyder par voie chimique ces matières. I.2 - Caractéristiques minérales 



pH: il influence fortement les réactions de dégradation de la matière organique. Si l'eau usée se trouve à un pH neutre ou basique et si les bactéries qui dégradent la matière organique ont une croissance optimale à un pH plus bas, le rendement de la station d'épuration va s'en faire sentir. Azote et phosphore: Les teneurs en azote et en phosphore sont également des paramètres très importants. Les rejets excessifs de phosphore et d'azote contribuent à l'eutrophisation des lacs et des cours d'eau. Ce phénomène se caractérise par la prolifération d'algues et la diminution de l'oxygène dissous, ce qui appauvrit la faune et la flore des eaux superficielles (cours d'eau, lacs etc…)

I.3 - Caractéristiques physiques 



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La turbidité: elle caractérise le degré de non-transparence de l'eau. La turbidité après décantation pendant 2 heures (turbidité ad2), permet d'apprécier la teneur en matières colloïdales, non décantables La couleur: elle est souvent due au déversement de composés chimiques solubles présentant une coloration très marquée (teinturerie, sang d'abattoir etc..).

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. 



La température: elle joue un rôle fondamental dans toutes les réactions chimiques qui ont lieu dans un milieu liquide. La vitesse de dégradation de la matière organique dans une eau usée est d'autant plus importante que la température est élevée. Son importance se fait surtout sentir dans la cinétique de l'épuration par une accélération des processus d'épuration quand le milieu biologique s'y prête. Matières en suspension (MES) : Ce sont des matières solides non dissoutes contenues dans les eaux usées qui sont séparables par filtration ou par centrifugation.

On les subdivise en deux catégories:  les matières décantables : qui sont les MES qui se déposent pendant un temps fixé conventionnellement à 2 heures;  les matières colloïdales: qui représentent la différence entre MES et matières décantables.  Matières sèches totales (MST): Elles sont obtenues par évaporation directe à 105°C et rendent compte à la fois des MES et des matières dissoutes. I.4 - Caractéristiques biologiques Elles sont constituées de microorganismes (bactéries, virus, algues, protozoaire etc. . .) et d'organismes supérieurs (vers et insectes aux divers stades de leur développement) Trois groupes principaux sont couramment utilisés dans ce but:  les coliformes fécaux (CF) ;  les streptocopes ;  les clostridiums sulfito-réducteurs (CSF). II-

Traitement des eaux usées

La dépollution des eaux usées nécessite une succession d'étapes faisant appel à des traitements physiques, physico-chimiques et biologiques. En dehors des plus gros déchets dans les eaux usées, l'épuration doit permettre, au minimum, d'éliminer la majeure partie de la pollution carbonée. Selon le degré d'élimination de la pollution et les procédés mis en œuvre, quatre niveaux de traitement sont définis. II.1 - Prétraitements Les prétraitements ont pour objectif de séparer les matières les plus grossières et les Eléments susceptibles de gêner les étapes ultérieures du traitement. Ils comprennent le dégrillage, le dessablage et le dégraissage. II.1.1 - Dégrillage Au cours du dégrillage, les eaux usées passent au travers d'une grille, qui retient les éléments grossiers, dont les barreaux sont placés verticalement ou inclinés de 60° à 80° sur l'horizontale. L'espacement des barreaux varie de 6 à 100 mm et la vitesse moyenne de passage entre ceux-ci est comprise entre 0,60 et l m/s. Ces éléments sont ensuite éliminés avec les ordures ménagères. II.1.2 - Le dessablage

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Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. Il débarrasse les eaux usées des sables et des graviers par sédimentation. L'élimination des sables présents dans les effluents bruts est une opération indispensable pour éviter d'éventuels problèmes mécaniques (abrasion pompe, colmatage conduite etc…). Le dessablage concerne les particules minérales de granulométrie supérieure à 100 µm. II.1.3 - Le dégraissage Le dégraissage vise à éliminer la présence de graisse dans les eaux usées, graisses qui peuvent gêner l'efficacité des traitements biologiques qui interviennent ensuite. Le dégraissage s'effectue par flottation. L'injection d'air au fond de l'ouvrage permet la remontée en surface des corps gras. Les graisses sont raclées à la surface, puis stockées avant d'être éliminées. II.2 - Traitement primaire Le traitement primaire a pour but l'élimination d'une fraction importante des MES (50% à 60% des MES totales, 80% à 90% des MES décantables).Les procédés utilisés peuvent être physiques (décantation, flottation) et éventuellement physico-chimiques. La décantation primaire classique consiste en une séparation des éléments liquides et des éléments solides sous l'effet de la pesanteur. Les matières solides se déposent au fond d'un ouvrage appelé décanteur pour former les boues primaires. Ce traitement réduit d'environ 30% la DBO et la DCO. II.3 - Traitement secondaire Le traitement secondaire a pour objet de poursuivre l'épuration de l'effluent provenant du décanteur primaire. Les procédés les plus couramment utilisés aujourd'hui mettent en œuvre des installations biologiques tant pour l'épuration des eaux usées urbaines que pour certaines eaux résiduaires. Ces traitements reproduisent artificiellement ou non les phénomènes d'autoépuration existant dans la nature. L'auto-épuration regroupe l'ensemble des processus par lesquels un milieu aquatique parvient à retrouver sa qualité d'origine après une pollution. On distingue les procédés biologiques extensifs et intensifs. II.3.1- Les procédés biologiques extensifs Le traitement s'effectue dans des bassins de stabilisation ou lagunages. On distingue quatre types de bassins, selon la nature de l'activité biologique:  bassin aérobie: l'oxygène est apporté par les échanges avec l'atmosphère au niveau du plan d'eau et par l'activité de photosynthèse des microalgues de surface. La pollution organique se dégrade sous l'action des bactéries (aérobies) présentes dans le plan d'eau. Le rayonnement solaire détruit en outre certains germes.  bassin anaérobie: il ne nécessite pas d'oxygène dissout car ce sont les bactéries anaérobies qui dégradent les molécules organiques complexes.  bassin facultatif: il comporte une couche supérieure aérobie, une couche inférieure anaérobie et une couche intermédiaire facultative ou aérobie-anaérobie. Dans la zone intermédiaire, les bactéries facultatives peuvent détruire la matière organique en présence ou à l'abri de l'oxygène. Ce mode d'épuration permet d'éliminer 80% à 90% de la DBO, 20% à 30% de l'azote et contribue à une réduction très importante des germes.

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Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. 

lagune aérée : l'oxygène est apportée par des aérateurs placés à la surface ou au fond du bassin. La dégradation de la matière organique y est essentiellement assurée par les bactéries aérobies.

II.3.2- Les procédés biologiques intensifs Ils regroupent toute une série de technique ayant en commun le recours à des cultures bactériennes qui consomment les matières polluantes. Il existe deux grandes catégories de procédés biologiques artificiels:  Les installations à cultures libres, dans lesquelles la culture bactérienne est maintenue en suspension dans le courant des eaux usées à traiter. Les installations à boues activées fonctionnent selon ce principe. Ils éliminent 85% à 95% de la DBO5, selon les installations. Les installations à cultures fixées, où la culture bactérienne (biomasse) repose sur un support (caillou, plastique, milieu granulaire fin). Le rendement maximum de cette technique est de 80% d'élimination de la DBO.

II.4 - Traitements tertiaires Des traitements complémentaires sont effectués lorsque la nature des milieux recevant l'eau Dépolluée l'exige. II.4.1- L'élimination de l'azote Les stations d'épuration prévues pour éliminer les matières carbonées n'éliminent qu'environ20% de l'azote présent dans les eaux usées. Pour satisfaire aux nonnes de rejet en zones sensibles, des traitements complémentaires doivent être mis en place. L'élimination de ce dernier est obtenue, le plus souvent, grâce à des traitements biologiques, de nitrificationdénitrification. II.4.2 - L'élimination du phosphore La déphosphoration peut être réalisée par des voies physico-chimiques ou biologiques. Le traitement physico-chimique se fait par l'adjonction de réactifs comme les sels de fer ou d'aluminium. Les techniques, les plus utilisées actuellement, éliminent entre 80% et 90% du phosphore, mais engendrent une importante production de boues. Le traitement biologique consiste à provoquer l'accumulation du phosphore dans les cultures bactériennes des boues. Le rendement moyen est d'environ 60%. II.4.3 - La désinfection Les traitements primaires et secondaires ne détruisent pas complètement les germes présents dans les rejets domestiques. Un réactif désinfectant peut être ajouté dans les eaux traitées, avant leur rejet dans le milieu naturel. Le chlore est le désinfectant le plus courant. Mais la désinfection peut également s'effectuer avec l'ozone, le brome ou le dioxyde de chlore.

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Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. II.5 - Traitement des boues Le traitement d'un mètre cube d'eau usée produit de 350 à 400 grammes de boues. Le traitement des boues a pour objectif de les conditionner en fonction de leur utilisation ultérieure. Ce conditionnement a pour effet:  une réduction de volume obtenue par épaississement, puis déshydratation (solidification) ;  une diminution du pouvoir de fermentation de ces matières (stabilisation biologique, chimique, thermique ...).

CHAPITRE II : ETUDE TECHNIQUE DE LA STATION D’EPURATION DE TYPE LAGUNAGE NATUREL

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Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

I.Description de la station d’épuration par lagunage naturel : Il s'agit d'un système de bassins exposés à l'air libre et destinés au traitement biologique total des eaux usées. L'épuration des eaux s'effectue sans intervention mécanique. Ces bassins simulent, en l'amplifiant, l'action auto-épuratrice des rivières et des étangs. Ce sont essentiellement de simples bassins d'équilibre, de grande surface et de profondeur variable. Le principe de base est d'obtenir une épuration bactérienne sans en avoir à dépenser de l'énergie pour la fourniture de l'oxygène. Cette variante est constituée de trois (3) types de bassins en série de forme pyramide tronquée : - Bassin anaérobie; - bassin facultatif; - bassin de maturation.

Figure 1: Schéma de principe du lagunage naturel I.1 - Bassins anaérobies Le lagunage anaérobie est constitué d'un bassin ou de plusieurs bassins en parallèle (cas de plusieurs unités) qui ont une profondeur comprise entre 2 et 5 m et sont utilisés pour la décantation, le stockage des boues et la dégradation des matières organiques. Deux (2) processus se déroulent dans ce type de bassin : - les matières solides contenues dans les eaux usées admises dans le bassin décantent pour former une couche au fond de celui-ci ; - les bactéries anaérobies (bactéries qui ne nécessitent pas d’oxygène) dégradent les matières organiques contenues dans la boue. Cette dégradation produit un gaz (qui se dégage dans l’atmosphère) et des produits solubles qui passent dans les autres bassins. Ce processus ne donne lieu qu’à une faible formation de boue dans le bassin anaérobie. I.2 - Bassins facultatifs Le lagunage facultatif est constitué d'un ou de plusieurs bassins en série (et en parallèle s'il

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Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. y a plusieurs unités) dont la profondeur est généralement comprise en 1m et 1,50m. Ces bassins qui sont utilisés pour l’élimination de la DBO et des germes pathogènes peuvent venir en tête dans une série de bassins de traitement ou bien recevoir les produits provenant d’un bassin anaérobie. Les conditions aérobies n'étant naturellement jamais satisfaites ni dans l’espace (anaérobiose près du fond des bassins) ni dans le temps (l’oxygène peut être totalement absent une partie de la nuit), le terme lagunage traduit mieux la symbiose des deux processus de dégradation. Ce terme "facultatif" est en fait plus approprié à la description des phénomènes et il a été couramment adopté pour désigner le type de lagunage où l’aérobiose est malgré tout Prépondérante. Dans ce bassin on distingue :  un niveau anaérobie au fond du bassin  un niveau anoxie où la teneur en oxygène est très faible (les bactéries sont du type facultatif) ;  un milieu aérobie en surface, suffisamment oxygéné par la photosynthèse des algues sous l’effet des rayons solaires ainsi que par la diffusion de l’oxygène de l’air, sous l’effet du vent notamment. (cf. figure)

Figure 2: Bassin facultatif

I.3 - Bassins de maturation Le lagunage aérobie est constitué d'un ou de plusieurs bassins en série (et en parallèle s'il y a plusieurs unités) dont la profondeur est généralement comprise entre 1m et 1,50m. Ces bassins servent à améliorer le traitement des eaux provenant d’un bassin facultatif ou d’un autre bassin de maturation. Ils ne doivent pas recevoir d’eaux usées non traitées. Les bassins de maturation sont aérobies sur toute leur profondeur du fait de leur faible teneur en matières organiques et de leur teneur élevée en algues. Ces bassins sont essentiellement utilisés pour l’élimination des germes pathogènes. Les organismes pathogènes meurent au fur et à mesure que les eaux usées s’écoulent lentement dans le bassin de maturation. Le nombre de bassin de ce type dans un système de stabilisation est fonction de la qualité requise pour

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Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. l’effluent final. I-

Dimensionnement des ouvrages la step naturelle

II.1 - Paramètre de dimensionnement Pour le dimensionnement de la station de lagunage naturel, les paramètres à prendre en compte sont les suivantes : -

Population Ratio de consommation Charge individuelle en DBO5 Charge superficielle (λs) Charge volumique (λv) Charge en bactéries Température (T) Pente de talus des bassins Largeur des crêtes (Lcrête) Revanche (R) Infiltration (K) Evaporation(e)

Niveau de rejet - DBO5 - Charge en bactéries

: 1.000, 3.000, 5.000, 10.000, 50.000 et 100.000 hbts : 100 L/habitant/jour : 40 g/habitant/jour : 200 kg/ha/jour : 250 g/m 3/jour : 108 CF/100 ml : 30°C : intérieur 2,5 :1 / extérieur : 2 :1 :3m : 0,5 m : 5×10-8 m/s : 8 mm/jour. : 30 mg/L : moins de 100 CF/100 ml

II.2 - Méthodologie Notre dimensionnement consistera à : - Calculer les dimensions des bassins ; - Calculer le volume des déblais et des remblais - Calculer le volume des digues ; - Calculer la surface de membrane d’étanchéité. Le dimensionnement des ouvrages sera fait en fonction du niveau de rejet sur la charge en bactéries; la contrainte sur la charge organique en DBO 5 sera ensuite vérifiée suivant les étapes décrites ci-dessous.  Première étape : influence de la filière de traitement -

La population est variable : 1.000, 3.000, 5.000, 10.000, 50.000 et 100.000 habitants; Tous les autres paramètres sont constants; Les filières de traitement sont: o Filière N° 1 : Bassin anaérobie + Bassin facultatif + Bassins de maturation o Filière N° 2 : Bassin facultatif + Bassins de maturation Résultat: la filière optimale est celle qui donne la plus petite superficie et le coût le plus faible.  Deuxième étape : influence de la charge individuelle en DBO5

19

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. -

La population est variable : 1.000, 3.000, 5.000, 10.000, 50.000 et 100.000 habitants; La filière optimale est utilisée pour la suite des calculs; La charge individuelle en DBO5 est variable : 30 et 35 g/habitant/jour; Les autres paramètres sont constants.

Résultat: la charge individuelle en DBO5 optimale est celle qui donne la plus petite superficie et le coût le plus faible.  Troisième étape : influence de la charge massique superficielle en DBO5 -

La population est variable : 1.000, 3.000, 5.000, 10.000, 50.000 et 100.000 habitants; La filière optimale est utilisée pour la suite des calculs; La charge individuelle en DBO5 est utilisée pour la suite des calculs; Les autres paramètres sont constants

Résultat: la charge massique superficielle optimale est celle qui donne la plus petite superficie et le coût le plus faible. II.3 - Dimensionnement des bassins

II.3.1 - Influence de la filière de traitement sur le dimensionnement des bassins Filière N° 1 = bassin anaérobie + bassin facultatif + bassins de maturation Filière N 0 2 = bassin facultatif + bassins de maturation Il s’agira pour nous dans un premier temps de déterminer la surface respective de chaque filière et d’en choisir celle nécessitant une surface moindre nommée filière optimale. 3.1.1- Procédé de calcul des dimensions du bassin dans la filière de traitement N°1 Puisque la population est variable nous ferons un exemple de calcul avec une population de 10000 habitants et le reste des résultats pour les autres populations sera donné en ensuite.  Calcul de la surface totale de la filière N° 1 ( S T 1 ¿ 

Calcul des dimensions du bassin anaérobie

Par définition le volume du bassin est donné par la formule suivante : V a= Avec : .

Li × Q λv λ v =¿ Charge volumétrique en DBO5 Li=¿ Concentration en DBO5 Q ¿ débit d’entrée

 Détermination de la concentration en DBO5 ( Li ¿

20

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

On a: Li=

c h arge individuelle en DBO5 ratio de consommation Li =

Avec :

40 g/habitant / j 3 =400 g/m 100 L/habitant / j

Li=400 g /m3 = 400 mg/l Cette valeur représente la concentration de la DBO5 à l’entrée du premier bassin (bassin anaérobie) elle doit être réduite jusqu'à une valeur inférieure ou égale à la valeur de rejet imposée (40 mg/l) à la sortie du bassin de maturation.  Détermination de la charge totale ou flux en DBO5 (F) F=population × charge individuelle en DBO 5 g 40 habitant F=10000 habitants × j F=400 kg / j

 Détermination du débit d’entrée ( Qe ¿ On a: Qe = population × Ratio de consommation 100 L Qe =10000 habitants × /j habitants Qe =¿ 1000 m3/j D’où

V a=

400 × 1000 25 O

V a=1600 m

3

Il convient d'ajouter le volume occupé par les boues estimé à 2,5 litres de boues par personne par jour. Soit Vb ce volume ; on a : Vb = 2,5 ×10 000 × 365 = 9125000 litres Si on effectue 6 extractions de boues par an, le volume des boues à priori est de : 9125 =1520,84 m3 6 Soit donc : V a=1600+1520 V b=

V a=3120,84 m3  Le temps de séjour hydraulique ou Hydraulic Retention Time ( HRT 1 ¿ On a: HRT 1=

21

HRT 1= 3120,84 1000

Va Qe

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. HRT 1=3 ,12 jours S  Surface requise du bassin anaérobie (¿¿ a) ¿ La profondeur des bassins anaérobies varie de 2 à 5 m Nous fixons une profondeur de 3 m. V S a= a 3 3120,84 2 S a= S a=1040,28 m = 1,04 ha 3 Cette surface correspond à la surface du plan d’eau. En outre pour en lagunage naturel on a la relation suivante : L ≤3(1) Prenons L=1,5 l l S 1040,28 l=√ ( ) l=√ ( ) Or S=L ×l=1,5 l 2 d’où 1,5 1,5 l=26, 33 m et L=¿ 39,50 m  Calculons la surface du fond du bassin On a une pente intérieure de (n = 2,5 m) de base pour 1 m de hauteur. Soit On a: S fond =(L−n × D)(l−n× D) 26,33−2,5× 3 S fond =(39,50−2,5 ×3)¿ ) S fond =32 , 00 m×18 , 83 m S fond = 602,75 m2 Ce qui donne : l fond =32 , 00 m et

tgα=

2,5 1

Lfond =¿ 18,83 m

 Calculons la surface supérieure du bassin Pour ne pas que l’effluent déborde le bassin nous avons prévu une revanche R= 0,5 m. Ainsi donc la profondeur totale du bassin comptée du fond à la face supérieure est 3,5 m S ¿ =(L+n × ( D+ 2× R ))(l +n × ( D+ 2× R )) 26,33+2,5 (3+2 ×0,5) ) S ¿ =(39,50+2,5 (3+2 ×0,5))¿ S ¿ =49,50 m× 36,33 m = 1798,34 m 2

Ce qui donne : l ¿=36,33 m

et

L¿=¿ 49,50 m

Tableau 1 : Récapitulatif du dimensionnement du bassin anaérobie

22

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. Population Ratio de consommation (L/hab/j) Débit d'entrée Qe ( m3 / j ) Charge indiv. en DBO5 (g/hab/j) Charge volumique λV (g/m 3/jour) Concentration en DBO5 (mg/l) Flux en DBO5 (kg/j)

1000 100

3000 100

5000 100

10000 100

50000 100

100000 100

100 40

300 40

500 40

1000 40

5000 40

10000 40

250

250

250

250

250

250

400

400

400 200

400

400

400

Volume utile (m 3) Volume des boues (m 3)

160 152.08

120 480 456.25

Volume total Va (m 3)

312.08

936.25

Temps de séjour ou HRT1 (jour) Hauteur (m) Surface du plan d'eau Sp (m2)

3.12 3.00 104.03

3.12 3.00 312.08

1560.4 2 3.12 3.00 520.14

12.49 8.33 4.13

21.64 14.42 97.88

27.93 18.62 227.24

4.99 0.83 243.53

14.14 6.92 535.42

20.43 11.12 801.18

22.49 18.33 3.5

31.64 24.42 3.5

37.93 28.62 3.5

40

Longueur (m) Largeur (m) Surface du fond du BA S f (m2) Lf (m) Longueur du fond Largeur du fond l f (m) Surface supérieure du BA (m2) Longueur L¿ (m) Largeur l ¿ (m) Hauteur totale Ht (m)

800 760.42

400 2000 4000 1600 8000 16000 1520.8 7604.17 15208.33 3 3120.8 15604.17 31208.33 3 3.12 3.12 3.12 3.00 3.00 3.00 1040.2 5201.39 10402.78 8 39.50 88.33 124.92 26.33 58.89 83.28 602.75 4153.52 8897.57 32.00 18.83 1427.3 8 49.50 36.33 3.5

80.83 51.39 6036.08

117.42 75.78 11572.85

98.33 68.89 3.5

134.92 93.28 3.5

 Calculons la DBO5 de sortie Nous supposerons que 60% de la

DBO 5 est éliminée dans le bassin anaérobie d’où :

DBO 5 sortie=Flux en DBO5 dans≤bassinanaérobie ×0, 4 Flux DBO5sortie = 160 kg/ j De même La DBO5sortie ¿ 160 mg/l>¿ niveau de rejet en DBO5 (30 mg/L) ; d’où la nécessité d’installer un autre bassin pour épurer la DBO5 restante. Le bassin suivant est le bassin facultatif.  Bilan hydraulique

Calcul du débit d’entrée dans le bassin facultatif Qe 2 On a une évaporation de 8mm /j et une infiltration de 5 ×10−8 m/s La perte par évaporation est donc :

23

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. Qévap =

8 ×10−3 × Sa

= 8,32 m 3 / j

La perte par infiltration est donc : Qinf = 5 ×10−8 m/s × Sa = Qinf = 4,494 m3 ¿ j Ce qui donne : Qe 2 Qe 2=987,18 m3 / j  On a:

5 ×10−8 m/(1/86400) j ×1040.28 m2

¿ Qe −(Q évap +Qinf ) =1000 – 12,814

Calcul de la Surface du bassin facultatif ( S f ¿

Sf =

Flux en DBO 5 taux de charge par unité de surface

charge totale en DBO 5=¿ DBO5sortie du bassin anaérobie = 160 kg/ j Détermination du taux de charge par unité de valeur (λs) λ s=20 × T −120 λ s=20 × 30−120=480 kg /ha/ j

Sf =

160 480

D’où S f =¿ 3334 m2 Cette surface correspond à la surface du plan d’eau du bassin L ≤3 et en prenant L = 2l ; l On obtient comme dimension du plan d’eau : l = 40,83 m et L =81,66 m En appliquant le ratio

 Détermination du volume du bassin La hauteur du bassin facultatif varie de 1 à 2 m, nous prenons h=1,5 m comme hauteur du bassin, le volume s’obtient par : V f =S f × h 3

V f =5000 m

 Calculons la surface du fond du bassin On a une pente intérieure de 2,5 m de base pour 1 m de hauteur et une pente extérieure de 2m 2,5 de base pour 1m de hauteur. Soit tgα= 1 40,83−2,5 ×1,5 ) S fond =( 81,66−2,5 ×1,5 ) ¿ S fond =77,91 m× 37,08 m = 2888,9 m2

24

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. Ce qui donne : l fond =34,83 m

et

Lfond =¿ 74,16 m

 Calculons la surface supérieure du bassin On a une revanche R= 0,5 m ; ainsi donc la profondeur totale du bassin comptée du fond à la face supérieure est 2 m l+ n × ( D+2 × R ) ) S ¿ =(L+n × ( D+ 2× R )) ¿ 40,83+2,5 × (1,5+ 2× 0,5 ) ) S ¿ =( 81,66+2,5 × (1,5+ 2× 0,5 ) ) ¿ 2 S ¿ =87,91 m× 47,08 m = 4138,86 0 m Ce qui donne : l ¿=87,91m et L¿=¿ 47,08 m Avec h=1,5m comme hauteur du bassin le volume s’obtient par : V f =S f × h V f =5000 m3  Temps de rétention dans le bassin facultatif volume du bassin debit d ' entrée Ainsi donc HRT2 = 5,06 jours HRT 2=

Tableau 2: Récapitulatif du dimensionnement du bassin facultatif Population Débit d'entrée Qe ( m3 / j ) Flux en DBO5 (kg/j) Charge surfacique (λs) (kg/ha/j) Volume du BF Vf (m 3) Temps de séjour ou HRT1 (jour) Hauteur (m) Surface du plan d'eau Sp (m2) Longueur (m) Largeur (m) Surface du fond du BA S f (m2) Lf (m) Longueur du fond Largeur du fond l f (m) Surface supérieure du BA (m2) Longueur L¿ (m) Largeur l ¿ (m)

25

1000 98.72 16 480

3000 296.16 48 480

5000 493.59 80 480

10000 987.18 160 480

50000 4935.92 800 480

100000 9871.84 1600 480

500 5.06

1500 5.06

2500 5.06

5000 5.06

25000 5.06

50000 5.06

1.5 333.33

1.5 1000.0 0 21.64 14.42 762.50

1.5 1666.6 7 27.93 18.62 1355.9 7 53.99 25.12 2247.0 0 63.99 35.12

1.5 3333.3 3 39.50 26.33 2888.1 2 77.90 37.07 4137.8 6 87.90 47.07

1.5 16666.6 7 88.33 58.89 15653.7 5 178.82 87.54 18417.3 6 188.82 97.54

1.5 33333.3 3 124.92 83.28 31895.0 3 254.45 125.35 35793.0 1 264.45 135.35

12.49 8.33 202.16 22.07 9.16 614.46 32.07 19.16

40.97 18.61 1458.3 3 50.97 28.61

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. Hauteur totale Ht (m)

2.00

2.00

2.00

2.00

2.00

2.00

 Calculons de la DBO5 de sortie du bassin facultatif La proportion de DBO à la sortie des bassins aérobies est donnée par la formule de WERNER et WILHELM

C 4a exp(1 / 2d )  2 C0 (1  a ) exp( a / 2d )  (1  a ) 2 exp(  a / 2d ) a  1  4 Ktd d  facteur

de dispersion

K  constante de dégradatio n t  durée

de séjour

HRT = 5,06 jours d = varie de 0,1 à 2 nous prenons d=1 C =¿ 0.09658537 C0 Avec : C0 =DBO 5 de sortie du bassin anaérobie=160 m g/l Ainsi C = 15,58 mg/l ¿ 40 mg/l La DBO5 de sortie du bassin facultatif est inférieure à la DBO5 de rejet ; cependant les coliformes fécaux doivent être éliminés d’où la nécessité de l’installation du bassin de maturation.  Efficacité du traitement C 0−C =90,26 C0  Bilan hydraulique Calcul du débit d’entrée dans le bassin de

Qe 2

On a une évaporation de 8 mm /j et une infiltration de 5 ×10−8 m/s La perte par évaporation est donc : Qévap = 8 ×10−3 × S f = 26,67 m3 / j La perte par infiltration est donc : Qinf = 5 ×10−8 m/s × S f = 5 ×10−8 m/(1/86400) j ×3333,34 m2

26

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. Qinf

= 14,40 m3 ¿ j ¿ Qe −( Qévap +Qinf ) = 987,18 – 41,07 Ce qui donne : Qe 2 Qe 2=946,10 m3 / j



Détermination du volume du bassin de maturation ( V m ¿

Les dimensions d’un bassin de maturation sont fonction de la qualité bactériologique requise pour l’effluent. Pour ce faire l’on utilise la formule qui suit pour la détermination du nombre de coliformes fécaux pour 100 ml d’effluent : N e=

Ni ¿

¿

¿ n

( 1+k b ×t 1 ) × ( 1+ k b × t 2 ) × ( 1+k b ×t 3 )

Avec :  n= nombre de bassins de maturation  temps de rétention ou HRT3 = 6jours  N e =¿ le nombre de coliforme fécaux pour 100ml d’effluent  N i=¿ nombre de coliforme fécaux pour 100ml d’eau usées admises.  k b =¿ constante de vitesse du premier ordre pour l’élimination des bactéries ( 

j −1 ¿ t ¿ =¿

temps de rétention

Nous prenons 6 jours comme temps de rétention dans les bassins de maturation k b =2,6 × ( 1,19 )30−20=14,81 N e 1=

108 ( 1+14,81 ×1,6 ) × ( 1+14,81 ×5 ) ×(1+ 14,81× 6)

N e 1=310,29CF / 100 ml N e 2=

108 ( 1+14,81 ×1,6 ) × ( 1+14,81 ×5 ) ×(1+ 14,81× 6)2

N e 2=3,45CF /100 ml On a (3,45CF/100ml) < (100CF/100ml) donc le rejet est acceptable pour 2 bassins de maturation. Soit V m le volume d’un bassin de maturation : '

V m=temps de rétention ×debit d entrée dans≤bassin de maturation

27

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. On obtient : V m=6× 946,11=5676,66 m3 Surface d’un bassin de maturation ( S m ¿ Prenons h = 1,5 m S m=3783,77 m2 . Cette surface correspond à la surface du plan d’eau du bassin L ≤3 et en prenant L = 2l ; En appliquant le ratio l On obtient comme dimension du plan d’eau : l = 43,50 m et L =87,00 m  Calculons la surface du fond du bassin On a une pente intérieure de 2,5 m de base pour 1 m de hauteur et une pente extérieure de 2m de base pour 1m de hauteur.

Soit

tgα=

2,5 1

43,50−2,5 ×1,5 ) S fond =( 87,00−2,5 ×1,5 ) ¿

S fond =83,25 m ×39,75 m = 3309,16 m 2 Ce qui donne : l fond =39,75 m

et

Lfond =¿ 83,25 m

 Calculons la surface supérieure du bassin On a une revanche R= 0,5 m ; ainsi donc la profondeur totale du bassin comptée du fond à la face supérieure est 2 m l+ n × ( D+2 × R ) ) S ¿ =(L+n × ( D+ 2× R )) ¿ 43,5+2,5 × ( 1,5+ 2× 0,5 ) ) S ¿ =( 87+2,5 × (1,5+ 2× 0,5 ) ) ¿ S ¿ =93,25 m×50,37 m = 4728,92 m2 Ce qui donne : l ¿=50,37 m

et

L¿=¿ 93,87 m

Tableau 3: caractéristiques du bassin de maturation Population −1

Constante de vitesse

j ) kb ¿

Coliformes fécaux Nombre de bassins Débit d'entrée Qe ( m3 / j ) Volume d’un bassin ( m3 )

28

1000 14.81 3.45 2 94.61 567.6 7

3000 14.81 3.45 2 283.84 1703.0 1

5000 14.81 3.45 2 473.06 2838.3 5

10000 14.81 3.45 2 946.12 5676.7 0

50000 14.81 3.45 2 4730.59 28383.5 1

100000 14.81 3.45 2 9461.17 56767.03

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. Hauteur (m) Superficie ( m2 ) Longueur (m) Largeur (m) Temps de rétention (jour) m Surface de fond (¿¿ 2) ¿ L Longueur (m) fond l =¿ Largeur (m) fond m Surface supérieure (¿¿ 2) ¿ Longueur L¿ (m) Largeur l ¿ (m)

1.5 378.4 5 27.51 13.76 6 237.7 6

1.5 1135.3 4 47.65 23.83 6 881.36

1.5 1892.2 3 61.52 30.76 6 1560.2 6

1.5 3784.4 7 87.00 43.50 6 3309.1 6

1.5 18922.3 4 194.54 97.27 6 17842.1 3

1.5 37844.68

23.76 10.01 709.4 3

43.90 20.08 1674.0 1

57.77 27.01 2573.9 0

83.25 39.75 4728.9 2

190.79 93.52 20975.7 7

271.37 133.81 40729.09

34.39 20.63

54.53 30.70

68.39 37.63

93.87 50.37

201.41 104.14

281.99 144.43

275.12 137.56 6 36311.21

En somme, en considérant les surfaces supérieures du bassin on : Surface totale de la filière 1 : S T 1=S a+ S f + S m S T 1=1798,65+ 4137,86+2 × 4728,92 S T 1=¿ 15394 , 35 m2 =1,539ha 3.1.2N°2

Procédé de calcul des dimensions du bassin dans la filière de traitement

La population de 10000 habitants demeure pour exemple de calcul  Calcul de la surface totale de la filière de N° 2 ( S T 2 ¿ Le procédé de calcul ainsi que les considérations de la filière 1 demeurent pour le dimensionnement des ouvrages de la filière 2, excepté l’inexistence du bassin anaérobie.  Surface du bassin facultatif Sf =

Flux en DBO 5 taux de charge par unité de valeur

F=400 kg / j Détermination du taux de charge par unité de valeur ( λ s ) λ s=20 × T −120 λ s=20 × 30−120=480 kg /ha/ j

S f =¿ 8333,34 m2 Prenons h=1,5m comme hauteur du bassin. Le volume s’obtient par : V f =S f × h V f =12500 m3

29

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

 Temps de rétention dans le bassin HRT =

volume du bassin debit d ' entrée

Qe = population ×d é bit volumique Qe =1000 m3 /j On a donc HRT =12, 5j En utilisant la formule (1) on détermine les dimensions du bassin Cette surface correspond à la surface du plan d’eau du bassin L ≤3 et en prenant L = 2l ; En appliquant le ratio l On obtient comme dimension du plan d’eau : l = 64,55 m et L = 129,10 m  Calculons la surface du fond du bassin L−n × D ) S fond =( l−n× D ) ¿ n=2,5 et D=hauteur du fond àla surface du pland ' eau  Calculons la surface supérieure du bassin

On a une revanche R= 0,5 m ; ainsi donc la profondeur totale du bassin comptée du fond à la face supérieure est 2 m. l+ n × ( D+2 × R ) ) S ¿ =(L+n × ( D+ 2× R )) ¿ Tableau : Récapitulatif sur le dimensionnement du bassin facultatif population 1000 3000 5000 10000 Charge surfacique 480 480 480 480 Flux en DBO5 40 120 200 400 surface bassin 833.33 2500.00 4166.67 8333.33 largeur 20.41 35.36 45.64 64.55 longueur 40.82 70.71 91.29 129.10 hauteur 1.5 1.5 1.5 1.5 volume 1250 3750 6250 12500 Débit d'entrée 100 300 500 1000 Temps de rétention 12.5 12.5 12.5 12.5 surface de fond 617.76 2116.31 3667.24 7621.21 longueur 37.07 66.96 87.54 125.35 largeur 16.66 31.61 41.89 60.80 surface sup 1255.13 3201.98 5061.55 9582.70 longueur 47.07 76.96 97.54 135.35

30

50000 480 2000 41666.67 144.34 288.68 1.5 62500 5000 12.5 40056.93 284.93 140.59 44412.06 294.93

100000 480 4000 83333.33 204.12 408.25 1.5 125000 10000 12.5 81051.00 404.50 200.37 87199.72 414.50

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. largeur

26.66

41.61

51.89

70.80

150.59

210.37

 Calculons de la DBO5 de sortie du bassin facultatif La proportion de DBO à la sortie des bassins aérobies est donnée par la formule de WERNER et WILHELM. En l’appliquant dans les mêmes conditions que précédemment on obtient : avec t = 12,14 jour C =¿ 0.02001803 C0 Avec : C0 =DBO 5initiale=400 m g/l Ainsi C = 8 mg/l ¿ 40 mg/l La DBO5 de sortie du bassin facultatif est inférieure à la DBO5 de rejet. Cependant les coliformes fécaux doivent être éliminés d’où la nécessité de l’installation du bassin de maturation.  Efficacité du traitement C 0−C =98 C0  Bilan hydraulique Calcul du débit d’entrée dans le bassin de maturation

Qe 2

On a une évaporation de 8 mm /j et une infiltration de 5 ×10−8 m/s La perte par évaporation est donc : Qévap = 8 ×10−3 × S f = 66,67 m3 / j La perte par infiltration est donc : Qinf = 5 ×10−8 m/s × S f = 5 ×10−8 m /(1/86400) j ×8333,34 m2 Qinf = 36,00 m3 ¿ j ¿ Qe −( Qévap +Qinf ) = 1000 – 102,67 Ce qui donne : Qe 2 Qe 2=897,32 m3/ j  Surface et volume du bassin de maturation ( S m ¿ Les dimensions d’un bassin de maturation sont fonctions de la qualité bactériologique requise pour l’effluent. Pour ce faire l’on utilise la formule qui suit pour la détermination du nombre de coliformes fécaux pour 100ml d’effluent : N e=

31

Ni ¿

¿ 2

( 1+k b ×t 1 ) × ( 1+ k b × t 2 )

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. Avec : Temps de rétention ou HRT = 6jours k b =2,6 ×(1,19)T −20 k b =2,6 × ( 1,19 )30−20=14,81 N e 1=5983CF /100 ml N e 2=66,59 CF/100 ml On a (66,59CF/100ml) < (100CF/100ml) donc le rejet est acceptable pour 2 bassins de maturation Soit V le volume du bassin. : V =temps de rétention× debit d ' entré V =6 × 897,33 m3 V =5383,98 m3 Surface du bassin de maturation ( S m ¿ V S m= 1,5 S m=3589,32 m2

L ≤3 et en prenant L = 2l ; l On obtient les dimensions du plan d’eau En appliquant le ratio

 Calculons la surface du fond du bassin On a une pente intérieure de 2,5 m de base pour 1 m de hauteur et une pente extérieure de 2m 2,5 de base pour 1m de hauteur. Soit tgα= 1 L−n × D ) S fond =( l−n× D ) ¿ n=2,5 et D=hauteur du fond àla surface du plan d ' eau  Calculons la surface supérieure du bassin On a une revanche R= 0,5 m ; ainsi donc la profondeur totale du bassin comptée du fond à la face supérieure est 2 m. l+ n × ( D+2 × R ) S ¿ =(L+n × ( D+ 2× R )) ¿ Tableau 4: Récapitulatif des caractéristiques du bassin de maturation population constance de vitesse

32

1000 14.81

3000 14.81

5000 14.81

10000 14.81

50000 14.81

100000 14.81

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. Nombre de coliformes fécaux Nombre de bassins débit d'entrée volume hauteur superficie

66.59

66.59

66.59

66.59

66.59

2 89.73 538.4 1.5 358.93

longueur largeur tps de rétention Surface de fond

26.79 13.40 6 222.29

2 269.20 1615.2 1.5 1076.8 0 46.41 23.20 6 829.82

longueur largeur surface supérieure

23.04 9.65 649.18

2 448.67 2692 1.5 1794.6 7 59.91 29.96 6 1471.7 3 56.16 26.21 2395.4 0 66.16 36.21

2 897.33 5384 1.5 3589.3 3 84.73 42.36 6 3126.8 1 80.98 38.61 4422.7 1 90.98 48.61

2 4486.67 26920 1.5 17946.6 7 189.46 94.73 6 16895.0 4 185.71 90.98 19761.8 7 195.71 100.98

longueur largeur

33.04 19.65

42.66 19.45 1550.9 3 52.66 29.45

537411.2 9 2 8973.33 53840 1.5 35893.33 267.93 133.97 6 34400.29 264.18 130.22 38444.24 274.18 140.22

En somme, en considérant la surfaces supérieures des bassins on : Surface totale de la filière 1 : S T 2=S f + Sm S T 1=8333,34+2 ×3589,32 S T 1=¿ 15551 , 35 m2 =1,556 ha Conclusion partielle Tableau 5 : Comparaison des surfaces des filières de traitement population surface totale Filière 1 surface totale filière 2 ST2 - ST1

1000 2445.5 3 2553.4 9 107.96

3000 5579.0 4 6303.8 3 724.79

5000 8480.4 8 9852.3 4 1371.8 6

10000 15394.3 4 18428.1 3 3033.78

50000 67142.4 5 83935.8 0 16793.3 5

100000 129835.92 164088.21 34252.29

Nous constatons que quelque soit la population, les surfaces obtenues dans le cas de la filière 2 sont nettement supérieures à celles obtenues dans le cas de la filière 1 donc pour la suite de nos études nous ne retiendrons que la filière1 :(1 Bassin anaérobie+1Bassin facultatif+2 Bassins de maturation) II.3.2 - Influence de la charge individuelle en DB05 sur le dimensionnement des bassins Filière N° 1 = charge individuelle en DBO5=30 g/hab/jour Filière N 0 2 = charge individuelle en DBO5=35 g/hab/jour Il s’agira pour nous dans un premier temps de déterminer la surface respective de chaque filière et d’en choisir celle nécessitant une surface moindre nommée filière optimale.

33

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. 3.2.1- Procédé de calcul des dimensions du bassin dans la filière de traitement N°1 Puisque la population est variable nous ferons un exemple de calcul avec une population de 10000 habitants et le reste des résultats pour les autres populations sera donné en ensuite.  Calcul de la surface totale de la filière N° 1 ( S T 1 ¿ 

Calcul des dimensions du bassin anaérobie

Par définition le volume du bassin est donné par la formule suivante : L ×Q V a= i λv  Détermination de la concentration en DBO5 ( Li ¿ On a: Li=

c h arge individuelle en DBO5 ratio de consommation

Li=300 g/m3 = 300 mg/l Cette valeur représente la concentration de la DBO5 à l’entrée du premier bassin (bassin anaérobie) elle doit être réduite jusqu'à une valeur inférieure ou égale à la valeur de rejet imposée (40 mg/l) à la sortie du bassin de maturation.  Détermination de la charge totale ou flux en DBO5 (F) F=population × charge individuelle en DBO 5 g 30 habitant F=10000 habitants × j F=300 kg/ j

 Détermination du débit d’entrée ( Qe ¿ On a: Qe = population × Ratio de consommation 100 L Qe =10000 habitants × /j habitants Qe =¿ 1000 m3/j 300 ×1000 3 D’où V a= V a=1200 m 25 O Il convient d'ajouter le volume occupé par les boues estimé à 2,5 litres de boues par personne par jour. Soit Vb ce volume ; on a : Vb = 2,5 ×10 000 × 365 = 9125000 litres Si on effectue 6 extractions de boues par an, le volume des boues à priori est de :

34

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. 9125 =1520,84 m3 6 Soit donc V a=1200+1520 V b=

V a=2750 m3  Le temps de séjour hydraulique ou Hydraulic Retention Time ( HRT 1 ¿ On a:

HRT 1=

Va Qe

HRT 1=2 ,72 jour s S  Surface requise du bassin anaérobie (¿¿ a) ¿ La profondeur des bassins anaérobie varie de 2 à 5 m Nous prenons une profondeur de 3 m. V S a= a 3 2750 2 S a= S a=916,67 m 3 Cette surface correspond à la surface du plan d’eau. En outre pour un lagunage naturel on à la relation suivante : L ≤3(1) Prenons L=1,5 l l S l=√ ( ) Or S=L ×l=1,5 l 2 d’où 1,5 l=24, 72m et L=¿ 37,06 m  Calculons la surface du fond du bassin

l=√ (

916,67 ) 1,5

On a une pente intérieure de 2,5 m de base pour 1 m de hauteur. Soit

tgα=

2,5 1

On a: S fond =(L−n × D)(l−n× D) 24,72−2,5× 3 S fond =(37−2,5× 3)¿ ) S fond = 509,36 m2 Ce qui donne : l fond =17,22 m et Lfond =¿ 29,58 m  Calculons la surface supérieure du bassin Pour ne pas que l’effluent déborde le bassin nous avons prévu une revanche R= 0,5 m ; ainsi donc la profondeur totale du bassin comptée du fond à la face supérieure est 3,5 m S ¿ =(L+n × ( D+ 2× R ))(l +n × ( D+ 2× R ))

35

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. 24,72+2,5 (3+2 ×0,5) ) S ¿ =(37,06+ 2,5(3+2 ×0,5))¿ S ¿ =47,06 m ×34,72 m = 1633,92 m2 Ce qui donne : l ¿=34,72 m et L¿=¿ 47,06 m Tableau 6: Récapitulatif du dimensionnement du bassin anaérobie Population Ratio de consommation (L/hab/j) Débit d'entrée Qe ( m3 / j ) Charge indiv. en DBO5 (g/hab/j) Charge volumique λV (g/m 3/jour) Concentration en DBO5 (mg/l) Flux en DBO5 (kg/j) Volume utile (m 3) Volume des boues (m 3) Volume total Va (m 3) Temps de séjour ou HRT1 (jour) Hauteur (m) Surface du plan d'eau Sp (m2) Longueur (m) Largeur (m) Surface du fond du BA S f (m2) Lf (m) Longueur du fond Largeur du fond l f (m) Surface supérieure du BA (m2) Longueur L¿ (m) Largeur l ¿ (m) Hauteur totale Ht (m)

1000 100 100 30 250 300 30 120 152.0 8 272.0 8 2.72 3.00 90.69 11.66 7.78 1.15 4.16 0.28 385.0 9 21.66 17.78 3.5

3000 100 300 30 250 300 90 360 456.2 5 816.2 5 2.72 3.00 272.0 8 20.20 13.47 75.81 12.70 5.97 708.7 9 30.20 23.47 3.5

5000 100 500 30 250 300 150 600 760.42 1360.4 2 2.72 3.00 453.47 26.08 17.39 183.71 18.58 9.89 988.15 36.08 27.39 3.5

10000 50000 100000 100 100 100 1000 5000 10000 30 30 30 250 250 250 300 300 300 300 1500 3000 1200 6000 12000 1520.8 7604.17 15208.33 3 2720.8 13604.17 27208.33 3 2.72 2.72 2.72 3.00 3.00 3.00 906.94 4534.72 9069.44 36.88 24.59 502.15 29.38 17.09 1621.6 7 46.88 34.59 3.5

82.47 54.98 3560.04 74.97 47.48 6009.30

116.64 77.76 7667.73 109.14 70.26 11113.39

92.47 64.98 3.5

126.64 87.76 3.5

 Calcul de la DBO5 de sortie Nous supposerons que 60% de la

DBO 5

est éliminée dans le bassin anaérobie d’où :

Flux DBO 5 sortie=charge totale en DBO 5 dans≤bassin anaérobie ×0,4 Flux DBO5sortie = 120 kg/ j De même La DBO5sortie ¿ 120 mg/l>¿ niveau de rejet en DBO5 (30 mg/L) ; d’où la nécessité d’installer un autre bassin pour épurer la DBO5 restante. Le bassin suivant est le bassin facultatif.  Bilan hydraulique Calcul du débit d’entrée dans le bassin facultatif

36

Qe 2

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

On a une évaporation de 8mm /j et une infiltration de 5 ×10−8 m/s La perte par évaporation est donc : Qévap = 8 ×10−3 × Sa La perte par infiltration est donc : Qinf = 5 ×10−8 m/s × Sa ¿ Qe −(Q évap +Qinf ) =1000 – 11,17 Ce qui donne : Qe 2 Qe 2=988,83 m3 / j  On a:

Calcul de la Surface du bassin facultatif ( S f ¿

Sf =

Flux en DBO 5 taux de charge par unité de valeur

charge totale en DBO 5=¿ DBO5sortie du bassin anaérobie = 120 kg/ j Détermination du taux de charge par unité de valeur (λs) λ s=20 × T −120 λ s=20 × 30−120=480 kg /ha/ j

Sf =

120 480

D’où S f =¿ 2500 m2 Cette surface correspond à la surface du plan d’eau du bassin L ≤3 et en prenant L = 2l ; En appliquant le ratio l On obtient comme dimension du plan d’eau : l = 35,35 m et L =70,71 m  Détermination du volume du bassin La hauteur du bassin facultatif varie de 1 à 2 m, nous prenons h=1,5 m comme hauteur du bassin, le volume s’obtient par : V f =S f × h V f =3750 m3  Calculons la surface du fond du bassin On a une pente intérieure de 2,5 m de base pour 1 m de hauteur et une pente extérieure de 2m 2,5 de base pour 1m de hauteur. Soit tgα= 1 en adoptant la même démarche que précédemment on obtient : l fond =66,96 m et Lfond =¿ 31,61 m  Calculons la surface supérieure du bassin

37

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. On a une revanche R= 0,5 m ; ainsi donc la profondeur totale du bassin comptée du fond à la face supérieure est 2 m l+ n × ( D+2 × R ) ) S ¿ =(L+n × ( D+ 2× R )) ¿ Ce qui donne : l ¿=76,96 m et L¿=¿ 41,61 m .  Temps de rétention dans le bassin facultatif HRT 2=

volume du bassin debit d ' entrée

debit d ' entrée=¿ 988,83m3/j Ainsi donc HRT2 = 3,79 jours Tableau 7: Récapitulatif du dimensionnement du bassin facultatif Population Débit d'entrée Qe ( m3 / j ) Flux en DBO5 (kg/j) Charge surfacique (λs) (kg/ha/j) Volume du BF Vf (m 3) Temps de séjour ou HRT1 (jour) Hauteur (m) Surface du plan d'eau Sp (m2) Longueur (m) Largeur (m) Surface du fond du BA S f (m2) Lf (m) Longueur du fond Largeur du fond l f (m) Surface supérieure du BA (m2) Longueur L¿ (m) Largeur l ¿ (m) Hauteur totale Ht (m)

1000 98.88 12 480 375 3.79

3000 296.65 36 480 1125 3.79

5000 494.41 60 480 1875 3.79

10000 988.83 120 480 3750 3.79

50000 4944.13 600 480 18750 3.79

100000 9888.26 1200 480 37500 3.79

1.5 250.00

1.5 750.00

11.18 22.36 138.28

19.36 38.73 546.21

1.5 1250.0 0 25.00 50.00 982.81

18.61 7.43 498.69

34.98 15.61 1152.1 5 44.98 25.61 2.00

46.25 21.25 1757.8 1 56.25 31.25 2.00

1.5 1.5 2500.0 12500.0 0 0 35.36 79.06 70.71 158.11 2116.3 11624.67 1 66.96 154.36 31.61 75.31 3201.9 14021.3 8 8 76.96 164.36 41.61 85.31 2.00 2.00

1.5 25000.0 0 111.80 223.61 23756.2 7 219.86 108.05 27135.3 8 229.86 118.05 2.00

28.61 17.43 2.00

 Calculons de la DBO5 de sortie du bassin facultatif La proportion de DBO à la sortie des bassins aérobies est donnée par la formule de WERNER et WILHELM. HRT = 3,79 jours d = varie de 0,1 à 2 nous prenons d=1 C =¿ 0.14188 C0

38

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. Avec : C0 =DBO 5 de sortie du bassin anaérobie=120 m g/l Ainsi C = 17,01 mg/l ¿ 40 mg/l La DBO5 de sortie du bassin facultatif est inférieure à la DBO5 de rejet ; cependant les coliformes fécaux doivent être éliminés d’où la nécessité de l’installation du bassin de maturation.  Efficacité du traitement C 0−C =94,33 C0  Bilan hydraulique Calcul du débit d’entrée dans le bassin de Qe 2 On a une évaporation de 8 mm /j et une infiltration de 5 ×10−8 m/s La perte par évaporation est donc : Qévap = 8 ×10−3 × S f La perte par infiltration est donc : Qinf = 5 ×10−8 m/s × S f ¿ Qe −( Qévap +Qinf ) Ce qui donne : Qe 2 Qe 2=958,03 m3 / j  Détermination du volume du bassin de maturation ( V m ¿ N e 1=471,77 CF /100 ml N e 2=5,25CF /100 ml On a (5,25CF/100ml) < (100CF/100ml) donc le rejet est acceptable pour 2 bassins de maturation. Soit V m le volume d’un bassin de maturation : V m=temps de rétention ×debit d ' entrée dans≤bassin de maturation On obtient : V m=6× 958,03=5748,18 m3 Surface d’un bassin de maturation ( S m ¿ Prenons h = 1,5 2 S m=3832,12 m Cette surface correspond à la surface du plan d’eau du bassin L ≤3 et en prenant L = 2l ; En appliquant le ratio l On obtient comme dimension du plan d’eau : l = 43,77 m et L =87,55 m  Calculons la surface du fond du bassin

39

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. On a une pente intérieure de 2,5 m de base pour 1 m de hauteur et une pente extérieure de 2m 2,5 de base pour 1m de hauteur. Soit tgα= 1 Ce qui donne : l fond =40,02 m et Lfond =83,80 m  Calculons la surface supérieure du bassin On a une revanche R= 0,5 m ; ainsi donc la profondeur totale du bassin comptée du fond à la face supérieure est 2 m l+ n × ( D+2 × R ) ) S ¿ =(L+n × ( D+ 2× R )) ¿ Ce qui donne : l ¿=50,65 m et L¿=¿ 94,42 m Tableau 8: caractéristiques du bassin de maturation population −1

Constante de vitesse

j ) kb ¿

Coliformes fécaux Nombre de bassins Débit d'entrée Qe ( m3 / j ) Volume d’un bassin ( m3 ) Hauteur (m) Superficie ( m2 ) Longueur (m) Largeur (m) Temps de rétention (jour) m Surface de fond (¿¿ 2) ¿ Lfond (m) Longueur Largeur l fond =¿ (m) m Surface supérieure (¿¿ 2) ¿ Longueur L¿ (m) Largeur l ¿ (m)

1000 14.81

3000 14.81

5000 14.81

10000 14.81

50000 14.81

100000 14.81 5.25 2 9580.26 57481.59

5.25 2 95.80 574.8 2 1.5 383.2 1 27.68 13.84 6 241.5 5

5.25 2 287.41 1724.4 5 1.5 1149.6 3 47.95 23.98 6 893.97

5.25 2 479.01 2874.0 8 1.5 1916.0 5 61.90 30.95 6 1581.9 1

5.25 2 958.03 5748.1 6 1.5 3832.1 1 87.55 43.77 6 3353.7 2

5.25 2 4790.13 28740.7 9 1.5 19160.5 3 195.76 97.88 6 18073.4 5

23.93 10.09 715.9 7

44.20 20.23 1691.3 9

58.15 27.20 2601.7 0

83.80 40.02 4782.1 8

192.01 94.13 21226.5 5

273.09 134.67 41223.27

34.56 20.72

54.83 30.85

68.78 37.83

94.42 50.65

202.63 104.75

283.72 145.30

1.5 38321.06 276.84 138.42 6 36777.88

En somme, en considérant les surfaces supérieures du bassin on : Surface totale de la filière 1 : S T 1=S a+ S f + S m S T 1=1621,67+ 3201,98+2× 4782,92 S T 1=¿ 14389 , 49 m2=1,44 ha 3.2.2- Procédé de calcul des dimensions du bassin dans la filière de traitement N°2

40

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. (charge individuelle en DB05 = 35 mg/l) Le procédé de calcul est le même que dans le cas où la charge individuelle en DBO5 vaut 30 g/hab./j. De ce fait nous ne rentrerons pas dans les détails de calcul nous limiterons aux tableaux récapitulatifs qui nous permettrons de faire la comparaison entre les 2 valeurs de charges individuelle en DBO5  Calcul de la surface totale de la filière N° 1 ( S T 1 ¿  Calcul des dimensions du bassin anaérobie Tableau 9: récapitulatif du dimensionnement du bassin anaérobie Population Ratio de consommation (L/hab/j) Débit d'entrée Qe ( m3 / j ) Charge indiv. en DBO5 (g/hab/j) Charge volumique λV (g/m 3/jour) Concentration en DBO5 (mg/l) Flux en DBO5 (kg/j) Volume utile (m 3) Volume des boues (m 3)

1000 100 100 35 250 350 35 140 152.0 8 292.0 8 2.92 3.00 97.36

Volume total Va (m 3) Temps de séjour ou HRT1 (jour) Hauteur (m) Surface du plan d'eau Sp (m2) Longueur (m) Largeur (m) Surface du fond du BA S f (m2) Lf (m) Longueur du fond Largeur du fond l f (m) Surface supérieure du BA (m2)

12.08 8.06 2.55 4.58 0.56 398.7 7 22.08 18.06 3.5

Longueur L¿ (m) Largeur l ¿ (m) Hauteur totale Ht (m)

3000 100 300 35 250 350 105 420 456.2 5 876.2 5 2.92 3.00 292.0 8 20.93 13.95 86.69 13.43 6.45 740.9 4 30.93 23.95 3.5

5000 100 500 35 250 350 175 700 760.42 1460.4 2 2.92 3.00 486.81

10000 50000 100000 100 100 100 1000 5000 10000 35 35 35 250 250 250 350 350 350 350 1750 3500 1400 7000 14000 1520.8 7604.17 15208.33 3 2920.8 14604.17 29208.33 3 2.92 2.92 2.92 3.00 3.00 3.00 973.61 4868.06 9736.11

27.02 18.01 205.28 19.52 10.51 1037.1 8 37.02 28.01 3.5

38.22 25.48 552.17 30.72 17.98 1710.5 3 48.22 35.48 3.5

85.45 56.97 3856.15 77.95 49.47 6392.26

120.85 80.57 8281.76 113.35 73.07 11850.24

95.45 66.97 3.5

130.85 90.57 3.5

 Calculons la DBO5 de sortie Nous supposerons que 60% de la

DBO 5 est éliminée dans le bassin anaérobie d’où :

DBO 5 sortie=charge totale en DBO 5 dans≤bassin anaérobie ×0,4 Flux DBO5sortie = 140 kg/ j

41

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. De même La DBO5sortie ¿ 140 mg/l>¿ niveau de rejet en DBO5 (30 mg/L) ; d’où la nécessité d’installer un autre bassin pour épurer la DBO5 restante. Le bassin suivant est le bassin facultatif.  Bilan hydraulique Calcul du débit d’entrée dans le bassin facultatif

Qe 2

On a une évaporation de 8mm /j et une infiltration de 5 ×10−8 m/s La perte par évaporation est donc : Qévap = 8 ×10−3 × Sa La perte par infiltration est donc : Qinf = 5 ×10−8 m/s × Sa ¿ Qe −(Q évap +Qinf ) Ce qui donne : Qe 2 Qe 2=988,1 m3/ j 

Calcul de la Surface du bassin facultatif ( S f ¿

Tableau 10: récapitulatif du dimensionnement du bassin facultatif Population Débit d'entrée Qe ( m3 / j ) Flux en DBO5 (kg/j) Charge surfacique (λs) (kg/ha/j) Volume du BF Vf (m 3) Temps de séjour ou HRT1 (jour) Hauteur (m) Surface du plan d'eau Sp (m2) Longueur (m) Largeur (m) Surface du fond du BA S f (m2) Lf (m) Longueur du fond Largeur du fond l f (m) Surface supérieure du BA (m2) Longueur L¿ (m) Largeur l ¿ (m) Hauteur totale Ht (m)

42

1000 98.80 14 480 437.5 4.43

3000 296.40 42 480 1312.5 4.43

5000 494.00 70 480 2187.5 4.43

10000 988.01 140 480 4375 4.43

50000 4940.03 700 480 21875 4.43

100000 9880.05 1400 480 43750 4.43

1.5 291.67

1.5 875.00

12.08 24.15 169.87

20.92 41.83 653.75

20.40 8.33 557.16

38.08 17.17 1306.2 5 48.08 27.17 2.00

1.5 1458.3 3 27.00 54.01 1168.6 1 50.26 23.25 2003.7 0 60.26 33.25 2.00

1.5 2916.6 7 38.19 76.38 2501.1 1 72.63 34.44 3671.7 6 82.63 44.44 2.00

1.5 14583.3 3 85.39 170.78 13636.7 4 167.03 81.64 16223.4 8 177.03 91.64 2.00

1.5 29166.6 7 120.76 241.52 27822.1 6 237.77 117.01 31470.0 1 247.77 127.01 2.00

30.40 18.33 2.00

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.  Calculons de la DBO5 de sortie du bassin facultatif En appliquant la formule de WERNER et WILHELM HRT = 4.43 C =¿ 0.11619062 C0 Avec : C0 =DBO 5 de sortie du bassin anaérobie=140 m g/l Ainsi C = 13,94 mg/l ¿ 40 mg/l La DBO5 de sortie du bassin facultatif est inférieure à la DBO5 de rejet ; cependant les coliformes fécaux doivent être éliminés d’où la nécessité de l’installation du bassin de maturation.  Efficacité du traitement C 0−C =96 C0  Bilan hydraulique Calcul du débit d’entrée dans le bassin de

Qe 2

On a une évaporation de 8 mm /j et une infiltration de 5 ×10−8 m/s La perte par évaporation est donc : Qévap = 8 ×10−3 × S f La perte par infiltration est donc : Qinf = 5 ×10−8 m/s × S f ¿ Qe −( Qévap +Qinf ) Ce qui donne : Qe 2 Qe 2=958,03 m3 / j 

Détermination du volume du bassin de maturation ( V m ¿

N e 1=377,95CF / 100 ml N e 2=4,21 CF/100 ml On a (4,21CF/100ml) < (100CF/100ml) donc le rejet est acceptable pour 2 bassins de maturation. Soit V m le volume d’un bassin de maturation : '

V m=temps de rétention ×debit d entrée dans≤bassin de maturation Tableau 11: caractéristiques du bassin de maturation

43

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. population −1

Constante de vitesse

j ) kb ¿

Coliformes fécaux Nombre de bassins Débit d'entrée Qe ( m3 / j ) Volume d’un bassin ( m3 ) Hauteur (m) Superficie ( m2 ) Longueur (m) Largeur (m) Temps de rétention (jour) m Surface de fond (¿¿ 2) ¿ Lfond (m) Longueur Largeur l fond =¿ (m) m Surface supérieure (¿¿ 2) ¿ Longueur L¿ (m) Largeur l ¿ (m)

1000 14.81

3000 14.81

5000 14.81

10000 14.81

50000 14.81

100000 14.81

4.21 2 95.21 571.2 4 1.5 380.8 3 27.60 13.80 6 239.6 5

4.21 2 285.62 1713.7 3 1.5 1142.4 9 47.80 23.90 6 887.67

4.21 2 476.04 2856.2 2 1.5 1904.1 4 61.71 30.86 6 1571.0 8

4.21 2 952.07 5712.4 3 1.5 3808.2 9 87.27 43.64 6 3331.4 4

4.21 2 4760.36 28562.1 5 1.5 19041.4 4 195.15 97.57 6 17957.7 9

4.21 2 9520.72 57124.31

23.85 10.05 712.7 0

44.05 20.15 1682.7 0

57.96 27.11 2587.8 1

83.52 39.89 4755.5 6

191.40 93.82 21101.1 7

272.23 134.24 40976.20

34.47 20.67

54.68 30.78

68.59 37.73

94.15 50.51

202.02 104.45

282.86 144.87

1.5 38082.87 275.98 137.99 6 36544.54

Conclusion partielle Tableau 12: comparaison des surfaces des filières population surface totale DBO5 indiv = 30 surface totale DBO5 indiv = 35 ST2 - ST1

1000 2315.7 2 2381.3 0 65.58

3000 5243.7 2 5412.5 9 168.87

5000 7949.3 7 8216.5 0 267.13

10000 14388.0 2 14893.4 0 505.38

50000 62483.7 7 64818.0 6 2334.29

100000 120695.31 125272.64 4577.33

La charge optimale en DBO 5 est : 30g/habitant/j ce qui est d’autant plus normal puisque l’augmentation de la charge en DBO 5 est synonyme d’augmentation de surface car ayant plus de matières organiques à traiter.

II.3.3 - Influence de la charge massique superficielle en DBO5 Filière N° 1 : charge massique superficielle = 480 kg/ha/jour Filière N 0 2 = charge massique superficielle = 200kg/ha/jour Il s’agira pour nous dans un premier temps de déterminer la surface respective de chaque filière et d’en choisir celle nécessitant une surface moindre nommée filière optimale.

44

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

3.3.1- Procédé de calcul des dimensions du bassin dans la filière de traitement N°1 (Charge massique superficielle = 480 kg/ha/jour) Dans les simulations précédentes la charge superficielle utilisée était : λs =480 kg/ha/j. De ce fait nous conservons les valeurs de la filière optimale obtenue précédemment avec charge individuelle en DBO5 = 30 g/hab/jour 3.3.2- Procédé de calcul des dimensions du bassin dans la filière de traitement N°2 (Charge massique superficielle = 200 kg/ha/jour)  Calcul de la surface totale de la filière N° 2 ( S T 2 ¿  Calcul des dimensions du bassin anaérobie Tableau 13:récapitulatif du dimensionnement du bassin anaérobie Population Ratio de consommation (L/hab/j) Débit d'entrée Qe ( m3 / j ) Charge indiv. en DBO5 (g/hab/j) Charge volumique λV (g/m 3/jour) Concentration en DBO5 (mg/l) Flux en DBO5 (kg/j) Volume utile (m 3) Volume des boues (m 3) Volume total Va (m 3) Temps de séjour ou HRT1 (jour) Hauteur (m) Surface du plan d'eau Sp (m2) Longueur (m) Largeur (m) Surface du fond du BA S f (m2) Lf (m) Longueur du fond Largeur du fond l f (m) Surface supérieure du BA (m2) Longueur L¿ (m) Largeur l ¿ (m) Hauteur totale Ht (m)

45

1000 100 100 30 250 300 30 120 152.0 8 272.0 8 2.72 3.00 90.69 11.66 7.78 1.15 4.16 0.28 385.0 9 21.66 17.78 3.5

3000 100 300 30 250 300 90 360 456.25

5000 100 500 30 250 300 150 600 760.42

816.25 2.72 3.00 272.08 20.20 13.47 75.81 12.70 5.97 708.79

1360.4 2 2.72 3.00 453.47 26.08 17.39 183.71 18.58 9.89 988.15

30.20 23.47 3.5

36.08 27.39 3.5

10000 100 1000 30 250 300 300 1200 1520.8 3 2720.8 3 2.72 3.00 906.94 36.88 24.59 502.15 29.38 17.09 1621.6 7 46.88 34.59 3.5

50000 100 5000 30 250 300 1500 6000 7604.17 13604.1 7 2.72 3.00 4534.72 82.47 54.98 3560.04 74.97 47.48 6009.30

100000 100 10000 30 250 300 3000 12000 15208.3 3 27208.3 3 2.72 3.00 9069.44 116.64 77.76 7667.73 109.14 70.26 11113.39

92.47 64.98 3.5

126.64 87.76 3.5

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.



Calcul des dimensions du bassin facultatif

Tableau 14: récapitulatif du dimensionnement du bassin facultatif Population Débit d'entrée Qe ( m3 / j ) Flux en DBO5 (kg/j) Charge surfacique (λs) (kg/ha/j) Volume du BF Vf (m 3) Temps de séjour ou HRT1 (jour) Hauteur (m) Surface du plan d'eau Sp (m2)

1000 98.88 12 200 900 9.1

3000 296.65 36 200 2700 9.1

5000 494.41 60 200 4500 9.1

10000 988.83 120 200 9000 9.1

50000 4944.13 600 200 45000 9.1

100000 9888.26 1200 200 90000 9.1

1.5 1.5 1.5 1.5 1800.0 3000.0 6000.0 30000.0 0 0 0 0 Longueur (m) 17.32 30.00 38.73 54.77 122.47 Largeur (m) 34.64 60.00 77.46 109.54 244.95 419.21 1476.5 2578.3 5397.8 28636.2 Surface du fond du BA S f 2 6 5 7 2 (m ) Lf (m) 30.89 56.25 73.71 105.79 241.20 Longueur du fond 13.57 26.25 34.98 51.02 118.72 Largeur du fond l f (m) 2 Surface supérieure du BA (m ) 963.82 2401.5 3765.2 7066.0 32335.4 6 5 4 6 Longueur L¿ (m) 40.89 66.25 83.71 115.79 251.20 Largeur l ¿ (m) 23.57 36.25 44.98 61.02 128.72 Hauteur totale Ht (m) 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 V ¿  Détermination du volume du bassin de maturation ( m

1.5 60000.0 0 173.21 346.41 58065.5 1 342.66 169.46 63286.6 6 352.66 179.46 2.00

1.5 600.00

Tableau 15: caractéristiques du bassin de maturation population −1

Constante de vitesse

j ) kb ¿

1000 14.81

Coliformes fécaux Nombre de bassins Débit d'entrée Qe ( m3 / j ) Volume d’un bassin ( m3 )

2.21 2 91.49 548.94

Hauteur (m) Superficie ( m2 )

1.5 365.96

Longueur (m) Largeur (m) Temps de rétention (jour)

46

27.05 13.53 6

3000 14.81 2.21 2 274.47 1646.8 3 1.5 1097.8 9 46.86 23.43 6

5000 14.81 2.21 2 457.45 2744.7 2 1.5 1829.8 1 60.49 30.25 6

10000 14.81 2.21 2 914.91 5489.4 4 1.5 3659.6 3 85.55 42.78 6

50000 14.81 2.21 2 4574.53 27447.19 1.5 18298.13 191.30 95.65 6

100000 14.81 2.21 2 9149.06 54894.3 9 1.5 36596.2 6 270.54 135.27 6

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. m Surface de fond (¿¿ 2) ¿ Lfond (m) Longueur Largeur l fond =¿ (m) m Surface supérieure (¿¿ 2) ¿ Longueur L¿ (m) Largeur l ¿ (m) Conclusion partielle

227.85

848.37

1503.5 9

3192.4 5

17236.12

35088.5 3

23.30 9.78 692.22

43.11 19.68 1628.3 9

56.74 26.50 2500.9 3

81.80 39.03 4589.1 5

187.55 91.90 20318.19

266.79 131.52 39433.4 8

33.93 20.40

53.73 30.30

67.37 37.12

92.43 49.65

198.18 102.53

277.42 142.15

Tableau 16: comparaison des surfaces Population Charge surfacique1 λs =480kg/ha/j Charge surfacique2 λs =200kg/ha/j ST2 - ST1

1000 3000 5000 10000 50000 100000 2315.7 5243.7 7949.3 14388.0 62483.7 120695.3 2 2 7 2 7 1 2733.3 6367.1 9755.2 17866.0 78981.1 153267.0 6 2 6 2 4 1 417.64 1123.4 1805.8 3478.00 16497.3 32571.70 0 9 7

A vu des résultats ci-dessus , les calculs à venir se feront avec la filière optimale obtenue dans la troisième étape c'est-à-dire Charge individuelle en DBO5 (g/hab/j) = 30 et Charge surfacique en DBO5 λs =480kg/ha/j. . I. Calcul des volumes de déblais des bassins Pour la détermination des différents volumes nous divisons les figures à nous soumis en des figures de volume connu. En général, l’on se ramène à l’utilisation de la formule de tas de sable ci- dessus : V déblais=

H totale (S fond + S ¿ + √ Sfond ×S ¿ ) 3

Avec : S fond : surface du fond du bassin S ¿ : surface supérieure du bassin H totale : hauteur totale du bassin y compris la revanche R=0.5 m Nous avons prévu une surprofondeur de volume pris égal à 10% du volume du bassin calculé ; cette surprofondeur sera réalisée uniquement au niveau du bassin anaérobie et elle servira à l’extraction de la boue. Au volume de déblais du bassin anaérobie nous ajouterons le volume de déblais de la surprofondeur

47

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

Tableau 17: calcul du volume de déblais du bassin anaérobie population Hauteur totale Surface du fond surface supérieure

1000 3.50 1.15 385.09

3000 3.50 75.81 708.79

5000 3.50 183.71 988.15

Volume déblais bassin

475.14 1185.79

Volume surprofondeur Volume total de déblais

47.51 522.66

1864.2 6 186.43 2050.6 8

118.58 1304.3 7

10000 50000 100000 3.50 3.50 3.50 502.15 3560.04 7667.73 1621.6 6009.30 11113.39 7 3530.5 16560.40 32681.01 9 353.06 1656.04 3268.10 3883.6 18216.45 35949.12 5

Tableau 18: calcul du volume de déblais du bassin facultatif population Hauteur totale Surface du fond

1000 2.50 138.28

3000 2.50 546.21

5000 2.50 982.81

surface supérieure

498.69

Volume déblais bassin

749.65

1152.1 5 2076.3 8

1757.8 1 3379.1 7

10000 2.50 2116.3 1 3201.9 8 6601.2 0

50000 2.50 11624.6 7 14021.3 8 32010.8 0

100000 2.50 23756.27 27135.38 63567.77

Tableau 19: calcul du volume de déblais des bassins de maturation population Hauteur totale Surface du fond

1000 2.00 241.55

surface supérieure

715.97

Volume de déblais d’un bassin Nombre de bassins Volume total de déblais

1691.3 9 915.59 2543.3 4 2 2 915.59 2543.3 4

II.4 – Détermination du volume des digues

48

3000 2.00 893.97

5000 10000 2.00 2.00 1581.9 3353.7 1 2 2601.7 4782.1 0 8 4141.5 8093.7 4 8 2 2 4141.5 8093.7 4 8

50000 100000 2.00 2.00 18073.45 36777.88 21226.55 41223.27 39257.77 77958.89 2 2 39257.77 77958.89

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

4 bassins en série

Figure 3: disposition des digues 

Hauteur de la digue

La hauteur de la digue est la différence entre la côte de crête et celle du terrain naturel. 

Largeur en crête.

La largeur en crête de l'ouvrage est fixée pour assurer, en premier lieu, une sécurité suffisante contre tout risque de submersion par les vagues au cas où la revanche serait trop faible La largeur en crête est en général, évaluée à l'aide de formules empiriques .En aucun cas, cette épaisseur ne doit être inférieure à 3 m afin de permettre l'entretien de l'ouvrage dans de bonnes conditions. Elle est aussi souvent déterminée, en second lieu, par les dimensions de la route entre les digues. La relation de T.T. KNAPPEN donne : b=1,65 √ H Où, b = épaisseur en crête en m ; H = hauteur totale du barrage en m ; Dans notre cas on a : b=3 m ; en utilisant la formule de T.T. KNAPPEN On obtient H=2,86 m Nous prenons une hauteur de 1,00 m 

Calcul du volume de remblai de la digue Lcrête H

m 1=2,5

49

m 2=2

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

V =S × L Avec

S=Lcr ê te × H +

[

m1 +m2 × H2 2

V = L crê te × H +

]

m1+m2 ×H2 × L 2

V : le volume de remblai L : longueur de la digue m1=2,5 pente intérieure

et

m2=2 pente extérieure

Bassin de maturation Bassin anaérobie

Bassin facultatif Bassin de maturation

Figure 4: schéma synoptique des digues de la step naturelle Notre calcul du volume de la digue se fera sur ce modèle parfait de disposition de 4 bassins de lagunage naturel. Cette disposition des bassins de cette step a une forme rectangulaire. Les deux digues disposées suivant la longueur mesurent chacune: ¿ l ¿ (bassin anaérobie) + l ¿ (bassin facultatif)+ L¿ (bassin de maturation)+4 L = 2 ׿ × Lcrête)

50

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. Pour une population de 10000 habitants ; on a : ¿ L = 2 ׿ 34,58+41,61+94,42+4 ×3 ) L =365,22 m On obtient donc comme suit le volume des 2 digues suivant la longueur du step : 2,5+2 VL=2× 3 ×1+ × 12 × 182,61 2 VL=1917,405 m3

[

]

Nous avons aussi 4 digues disposées suivant la longueur des bassins et une digue entre les 2 bassins de maturation. L = L¿ (bassin anaérobie) + L¿ (bassin facultatif)+ 4 × l ¿ (bassin de maturation)+2 × ¿ Lcrête + L ¿ (bassin de maturation) ¿ Pour une population de 10000 habitants ; on a : L = 46,88+76,96+94,42+2 ×3+¿ 4 × 50,65 L =426,86 m On obtient donc comme suit le volume des 2 digues suivant la longueur du step : m +m V = L crête × H + 1 2 × H 2 × L 2 2,5+2 VL= 3 ×1+ × 12 × 426,86 2 VL=2241,015 m3

[

]

[

]

Volume total de la digue pour une population de 10000 habitants =4158.42 m 3 Ainsi donc nous déduisons la longueur totale de la digue de la step Ltotale=2 l ¿ (bassin anaérobie) + 2l ¿ (bassin facultatif)+ 3 × L¿ (bassin de maturation) +10 × Lcrête + L¿ (bassin anaérobie) + L¿ (bassin facultatif)+ 4 × l ¿ (bassin de maturation) Tableau 20: calcul du volume de la digue Population

1000

3000

5000

10000

50000

100000

Lsup (BA) lsup (BA)

21.66 17.78

30.20 23.47

36.08 27.39

46.88 34.59

92.47 64.98

126.64 87.76

Lsup (BF)

28.61

44.98

56.25

76.96

164.36

229.86

lsup(BF)

28.61

25.61

31.25

41.61

85.31

118.05

Lsup(BM)

34.56

54.83

68.78

94.42

202.63

283.72

lsup(BM)

20.72

30.85

37.83

50.65

104.75

145.30

Crête (b)

3

3

3

3

3

3

51

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. Longueur totale de la digue Volume de la digue

359.59

491.23

597.25

792.09

1887.86

2578.9 3

3135.5 6

4158.45

1614.3 2230.46 3 8475.2 11709.89 4

II.5 - Calcul de la surface de la membrane d’étanchéité Pour le calcul nous divisons nos figures en des surfaces connues ici des surfaces trapézoïdales pour les faces latérales et surface rectangulaire pour la base. Les différentes surfaces sont données par la formule suivante : ( B+b ) × H  Pour les surfaces trapézoïdales : S t = 2  Pour les surfaces rectangulaires : S r =L× l Ainsi : S membrane =2 ×

(

l fond +l ¿ L +L × H + 2× fond ¿ × H +l fond × Lfond 2 2

)

(

)

S membrane =¿ ( l fond + l¿ + Lfond + L¿ ¿× H +S fond Pour une population de 10000 habitants on donnera un exemple de calcul de la surface de membrane d’étanchéité d’un bassin facultatif. La formule ci-dessous est valable aussi bien pour le calcul de la surface de membrane du bassin facultatif que pour le bassin de maturation. Pour le calcul de celle du bassin anaérobie nous majorerons la surface de la membrane de 10% à cause de la surprofondeur. S membrane =¿ ( 31,61+41,61+66,96+76,96 ¿ × 2+ 2116,31 S membrane =¿ 2442,02 m2 Tableau 21: surface de la membrane d’étanchéité du bassin anaérobie population Hauteur totale Surface du fond longueur du fond largeur du fond longueur sup largeur sup surface de la membrane surface de la surprofondeur surface totale de la membrane d’étanchéité

52

1000 3.50 1.15 4.16 0.28 21.66 17.78 154.72 15.47 170.20

3000 3.50 75.81 12.70 5.97 30.20 23.47 329.00 32.90 361.90

5000 3.50 183.71 18.58 9.89 36.08 27.39 505.49 50.55 556.04

10000 3.50 502.15 29.38 17.09 46.88 34.59 949.96 95.00 1044.95

50000 3.50 3560.04 74.97 47.48 92.47 64.98 4539.74 453.97 4993.72

100000 3.50 7667.73 109.14 70.26 126.64 87.76 9046.00 904.60 9950.60

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

Tableau 22: surface de la membrane d’étanchéité du bassin facultatif population 1000 3000 5000 10000 50000 100000 Hauteur totale 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 Surface du fond 138.28 546.21 982.81 2116.31 11624.67 23756.27 longueur du fond 18.61 34.98 46.25 66.96 154.36 219.86 largeur du fond 7.43 15.61 21.25 31.61 75.31 108.05 longueur sup 28.61 44.98 56.25 76.96 164.36 229.86 largeur sup 17.43 25.61 31.25 41.61 85.31 118.05 surface de la membrane 282.45 788.59 1292.81 2550.58 12583.36 25107.92

Tableau 23: surface de la membrane d’étanchéité du bassin de maturation population Hauteur totale Surface du fond

1000 2.00 241.55

3000 2.00 893.97

longueur du fond largeur du fond longueur sup largeur sup surface de la membrane

23.93 10.09 34.56 20.72 420.15

44.20 20.23 54.83 30.85 1194.18

5000 2.00 1581.9 1 58.15 27.20 68.78 37.83 1965.8 3

10000 50000 2.00 2.00 3353.72 18073.45 83.80 192.01 40.02 94.13 94.42 202.63 50.65 104.75 3891.50 19260.50

100000 2.00 36777.8 8 273.09 134.67 283.72 145.30 38451.4 4

CHAPITRE II : ETUDE TECHNIQUE DE STATION D’EPURATION DE TYPE LAGUNAGE AERE I- Généralités I.1- Principe du lagunage aéré Le lagunage aéré est une technique d’épuration biologique par culture libre avec un apport artificiel d’oxygène. Le lagunage aéré se différencie des boues activées par l’absence de maintien d’une concentration fixée de micro-organismes (pas de recirculation). Cela conduit à prévoir des temps de séjour plus long, plus favorable à une bonne adaptation du système aux variations de qualité de l’effluent à traiter. Il existe deux formes de lagunage aéré :  le lagunage aéré strictement aérobie : il faut une aération suffisante pour maintenir le bassin en aérobiose et l’ensemble des particules en suspension ;  le lagunage aéré aérobie/anaérobie facultatif : il y’a formation de dépôt qui évolue en milieu anaérobie.

53

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. Le premier cas est très peu utilisé car il est grand consommateur d’énergie. La seconde solution est recommandée plus fréquemment : elle s’apparente au lagunage naturel par l’épuration des eaux usées par échange eaux/sédiments. Le lagunage aéré est reconnu comme un procédé d’épuration efficace, notamment au niveau des charges oxydables (90%). Au niveau de l’azote ammoniacal et des ortho-phosphates, les performances sont plus limitées : de l’ordre de 45%. I.2- Conception Nous utiliserons dans notre projet le lagunage aéré aérobie/anaérobie facultatif. Le traitement sera effectué alors par trois bassins montés en série ayant chacun des rôles spécifiques. Nous avons :  un bassin anaérobie L’étang anaérobie est fréquemment utilisé comme première étape de traitement d’eaux usées à forte charge organique. Celui-ci est utilisé pour la décantation, le stockage des boues et la dégradation des matières organiques.  un bassin d’aération Les bassins d’aération sont les réacteurs biologiques dans lesquels s’effectue la transformation de la matière organique par les microorganismes aérobies. Ils constituent un élément fondamental de la filière définie sous le terme de boues activées. Une bonne gestion de l’aération permet également d’assurer les réactions de nitrification et de dénitrification.  un bassin de décantation. Dans une station d’épuration, le décanteur est l’ouvrage fondamental qui assure la séparation gravitaire de la boue et de l’eau épurée rejetée dans le milieu récepteur. Le bon fonctionnement de cet ouvrage implique le respect des règles de conception, une gestion rationnelle de la production de boue ainsi que la maîtrise de sa décantabilité. II- Dimensionnement II.1- Données de base -

54

Population : 3 000 ; 5 000 ; 10 000 ; 50 000 ; 100 000 hbts Ratio de consommation : 100L/habitant/jour Charge individuelle en DBO5 : 40g/habitant/jour Charge en bactéries : 108 CF/100ml Température : 30 °C Pente des talus des bassins : intérieur 2~2,5 :1/extérieur 2~2,5 :1 Largeur des crêtes : 3m Revanche : 0,5 m Infiltration : 5.10-8 m/s Evaporation 8 mm/jour DBO5 soluble : 2/3 DBO5 totale

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. -

Matières volatiles : 80% MeS Charge hydraulique superficielle : 20-40 m3/m2/jour Charge volumétrique : 250g/m3/jour Niveau de rejet :  DBO5 : 20 mg/L  MeS : 20 mg/L  NH4+ : 5mg/L

II.2- Calculons les dimensions des différents bassins Nota Bene : Pour les exemples de calcul de dimensionnement des bassins, nous utiliserons la population de 10 000 habitants. Les autres calculs relatifs aux différentes populations seront donnés dans la note de calculs du lagunage aéré joint en annexe.  Débit journalier des eaux usées : Q= population ( hbts ) ×ratio Q=10 000 ×100=1 000000 L/ j 3

Q=1000 m / j 

Flux en DBO

F=population × charge individuelle en DBO5 F=10 000× 40=400 000 g/ j F=400 Kg/ j

 Bassin anaérobie Prenons

λV =250

g m ∗j 3

40 g /(hbts∗ j)

On a: [ DBO5 ]= 100 L/(bhts∗ j) =0,4 g / L=400mg / L 

Le volume du bassin se calcule de la manière suivante:

Volume requis= V=

[ DBO ] ×Q

0,4 ×1 000 000 250

λV

V =1600 m3 

Le temps de séjour hydraulique:

HRT =

55

V Q

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

HRT =1,6 jours

Détermination des caractéristiques géométriques  Superficie du plan d’eau (S) S=

V avec H pris égale à 3 m H 2

S=533,33 m La forme du bassin doit être rectangulaire avec un rapport longueur sur largeur de 2 à 3. L =3 → L=3 l Nous prendrons : l Par conséquent

0,5

[] [

S S=3 l → l= 3 2

533,33 = 3

0,5

]

=13,33 met L=39,99 m

D’où S=L ×l=39,99× 13,33=533,06 m2 La profondeur du plan d’eau est

H=3 m avec une pente

n=

2 1

et une revanche

R=0,5m .  La surface supérieure du bassin (SSup) Les dimensions réelles de la surface supérieures s’obtiennent avec celles de la surface du plan d’eau de la manière suivante : L¿=L+ nR=39,99+2 × 0,5  L¿=40,99 m 

l ¿=l+ nR=13,33+2 ×0,5 l ¿=14,33 m

Par conséquent la surface supérieure sera donc : S ¿ =40,99 ×14,33 2

S ¿ =587,40 m   

La surface inférieure du bassin (Sinf) : Linf =L−nH =39,99−2 ×3 Linf =33,99 m l inf =l−nH =13,33−2 ×3 l inf =7,33 m

La surface inférieure est donc : S inf =33,99 ×7,33 S inf =249,15 m2

56

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. 

Bilan hydraulique à l’issu du bassin anaérobie

 L’évaporation de l’eau est 8mm/j Perte par évaporation : Qévaporé =8 ×10−3 × S Qévaporé =8 ×10−3 ×533,33 Qévaporé =4,27 m3 / j  L’infiltration est 5.10-8 m/s Perte par infiltration : Qinfiltré =5 ×10−8 × S Qinfiltré =5 ×10−8 ×533,33 × 86400 Qinfiltré =2,30 m3 / j 

Le débit de sortie sera Q2=Q−Q évaporé −Qinfiltré Q2=1000−4,27−2,30 3 Q2=993,43 m / j

 Capacité d’épuration Au lieu de la loi de passage d’une quantité Lo à la quantité Lf , nous avons pris dans le bassin anaérobie un abattement de 40% pour la DBO5, 50% pour les Matières en Suspension (MeS) et 0% pour l’Ammoniaque (NH4).

[ DBO5 ]sortie =(1−0,4)× [ DBO5 ] [ DBO5 ]sortie =( 1−0,4 ) × 400 [ DBO5 ]sortie =240

mg L

Tableau 24: Dimensionnement du bassin anaérobie en fonction des populations Populations Ratio de consommation (L/hbts/j) Débit total (m3/J) Charge individuelle en DBO5 (g/hbts/j) Concentration en DBO5 (g/L) Charge volumétrique (g DBO5/m3/j) Volume du bassin (m3) Pente des talus Profondeur au choix (m)

57

3000

5000

10 000 100

50 000

100 000

300

500

1000 40

5000

10000

8000

16000

3

3

0.4 250 480

800

3

3

1600 2,0/1 3

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. Surface du plan d'eau à miprofondeur (m2) Temps de rétention (j) Largeur à mi- profondeur (m) Longueur à mi profondeur (m) Longueur à la base (m) Largeur à la base (m) Longueur au somment (m) Largeur au somment (m) surface du bassin (m2)

160.0 0 1.6 7.30 21.91 15.91 1.30 22.91 8.30 190.2 1

266.67

533.33

2666.67

5333.33

1.6 9.43 28.28 22.28 3.43 29.28 10.43 305.38

1.6 13.33 40.00 34.00 7.33 41.00 14.33 587.67

1.6 29.81 89.44 83.44 23.81 90.44 30.81 2786.92

1.6 42.16 126.49 120.49 36.16 127.49 43.16 5502.99

 Bassin d’aération Le bassin d’aération est caractérisé par une charge volumique inférieure à 0,1kg DBO5/m3/j et une concentration faible et variable des boues. Pour le dimensionnement du bassin, nous prenons une charge volumique de 0,1kg DBO5/m3 /j. 

Volume du bassin d’aération [ DBO ] sortie ×Q2 V= V =2384,23 m3 λV



Temps de séjour hydraulique V HRT = Q2 HRT =2,39 jours

Détermination des caractéristiques géométriques 

Surface du plan dans le bassin

La profondeur du plan d’eau dans le bassin est prise égale à de R=0,5m . La profondeur totale est donc égale à 3 m . V S= H S=953,70m2

H=2,5 m

avec une révanche

Nous avons aussi le rapport longueur sur largeur compris entre 2 et 3. 0,5 L 953,70 =3 alors on a : l= =17,83 m → L=53,49 m Prenons l 3 2 La profondeur du plan d’eau est H=2,5 m avec une pente n= et une revanche 1

(

58

)

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. R=0,5m .  La surface supérieure du bassin (SSup) L¿=L+ nR=53,49+2 × 0,5=54,49 m  l ¿=l+ nR=17,83+2 ×0,5=18,83 m  La surface supérieure est donc : S ¿ =54,49× 18,83 S ¿ =1026,05 m2   

La surface inférieure du bassin (Sinf) Linf =L−nH =53,49−2 ×2,5=48,49 m l inf =l−nH =17,83−2 ×2,5=12,83 m

La surface inférieure sera donc : S inf =48,49 × 12,83 S inf =622,13 m2  





Bilan hydraulique à l’issu du bassin d’aération Perte par évaporation : Qévaporé =8 ×10−3 × S 3 Qévaporé =7,63 m / j Perte par infiltration : −8 Qinfiltré =5 ×10 × S Qinfiltré =4,12m3 / j Le débit de sortie du bassin sera : 3 Q3=981,68 m / j

Tableau 25:Dimensionnement du bassin aéré en fonction des populations Populations 3000 5000 10 000 50 000 Ratio de consommation 100 (L/hbts/j) Débit total (m3/J) 300 500 1 000 5 000 Débit évaporé (m3/j) 1.28 2.13 4.27 21.33 Débit infiltré (m3/j) 0.69 1.15 2.30 11.52 Débit effectif (m3/j) 298.03 496.71 993.43 4967.15 Charge individuelle en DBO5 40 (g/hbts/j) Concentration en DBO5 (g/L) 0.24 Volume du bassin (m3) 715.27 1192.12 2384.23 11921.15 Revanche (m) 0.5 Profondeur au choix (m) 2.5 2.5 2.5 2.5

59

100 000

10 000 42.67 23.04 9934.29

23842.30 2.5

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. Profondeur totale du bassin (m) Surface du plan d'eau (m2) Temps de rétention (j) Largeur du plan d'eau (m) Longueur du plan d'eau (m) Longueur à la base (m) Largeur à la base (m) Longueur au somment (m) Largeur au somment (m) surface du bassin (m2)

3

3

3

3

3

286.11 2.4 9.77 29.30 24.30 4.77 30.30 10.77 326.17

476.85 2.4 12.61 37.82 32.82 7.61 38.82 13.61 528.28

953.69 2.4 17.83 53.49 48.49 12.83 54.49 18.83 1026.01

4768.46 2.4 39.87 119.61 114.61 34.87 120.61 40.87 4928.93

9536.92 2.4 56.38 169.15 164.15 51.38 170.15 57.38 9763.45

 Bassin de décantation C’est le lieu de séparation physique des boues biologiques et de l’eau épurée. La forme du bassin doit être rectangulaire avec un rapport de longueur sur largeur de 2 à 3. Nous prenons un temps de rétention de 4 heures et une charge hydraulique superficielle de 20-40 m3/m2/j. m (¿ ¿2∗j) Prenons aussi λV =20 m3 /¿ 

La surface du plan d’eau Q S= 3 λV 981,68 S= 20

S=49,08 m2 

Le volume du bassin est donné par : V =Q3 ×T r , avec T r ≤temps de rétention V=

981,68 × 4 24

V =163,61 m3 

La profondeur du plan d’eau dans le bassin V H= S H=

60

163,61 49,08

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

H=3,33 m 

Détermination des caractéristiques géométriques

Le bassin est totalement rectangulaire avec une pente nulle et une profondeur totale égale à 3,85 m et une revanche de 0,5 m . Nous prenons 

L 49,08 =3 → l= l 3

(

0,5

)

=4,04 m alors L=12,12 m

Les surfaces supérieure et inférieure restent inchangées car : L=L¿ =Linf et l=l ¿=linf D’où S=S¿ =Sinf =49,08 m2

Tableau 26:Dimensionnement du bassin de décantation en fonction des populations Populations 3 000 5 000 10 000 50 000 100 000 Ratio de consommation 100 (L/hbts/j) Débit total (m3/J) 298.03 496.71 993.43 4967.15 9934.29 Débit évaporé (m3/j) 2.29 3.81 7.63 38.15 76.30 Débit infiltré (m3/j) 1.24 2.06 4.12 20.60 41.20 Débit effectif (m3/j) 294.50 490.84 981.68 4908.40 9816.80 Charge hydraulique 20 superficielle (m3/m2/j) Surface du plan d'eau (m2) 14.73 24.54 49.08 245.42 490.84 Temps de rétention (h) 4 Volume du bassin (m3) 49.08 81.81 163.61 818.07 1636.13 Profondeur du plan d'eau (m) 3.33 3.33 3.33 3.33 3.33 Revanche (m) 0.5 Profondeur totale du bassin 3.83 3.83 3.83 3.83 3.83 (m) Largeur du plan d'eau (m) 2.22 2.86 4.04 9.04 12.79 Longueur du plan d'eau (m) 6.65 8.58 12.13 27.13 38.37 Longueur à la base (m) 6.65 8.58 12.13 27.13 38.37 Largeur à la base (m) 2.22 2.86 4.04 9.04 12.79 Longueur au somment (m) 6.65 8.58 12.13 27.13 38.37 Largeur au somment (m) 2.22 2.86 4.04 9.04 12.79 surface du bassin (m2) 14.73 24.54 49.08 245.42 490.84

61

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. II-

Calcul du volume d’air

Au niveau du bassin aéré, le système d’aération doit fournir une quantité d’oxygène suffisante pour satisfaire les demandes carbonée et azotée. Il doit aussi assurer une dispersion adéquate de l’oxygène dissous. Les besoins réels en oxygène doivent d’abord être calculés. La demande carbonée est déduite du modèle d’Eckenfelder en calculant la DBO5 enlevée, alors que la demande azotée est établie en fonction de la charge en NH4 appliquée, c’est-à-dire, en supposant 100% de nitrification de l’azote ammoniacal. 

Détermination de la demande en oxygène

La demande en oxygène (DO) est la quantité d’oxygène nécessaire au niveau du bassin d’aération pour atteindre le niveau de traitement souhaité.  Sans nitrification, cette demande en oxygène est de deux natures : 

Besoins en oxygène pour l’oxydation de la DBO5 (DO1)

La synthèse bactérienne est assimilable à la dégradation du glucose qui se traduit par l’équation suivante : 6 C6 H 12 O 6 + 4 NH 3 +16 O2 → 4 C5 H 7 NO 2 +16 CO2 +28 H 2 O DO1=a' × masse de DBO5 Avec 

éliminée

a' =consommation d ' oxygène à des fins énergétiques(

kg O2 DBO5 ) kg

Besoins en oxygène pour la respiration endogène (DO2)

La respiration endogène ou l’auto-oxydation se traduit par l’équation suivante : 4 C 5 H 7 NO 2+ 20O2 →20 CO 2+ 4 NH 3+ 8 H 2 O DO2=b' × masse de MVS Avec b' =consommation d ' oxygènepour l ' auto −oxydation(

kg O2 ) kgMVS

Les valeurs de a' et b' sont données en fonction de la charge massique Cm en kg DBO5/kg MES/j par le tableau suivant : Tableau 27 :résumé des valeurs de Cm pour une eau urbaine Cm

62

Valeurs de a'

Valeurs de b'

exprimée

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

< 0,1

0,66

0,1

0,65

0,15

0,62

0,2

0,6

0,3

0,56

0,4

0,53

>0,5

0,5

0,06

0,07

1,2

Source: Agence de l'eau (France) La charge massique Cm est calculée dans le bassin aéré pour déterminer ensuite les coefficients respiratoires intervenants dans le calcul des besoins théoriques en oxygène : L ×Q Cm = o S t ×V Avec Lo : Concentration de DBO5 S t : Teneur en liqueur mixte : 1800-3000 mg/l Pour notre projet, nous optons pour la valeur 2500 mg/l soit 2,5 kg/m3  Avec nitrification, aux besoins précédents s’ajoutent : 

Besoins pour la nitrification de l’ammoniaque (DO3)

L’équation de nitrification est +¿ −¿+2 H ¿ +¿+2 O2 → 2 N O¿3 N H ¿4 +¿ +¿ nitrifiée ×masse de N H ¿4 D O3=4,57 g de O2 /g de N H ¿4

éliminée

 Détermination du volume d’air On sait que l’air contient 21% d’Oxygène. Détermination les différents besoins DO1, DO2 et DO3. Calculons la charge massique Cm : Cm =

240 × 993430 =0,04 2500× 2384230

On a : Cm =0,04< 0,1 donc on a a' =0,66 D’où : DO1=0,66×(220 × 993430) ×10−6

63

et

'

b =0,06

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. DO1=144,2460 kg O2 / j Tableau 28:Demande en oxygène pour l'oxydation de la DBO5 (DO1) Population 3 000 5 000 10 000 50 000 a' (kg O2/kg 0.66 DBO5 DBO5 éliminé 220 220 220 220 (mg/l) Débit du bassin 298.03 496.71 993.43 4967.15 (m3) DO1 (kg O2/j) 43.27 72.12 144.25 721.23

100 000

220 9934.29 1442.46

−6 DO2=0,06× ( 100 ×993430 ) ×10 DO2=5,9606 kg O2 / j

Tableau 29: Demande en oxygène pour la respiration endogène (DO2) Population 3 000 5 000 10 000 50 000 b' (kg O2/kg DBO5 0.06 Concentration de MVS 100 100 100 100 (mg/l) Débit du bassin (m3) 298.03 496.71 993.43 4967.15 DO2 (kg O2/j) 1.79 2.98 5.96 29.80 −6 DO3=4,57 × ( 295 × 993430 ) × 10

100 000 100 9934.29 59.61

DO3=1339,2926 kg O2 / j Tableau 30: Demande en oxygène pour la nitrification (DO3) Population 3 000 5 000 10 000 Coefficient 4.57 Concentration de NH4+ 295 295 295 (mg/l) Débit du bassin (m3) 298.03 496.71 993.43 DO3 (kg O2/j) 401.79 669.65 1339.29 

50 000

100 000

295

295

4967.15 6696.46

9934.29 13392.92

Volume d’air sans nitrification :

V air =

× ( DO + DO ) ( 100 21 ) 1

2

V air =715,27 kg / j

Population DO=DO1+DO2 (kg

64

Tableau 31:Volume d'air sans nitrification 3 000 5 000 10 000 50 000 45.06 75.10 150.21 751.03

100 000 1502.07

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. O2/j) Volume d'air en kg/j 

214.58

357.63

715.27

3576.35

7152.69

Volume d’air avec nitrification

V air =

× ( DO + DO + DO ) ( 100 21 )

V air =

× ( 144,2460+ 5,9606+1339,2926 ) ( 100 21 )

1

2

3

V air =7092,85 kg / j Tableau 32: Volume d'air avec nitrification Population DO=DO1+DO2+DO3 (kg O2/j) Volume d'air en kg/j III-

3 000 446.85

5 000 744.75

10 000 1489.50

50 000 7447.49

100 000 14894.98

2127.85

3546.42

7092.85

35464.24

70928.49

Détermination de la puissance des aérateurs

La technique d’aération que nous choisissons est l’aération de surface. Nous choisissons les turbines rapides qui sont des aérateurs à axe vertical à grande vitesse (750 à 1800 tr/min) entraînés directement par le moteur, sans réducteur intermédiaire. Ces aérateurs sont montés sur des flotteurs. Les performances de cet aérateur de surface pour ce qui concerne en particulier l’apport spécifique d’oxygène nominale (en kg O2/kWh) sont fonction :  Des caractéristiques de l’aérateur lui-même et notamment de sa vitesse et de son immersion ;  Et des caractéristiques du couple aérateur-bassin :  Puissance spécifique ;  Géométrie, forme et dimensions du bassin. Un facteur particulièrement important est la puissance spécifique c’est-à-dire la puissance consommée, ramenée au m3 de bassin ; jusqu’à une limite de 70 à 80 W/m3, son augmentation améliore l’apport spécifique.  Nous prendrons un apport spécifique brut d’oxygène égal à 2 kg O 2/kWh et une puissance spécifique nominale de 40W/m3 ;  Les besoins en oxygène sont égaux à 1489,4992 kg O2/j et les besoins en air 7092,85 kg/j ; En supposant un temps de rétention de 3h/j, on obtient une demande en heure d’oxygène égale :

65

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

DHO=

1489,4992 =496,500 kg O2 /h 3

Dans la pratique, les conditions d’utilisation des dispositifs d’aération sont toujours différentes des conditions standards. On ne travaille pas dans de l’eau pure, mais dans un liquide chargé de boues activées. Le passage des conditions nominales aux conditions d’utilisation s’effectue à l’aide d’un coefficient correcteur T. Prenons ¿ 0,7 , alors on obtient un apport en heure d’oxygène : DHO T 496,500 AHO= =709,286 kg O2 /h 0,7 Avec un ASB de 2 kg O2/kWh, on obtient la puissance nécessaire en kW égale : AHO=

Pnécessaire =

AHO ASB

Pnécessaire =

709,286 2

Pnécessaire =354,643 kW Le volume du bassin d’aération est 2384,23 m3. La puissance spécifique est donc : P Pspécifique = nécessaire Volume Pspécifique =

354643 2384,23

Pspécifique =148,745W /m3

On détermine le nombre théorique d’aérateurs, la puissance spécifique nominale étant fixée à 40W/m3, on a : Pspécifique Nbre d aérateurs= P spécifique nominale '

Nbre d aérateurs= '

66

148,745 40

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. Nbre d aérateurs=3,719 '

Le nombre réel d’aérateur est donc

Nbre d ' aérateurs=4

Tableau 33: Détermination de la puissance des aérateurs Population DO (kg O2/j) Masse d'air nécessaire (kg/j) Temps de rétention par jour (h) DO (kg O2/h) Coefficient de correction AHO (kg O2/h) ASB (kg O2/kWh) Puissance nécessaire (kW) Volume du bassin (m3) Puissance spécifique (W/m3) Puissance spécifique nominale (W/m3) Nombre théorique d'aérateurs Nombre réel d'aérateurs

3 000 446.85 2127.85

5 000 744.75 3546.42

10 000 1489.50 7092.85

50 000 7447.49 35464.24

100 000 14894.98 70928.49

3.00

3.00

3.00

3.00

3.00

148.95 0.7 212.79 2 106.39

248.25

496.50

2482.50

4964.99

354.64

709.28

3546.42

7092.85

177.32

354.64

1773.21

3546.42

715.27 148.75

1192.12 148.75

2384.23 148.75

11921.15 148.75

23842.30 148.75

3.72

3.72

3.72

3.72

3.72

4

4

4

4

4

40

IVDétermination du volume des digues Nous déterminerons le volume des digues avec la formule suivante:

[

V digue = Lcrête × H digue + Où :    

67

V digue : H digue : Lcrête : Ldigue :

]

m 1+ m 2 × H 2digue × Ldigue 2

le volume de la digue ; la hauteur de la digue ; la longueur de la crête ; la longueur de la digue.

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

 Volume de la digue entre le bassin anaérobie et le bassin d’aération On a : H digue =1 m  Ldigue =41 m  Lcrête =3 m  Le volume de ma digue est don 3 V digue =205.00 m

Tableau 34: Volume de la digue entre le bassin anaérobie et le bassin d'aération Population 3 000 5 000 10 000 50 000 100 000 1 1 1 1 1 Hauteur de la digue (m) Longueur de la 22.91 29.28 41.00 90.44 127.49 digue (m) Longueur de la 3 3 3 3 3 crête (m) Pente extérieure 2 2 2 2 2 Pente intérieure 2 2 2 2 2 114.54 146.42 205.00 452.21 637.46 Volume de la digue (m3)  Volume de la digue entre le bassin d’aération et le bassin de décantation On a : Ldigue =54,49 m  Alors on a :

[

V digue = 3 ×1+

]

2+2 × 1 × 54,49 2

V digue =272.45 m

3

Tableau 35:Volume de la digue entre le bassin d'aération et le bassin de décantation Population Hauteur de la digue (m) Longueur de la digue (m) Longueur de la crête (m)

68

3 000

5 000 1

10 000 1

50 000 1

100 000 1

1

30.30

38.82

54.49

120.61

170.15

3

3

3

3

3

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. Pente extérieure Pente intérieure Volume de la digue (m3) V-

2 2

2 2 151.49

2 2 194.11

2 2 272.45

2 2 603.03

850.74

Détermination de la surface de la membrane d’étanchéité

L’étanchéité des bassins devra être suffisante pour maintenir la hauteur d’eau voulue dans les lagunes, compte tenu des apports (effluents, pluies) et des pertes (débit de rejet, évaporation, infiltration). Ainsi pour une infiltration nulle, nous optons pour la mise en place d’une géomembrane. La géomembrane est une membrane synthétique imperméable. Pour le calcul de la surface de la membrane d’étanchéité pour les bassins anaérobie et d’aération, nous utiliserons la formule suivante : S membrane =( Linf × l inf ) + ( L¿ + Linf ) × H +(l ¿ + linf )× H 

Pour le bassin anaérobie

S1

membrane

= (34 ×7,33 ) + ( 41+34 ) × 3,5+ ( 14,33+7,33 ) ×3,5

S1

membrane

=587,53 m2

Tableau 36: Surface de la membrane d'étanchéité pour le bassin anaérobie Population Longueur supérieure du bassin (m) Longueur inférieure du bassin (m) Largeur supérieure du bassin (m) Largeur inférieure du bassin (m) Profondeur du bassin (m) Surface de la membrane (m2)  S2

69

3 000 22.91

5 000 29.28

10 000 41.00

50 000 90.44

100 000 127.49

15.91

22.28

34.00

83.44

120.49

8.30

10.43

14.33

30.81

43.16

1.30

3.43

7.33

23.81

36.16

305.38

587.67

2786.92

5502.99

3.5 190.21

Pour le bassin d’aération =48,49 ×12,83+ ( 54,49+ 48,49 ) × 3+(18,83+12,83) ×3

membrane

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. S2

=1026,05 m2

membrane

Tableau 37: Surface de la membrane d'étanchéité pour le bassin d'aération Population Longueur supérieure du bassin (m) Longueur inférieure du bassin (m) Largeur supérieure du bassin (m) Largeur inférieure du bassin (m) Profondeur du bassin (m) Surface de la membrane (m2)



3 000 30.30

5 000 38.82

10 000 54.49

50 000 120.61

100 000 170.15

24.30

32.82

48.49

114.61

164.15

10.77

13.61

18.83

40.87

57.38

4.77

7.61

12.83

34.87

51.38

3 326.17

528.28

1026.01

4928.93

9763.45

Pour le bassin de décantation

S3

membrane

= L×l+2 × L × H +2 ×l × H

S3

membrane

S3

membrane

=12,13× 4,04+ 2× 12,13× 3,83+2× 4,04 × 3,83 2

=172,86 m

Tableau 38:Surface de la membrane d'étanchéité pour le bassin de décantation Population Longueur supérieure du bassin (m) Longueur inférieure du bassin (m) Largeur supérieure du bassin (m) Largeur inférieure du bassin (m) Profondeur du bassin (m) Surface de la membrane (m2)

70

3 000 6.65

5 000 8.58

10 000 12.13

50 000 27.13

100 000 38.37

6.65

8.58

12.13

27.13

38.37

2.22

2.86

4.04

9.04

12.79

2.22

2.86

4.04

9.04

12.79

3.83 82.61

112.18

173.02

522.55

882.76

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. CHAPITRE III : ETUDE TECHNIQUE DE STATION D’EPURATION DE TYPE BOUES ACTIVEES GENERALITE I-

L’épuration biologique des eaux résiduaires par le procédé des boues activées est principalement basée sur l’activité métabolique de cultures bactériennes maintenues en suspension en état aérobie dans le bassin d’aération alimenté par l’eau à épurer. L’efficacité et la fiabilité de l’épuration restent étroitement dépendantes du bon déroulement de la phase de décantation, celle-ci constituant, en effet, le dernier maillon de la chaîne de traitement avant rejet au milieu naturel. La séparation boue-eau traitée par sédimentation est assurée par le décanteur secondaire ou clarificateur placé à l’aval du bassin d’aération. La filière de traitement par boues activées se compose de plusieurs étapes de traitement dont :  le prétraitement ;  le traitement primaire ;  le traitement secondaire ou traitement biologique. (cf. figure).

Figure 5: schéma d’une station de traitement à boues activées 1- Prétraitement

71

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

Les collecteurs urbains d'eaux usées véhiculent des matières très hétérogènes et souvent volumineuses, spécialement dans les réseaux unitaires. A l'arrivée à la station d'épuration, les eaux brutes doivent subir, avant leur traitement proprement dit, des traitements préalables de "dégrossissage" nommés prétraitements et destinés à extraire des effluents, la plus grande quantité possible d'éléments dont la nature ou la dimension constituerait une gêne pour les traitements ultérieurs. Il s'agit d'un ensemble d'opérations physiques ou mécaniques qui s'avèrent toujours indispensables et dont on ne peut faire l'économie tout en notant bien entendu que l'importance des équipements à mettre en œuvre dépendra :  de la nature des effluents : présence de sable, huiles, graisses ou autres matières flottantes;  de la ligne de traitement prévue en aval : avec ou sans décantation primaire, épuration biologique ou physico-chimique; de l'importance en taille de la station. Les prétraitements ne sauraient évidemment constituer une opération de traitement complète des effluents. Cependant, on doit considérer qu'aucun traitement ultérieur en station d'épuration ne saurait être efficace sans des prétraitements performants qui constituent une première étape décisive des traitements des effluents urbains. Les prétraitements sont constitués par les opérations ci-après :  dégrillage ;  tamisage ;  dilacération ;  dessablage ;  déshuilage – dégraissage. 1.1-

Le dégrillage

Au cours du dégrillage, les eaux usées passent au travers d'une grille, qui retient les éléments grossiers, dont les barreaux sont placés verticalement ou inclinés de 60° à 80° sur l'horizontale. L'espacement des barreaux varie de 6 à 100 mm et la vitesse moyenne de passage entre ceux-ci est comprise entre 0,60 et lm/s. Ces éléments sont ensuite éliminés avec les ordures ménagères. 1.2-

Le dessablage

Le dessablage a pour but d'extraire des eaux brutes les graviers, sables et particules minérales plus ou moins fines, de façon à éviter les dépôts dans les caniveaux et conduites, à protéger les pompes et autres appareils contre l'abrasion, à éviter de surcharger les stades de traitement suivants. Le domaine usuel de dessablage porte sur les particules de granulométrie supérieure à 200 microns. Une granulométrie inférieure sera du ressort de la décantation.

72

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. Le problème de dessablage des eaux urbaines est relativement ardu car le technicien se trouve en présence d'un milieu très hétérogène duquel il n'est pas simple d'extraire exclusivement du sable. On désire, en effet, séparer les sables des autres matières présentes dans les eaux, et en particulier des matières organiques, de telle sorte que les sables n'amènent pas de nuisances, ce qui est généralement, malaise. Dans le cadre de ce projet nous dimensionnerons uniquement le dessableur. 1.3-

Le dégraissage

Le dégraissage vise à éliminer la présence de graisse dans les eaux usées, graisses qui peuvent gêner l'efficacité des traitements biologiques qui interviennent ensuite. Le dégraissage s'effectue par flottation. L'injection d'air au fond de l'ouvrage permet la remontée en surface des corps gras. Les graisses sont raclées à la surface, puis stockées avant d'être éliminées. 2- Le traitement primaire

La pollution des eaux urbaines se trouve sous la forme d'insolubles et en solution; la part de la fraction particulaire représente en moyenne 70% de la pollution organique des effluents, mesurée par la DCO et la DBO5. Les traitements primaires sont constitués par des techniques physiques de séparation par décantation gravitaire des matières solides du liquide qui le contenait, processus faisant appel à la grosseur et au poids spécifique des particules. La décantation primaire présente un intérêt certain en épuration dans la mesure où sans addition préalable de réactifs chimiques, elle assure l'élimination par sédimentation des matières en suspension décantables (qui présentent une taille généralement supérieure à 50µ). Elle garde toujours l'avantage essentiel du coût d'élimination le plus faible de la DBO 5 en exploitation, tout en permettant une réduction de la pollution des effluents bruts:  de 40 à 60% des matières en suspension,  et de 25 à 40% de la DBO5 et de la DCO. Le traitement primaire a pour but l'élimination d'une fraction importante des MES (50% à 60% des MES totales, 80% à 90% des MES décantables). Les procédés utilisés peuvent être physiques (décantation, flottation) et éventuellement physico-chimiques. La décantation primaire classique consiste en une séparation des éléments liquides et des éléments solides sous l'effet de la pesanteur. Les matières solides se déposent au fond d'un ouvrage appelé décanteur pour former les boues primaires. 3- Le traitement secondaire

Le traitement secondaire ou la clarification a pour objet de poursuivre l'épuration de l'effluent provenant du décanteur primaire. Il consiste en la séparation du floc biologique et de l’eau épurée. Elle s’effectue dans un clarificateur (décanteur secondaire) où l’eau épurée est

73

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. évacuée en surverse par goulotte alors que les boues sont récupérées au fond de l’ouvrage pour être recirculées dans le bassin de boues activée et, pour une partie (boues en excès), envoyée au traitement des boues. En outre il peut être appliqué un traitement tertiaire à l’effluent traitement. II-

issu de la filière de

Données de base et méthodologie

1. Paramètre de dimensionnement -

Population Ratio de consommation

: 3.000, 5.000, 10.000, 50.000, 100.000 hbts : 100 L/habitant/jour

Eaux brutes :

- DBO -

MeS NH4+

: 250 mg/L, DBO5 soluble : 250 mg/L, Matières volatiles : 30 mg/L

: 2/3 DBO5 Totale : 80% MeS

Niveau de rejet :

- DBO5 - MeS - NH4+

: 10 mg/L : 10 mg/L : 4 mg/L

Charge hydraulique superficielle :

- DP - DS

: 30-70 m3/m2/jour : 20-40 m3/m2/jour

Temps de séjour hydraulique :

- DP et DS - BA Concentration de boues : - Primaires - Biologiques - Teneur en liqueur mixte

: 3 heures : 8 heures : 2-4% : 0,5-1,0% : 1600-2000 mg/L

2. Caractéristiques de la station Notre station de traitement par boues activées comprend :  un dispositif de prétraitement composé d’un (1) dessableur ;  un dispositif de traitement primaire composé d’un décanteur primaire et d’un (1) réacteur (bassin d’aération) ;

74

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.  un dispositif de traitement secondaire composé d’un clarificateur ou décanteur secondaire. 3. Méthodologie La méthodologie adoptée consistera à :  Calculer les dimensions du dessableur, du décanteur primaire, du bassin d’aération et du décanteur secondaire ;  Calculer l’âge des boues ;  Calculer le volume d’air pour l’élimination de la pollution carbonée avec ou sans nitrification ;  Calculer la puissance des aérateurs ;  Calculer les quantités de boues primaires et biologiques ;  Calculer la capacité des pompes de succion ;  Proposer une filière de traitement des boues;  Calculer le volume des digesteurs de boues ;

III-

Caractérisation des différents ouvrages du procédé à boues

III.1- Dessableur On calculera la section du dessableur de manière que la vitesse de l’eau ne descende pas audessous de 0,30 à 0,20 m/s ; on évite ainsi que les matières organiques se déposent en même temps que les sables. Nous avons opté pour un dessableur rectangulaire aéré. Cet ouvrage est calculé avec un temps de séjour d’environ 3 à 5 minutes, une charge hydraulique de 50 m 3 d’eau par m2 de surface libre et par heure. Il a été dimensionné en utilisant les formules de calcul suivantes :  Temps de séjour : Ts = 4 minutes  Charge hydraulique superficielle : CHS=50 m3 / m2 . h  Débit d’entrée ou débit d’eaux usées à traiter L Qe habitant ¿ poulation ( hab ) × ratio de consommation( ) j Qe  Surface ( m2 ¿ : S= 24 ×CHS Q × HRT  Volume : v = e kg mg ×concentration( ) de matières polluantes  Flux ( )=Qe j L

75

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

Tableau 39: calcul des flux des matières organiques

Concentration mat. Organiques

flux de matières organiques

population ratio de consommation débit d'eau usée à traiter DBO5 MeS MVS +¿ NH ¿4 DBO5

3000 100 300 166.67 250 200 30

5000 100 500 166.67 250 200 30

10000 100 1000 166.67 250 200 30

50000 100 5000 166.67 250 200 30

100000 100 10000 166.67 250 200 30

50

83.33

166.67

833.33

MVS MeS +¿ NH ¿4 DBO5 MeS +¿ NH ¿4 DBO5

60 75 9

100 125 15

200 250 30

1000 1250 150

1666.6 7 2000 2500 300

10 10 4

10 10 4

10 10 4

10 10 4

10 10 4

47

78.33

156.67

783.33

MeS +¿ NH ¿4

72 7.8

120 13

240 26

1200 130

1566.6 7 2400 260

Niveau de rejet

flux à traiter

Tableau 40: récapitulatif du dimensionnement du dessableur Population débit d'eau usée à traiter temps de séjour HRT (mn) charge hydr sup CHS Surface

3000 300 4 50 1.39

5000 500 4 50 2 .31

Volume

0.83

1 .39

Hauteur

0.60

0 .60

Longueur Largeur

76

10000 1000 4 50 4. 63 2. 78 0. 60

1.39 1

50000 5000 4 50 23.15

100000 10000 4 50 46.30

13.89

27.78

0.60

0.60

23.15 2.31 1

4.63 1

1

46.30 1

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. III.2- Décanteur primaire  Nous avons opté pour un décanteur circulaire avec racleur des boues ; il a été dimensionné comme suit : Temps de séjour ou Hydraulic Retention Times HRT = 3 heures ;  Charge hydraulique superficielle : 30-70 m3/m2/jour ;  Débit d’entrée ou débit d’eaux usées à traitement ; L Qe habitant ; ¿ poulation ( hab ) × ratio de consommation( ) j Qe  Surface ( m2 ¿ : S= 24 ×CHS ×Q  Volume = HRT e ; V  Profondeur du décanteur (m) : H= S  4% ≤ Pente ≤10

Source : mémoire de Sandrine RAJASSE à VINCI construction Figure 6: Décanteur primaire avec pont racleur Tableau 41: recapitulatif du dimensionnement du décanteur primaire Population débit d'eau usée à traiter temps de séjour HRT charge hydr sup CHS Surface Volume Hauteur Rayon

77

3000 300 3 30 9. 38 37. 50 4. 00 1.

5000 500 3 30 15. 63 62. 50 4. 00 2.

10000 1000 3 30 31. 25 125. 00 4. 00 3.

50000 5000 3 30 156.2 5 625.0 0 4. 00 7.

100000 10000 3 30 312. 50 1 250.00 4. 00 9.

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

Pente

73 10

23 10

15 10

05 10

97 10

III.3- Bassin d’aération Le bassin d’aération (réacteur) constitue le cœur même du procédé, dans lequel s’effectue le métabolisme bactérien à l’origine du phénomène aboutissant à l’épuration. Il est C (¿¿ m) qui s’exprime par le rapport entre la ¿ pollution appliquée journellement, en kg DBO5, et la matière épuratrice, en kg de poids sec des boues contenues dans le réacteur biologique. Ainsi on a : caractérisé par sa charge massique

Cm =

L o × Qe St × V

Avec : Cm en kg DBO5/kg MeST/j des boues en aération V ( m3 ¿ : volume du bassin d’aération kg S t 3 : concentration en MeST des boues en aération m mg Lo : concentration moyenne en DB05 de l’eau à traiter L

( )

( )

m3 ) : débit journalier d’eaux résiduaires à traiter j Lo × Q e (Kg DBO5/j) : charge polluante journalière traitée

Qe (

Une revanche de 0,5 m sera ajoutée sur la hauteur H afin d'éviter le déversement du liquide lors de l'agitation. Par suite les boues étant en faible charge, la concentration en MeST des boues étant donnée et la charge polluante journalière déterminée, on en déduit le volume du bassin d’aération. Nous avons opté pour un bassin d’aération circulaire à insuffisance d’air. Ainsi on a :  Temps de séjour ou Hydraulic Retention Times HRT = 8 heures V  Surface ( m2 ¿ : S= H  Profondeur du décanteur (m) : H= 3 à 5

78

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

Source : mémoire de Sandrine RAJASSE à VINCI construction Figure 7: rampe d’aération – bassin d’aération - agitateur banane Tableau 42: récapitulatif du dimensionnement du bassin d’aération Population débit d'eau usée à traiter temps de séjour HRT (HEURES) charge hydr sup CHS concentration de DBO5 soluble teneur en liqueur mixte charge massique (kg DBO5/kg MV*j) Volume Surface Hauteur Rayon Am B DBO5 éliminé âge des boues (jour)

79

3000 300 8 70 166. 67 2 000 0 .10 250. 00 62 .50 4 .00 4 .46 0 .66 0. 065 151.5 47 2 .30

5000 500 8

10000 1000 8

70 166. 67 2 000 0. 10 416. 67 104. 17 4. 00 5. 76 0. 66 0.0 65 151.5 47 2. 30

70 166. 67 2 000 0 .10 833. 33 208. 33 4 .00 8 .14 0 .66 0.0 65 151.5 47 2 .30

50000 5000 8

100000 10000 8

70 166. 67 2 000 0. 10 4 166.67 1 041.67 4. 00 18. 21 0. 66 0.0 65 151.5 47 2. 30

70 166. 67 2 000 0. 10 8 333.33 2 083.33 4. 00 25. 75 0. 66 0.0 65 151.5 47 2. 30

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.



Calcul de l'efficacité du traitement

La qualité de l'effluent est appréciée par la DBO à la sortie qui est calculée à partir de la relation: L = exp (-KB Ts) Lo Avec: Lo = DBO5 des eaux brute ; L= DBO5 de l’effluent traité ; K = constante de Ekenfelder = 0,15 ; B = concentration des boues = 2 g/l ; L = 0,0907 LO Or So =166,67 mg/l d’où S = 15,88 mg/l = la DBO5 à la sortie du bassin d’aération Cette concentration étant supérieure à la concentration de rejet (10 mg/l) alors notre effluent sera conduit dans un autre bassin nommé clarificateur ou décanteur secondaire La DBO5 éliminé vaut donc 166,67 - 15,88 = 150,79 mg/l III.4- Décanteur secondaire ou clarificateur Son dimensionnement est le même que celui du décanteur primaire.  Temps de séjour ou Hydraulic Retention Times HRT = 8 heures  Charge hydraulique superficielle : 20-40 m3/m2/jour Qe  Surface ( m2 ¿ : S= 24 ×CHS ×Q  Volume = HRT e V  Profondeur du décanteur (m) : H= S ≤ ≤10  4% Pente

80

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

Source : mémoire de Sandrine RAJASSE à VINCI construction Figure 8: Clarificateur

Tableau 43:recapitulatif du dimensionnement du décanteur secondaire Population

3000

5000

10000

50000

100000

débit d'eau usée à traiter temps de séjour HRT charge hydr sup CHS Volume

300 3 20

500 3 20 62. 50 25. 00 2. 50 2. 82

1000 3 20 125. 00 50. 00 2 .50 3 .99

5000 3 20 625. 00 250. 00 2. 50 8. 92

10000 3 20 1250.0 0 500. 00 2. 50 12. 62

37 .50

Surface

15 .00

Hauteur

2 .50

Rayon

2 .19

81

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. IVAge des boues L’âge des boues A est le rapport entre la masse de boues présentes dans le réacteur et la masse des boues journalières extraites de la station. La production journalière de boues biologiques en excès a été donnée. Si on appelle : Xv la concentration en matière volatiles dans le bassin d’aération, V le volume de ce dernier, am kg de biomasse détruite par kg DBO 5 et b fractionmassique détruite il vient : X V .V A am  DBO5éliminée - b  X v  V La valeur de l’âge des boues est contenue dans le tableau récapitulatif de calcul du bassin d’aération V-

Calcul du volume d’air pour l’élimination de la pollution carbonée avec ou sans nitrification

Au niveau du bassin d’aération, le système d’aération doit fournir une quantité d’oxygène suffisante pour satisfaire les demandes carbonée et azotée. Il doit aussi assurer une dispersion adéquate de l’oxygène dissous. Les besoins réels en oxygène doivent d’abord être calculés. La demande carbonée est déduite du modèle d’Eckenfelder en calculant la DBO5 enlevée, alors que la demande azotée est établie en fonction de la charge en NH 4 appliquée, c’est-à-dire, en supposant 100% de nitrification de l’azote ammoniacal. 

Détermination de la demande en oxygène

La demande en oxygène (DO) est la quantité d’oxygène nécessaire au niveau du bassin d’aération pour atteindre le niveau de traitement souhaité.  Sans nitrification, cette demande en oxygène est de deux natures : 

Besoins en oxygène pour l’oxydation de la DBO5 (DO1)

La synthèse bactérienne est assimilable à la dégradation du glucose qui se traduit par l’équation suivante : 6 C6 H 12 O 6 + 4 NH 3 +16 O2 → 4 C5 H 7 NO 2 +16 CO2 +28 H 2 O DO1=a' × masse de DBO5

éliminée

Avec : a' =consommation d ' oxygène à des fins énergétiques( 

kg O2 DBO5 ) kg

Besoins en oxygène pour la respiration endogène (DO2)

La respiration endogène ou l’auto-oxydation se traduit par l’équation suivante :

82

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

4 C 5 H 7 NO 2+ 20O2 →20 CO 2+ 4 NH 3+ 8 H 2 O '

DO2=b × masse de MVS Avec b' =consommation d ' oxygène pour l ' auto−oxydation(

kg O2 ) kgMVS

 Avec nitrification, aux besoins précédents s’ajoutent : 

Besoins pour la nitrification de l’ammoniaque (DO3)

L’équation de nitrification est +¿ ¿ −¿+2 H ¿ +¿+2 O 2 → 2 N O 3 ¿ N H4

+¿ +¿ nitrifiée ×masse de N H ¿4 D O3=4,17 g de O2 /g de N H ¿4

éliminée



Détermination du volume d’air (pour une population de 3000 hbts)

On sait que l’air contient 21% d’Oxygène. Détermination les différents besoins DO1, DO2 et DO3. Calculons la charge massique Cm : On a : Cm = 0,1 Kg DBO5/Kg MeST/j donc on a D’où : DO1=0,65×(151,546 ×300) ×10−3 DO1=29,54 kg O2 / j DO2=0,06× ( 200 ×300 ) ×10

−3

DO2=3,6 kg O2 / j +¿ ⌋ ⌊ NH ¿4

83

éliminé

=

+¿ ⌋ ⌊ NH ¿4

-

+¿ ⌋ ⌊ NH ¿4

exp (-kB Ts)

'

a =0,65

et

'

b =0,06

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

B : concentration de boues K : concentration d’Eckenfelder +¿ ⌋ × exp (-0,15 ×2 ×8 ) ⌊ NH ¿4 éliminé = 30 - 30 +¿ ⌋ ⌊ NH ¿4 éliminé =27,278 mg/l D’où DO3=4,57 × ( 27,278 ×300 ) ×10−3 DO3=37,398 kg O2 / j 

Volume d’air sans nitrification :

V air =

× ( DO + DO ) ( 100 21 )

V air

= 157,809 kg 02/j

1

2

La masse volumique de l’air vaut : 1,293 kg/m3 V air =122 m3 air/j 

Volume d’air avec nitrification

V air =

× ( DO + DO + DO ) ( 100 21 ) 1

2

3

V air =335,89 kg 02/j V air =259,78 m3

air / j

Tableau 44: détermination du volume d’air Population Débit volume du bassin d'aération DBO5 éliminé Besoins en O2 pour oxyder la DBO5 (DO1)

84

3000 300 2 50.00 15 1.547 29.55

5000 500 416. 67 151.5 47 49. 25

10000 1000 833 .33 151. 547 98 .51

50000 5000 41 66.67 15 1.547 4 92.53

100000 10000 8333. 33 151.5 47 985. 06

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. MVS

2 200

Besoins en O2 pour la respiration endogène (DO2) NH4+ éliminé Besoins pour la nitrification de l’ammoniaque (DO3) besoin en O2 sans nitrification kg O2/j besoin en air sans nitrification (kg air/j) masse volumique de l'air (kg/m3) volume d'air sans nitrification (m3 air/j) besoin en O2 avec nitrification kg O2/j besoin en air avec nitrification (kg air/j) volume d'air avec nitrification (m3 air/j) VI-

00

200 6.

3.60

00

200

2

.00 27.2

7.278

78

37.40

33

33.15

58

27.

62.

559.

57.87 1.293

92 1.293

00 2

7.278 124

.66

1

120. 60.00

278 117.

200

12

6 23.31

235 .17 1119. 85 1.293

27.2 78 1246. 63

117 5.84

2351. 68

55 99.24 1.293

1198.48 1.293

4 122

33

866 117.

70.55

8

58 3

559.

35.95 25 9.826

92 433.0 43

4330 235

.17 1119. 85 866. 085

117 5.84 55 99.24 4330 .426

661 2351. 68 11198.4 8 8660.85 2

Puissance des aérateurs

Les équipements du bassin d’aération ont un double but: apporter aux microorganismes aérobies l’oxygène dont ils ont besoin et provoquer une homogénéisation ainsi qu’un brassage suffisant aux fins d’assurer un contact intime entre la biomasse épuratrice, les éléments polluants et l’eau oxygénée. Ces équipements consistent souvent en un appareil ou un ensemble d’appareil placés dans le bassin d’aération. On distingue ainsi :  les aérateurs de surface ;  les systèmes d’aération par air surpressé ;  les systèmes d’aération à base de pompe. Notre choix s’est porté sur des aérateurs par air surpressé avec disque poreux DP230. Ils présentent les avantages suivants :  une bonne résistance à la plupart des produits chimiques agressifs concentrés ;  de fines bulles ( ∅. Ces coûts d’investissement unitaires se décomposent en :  Terrains et aménagements généraux : 35% ;  Traitement préliminaires, primaires et secondaires : 45% ;  Traitement des boues : 20%.

92

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées.

Le coût d’investissement est calculé par : 55000CFA /éq . hab ×7408=407 440 000 FCFA Tableau 49: Coût global des installations de la step de type boues activées Populations 3 000 5 000 10 000 50 000 DBO5/éq.-hab. (g/jour) 54 Débit moyen (m3/jour) 300 500 1000 5000 Concentration en DOB5 (g/m3) 400 400 400 400 Nbre d'éq.-hab 2222 3704 7407 37037 coût unitaire (FCFA) 55000 Coût global des investissements en 122 204 407 204 million(FCFA) II-

100 000 10000 400 74074 407

ETUDE FINANCIERE DE LA STEP DE TYPE LAGUNAGE NATUREL

Dans les conditions normales d'implantation, une lagune de quatre bassins coûte environ entre 40 et 65 % du prix d'une step classique à boues activées. 

Coûts d'investissement ou frais fixes

le coût de la lagune se décompose en : - achat du terrain (terre, en général, de faible valeur agricole) ; - travaux de terrassements et exécution des digues, étanchement et protection contre les rongeurs ; - travaux annexes (mise en place de clôtures et des petits ouvrages d'entrée et de sortie des effluents), dispositifs divers (dégrillages, vannes...).

Tableau 50:Coût global des investissements des installations du lagunage naturel Populations

3 000

5 000

10 000

50 000

100 000

DBO5/éq.hab. (g/jour) Débit moyen (m3/jour) Concentration en DOB5 (g/m3) Nbre d'éq.hab Coût global des

54 300 400

500 400

1000 400

5000 400

10000 400

2222 61.11

3704 101.85

7407 203.70

37037 1018.52

74074 2037.0

93

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. investissements (FCFA) III-

million

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ETUDE FINANCIERE DE LA STEP DE TYPE LAGUNAGE AERE

L'évaluation du coût du lagunage aéré peut être faite à partir de celle de la step naturelle en ajoutant un coefficient de majoration donné et lié à la consommation d'énergie pour l'aération des bassins. Tableau 51:coefficient de majoration pour évaluation du coût du lagunage aérée Capacité de la station (éq.hab) 10000 10000 à 50000 50000 à 100000 Plus de 100000

Majoration (%) 6à8 10 à 12 11 à 13 13 à 15

Tableau 52: Coût global des investissements des installations du lagunage aéré Populations 3 000 5 000 10 000 50 000 100 000 DBO5/éq.hab. (g/jour) 54 Débit moyen (m3/jour) 300 500 1000 5000 10000 Concentration en DOB5 400 400 400 400 400 (g/m3) Nbre d'éq.hab 2222 3704 7407 37037 74074 coût unitaire (FCFA) 55000 Coût global de 61.11 101.85 203.70 1018.52 2037.04 l’investissement (FCFA) Coefficient de majoration 4 4 6 10 12 (%) Coût global des 63.56 105.93 211.85 1059.26 2118.52 investissements (FCFA) CHAPITRE V : ETUDE COMPARATIVE DES STEP Selon l'objectif visé, le niveau de traitement respecte les normes fixées. Les différents rendements épuratoires obtenus montrent que toutes ces solutions fournissent des niveaux de traitement convenables et voisins. Cette étude montre que l'efficacité du traitement ne dépend pas du type de step. De ce fait, elle n'est pas un facteur prépondérant pour le choix de l'installation d'une step. I-

Avantages et inconvénients des step

I.1- Avantages et inconvénients du lagunage naturel 

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avantages

Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. -

 -

Le prix de revient est peu élevé là où le terrain est abondant et disponible, c'est à dire en zone où le problème de terrain ne se pose pas; les entretiens sont réduits, on n'a pas souvent besoin de main d'œuvre spécialisée; les étangs de stabilisation supportent très bien la dilution de la charge, de même que les variations brusques de charges et de débits. inconvénients des step naturelles les stations exigent de grandes surfaces à cause du temps de séjour nécessairement long. Elles sont donc adaptées là où le terrain est bon marché et abondant; ces grandes surfaces d'équilibre peuvent favoriser le développement de moustiques parfois vecteurs de maladies, surtout dans les pays tropicaux; les risques d'odeurs désagréables sont souvent élevés quand les bassins sont mal entretenus.

I.2- Avantages et inconvénients du lagunage aéré  -

Avantages et inconvénients des step semi-naturelles ces systèmes essaient de tirer à la fois des avantages fonctionnels des systèmes classiques et des systèmes naturels, car ils sont à cheval entre ces deux; ils ont l'inconvénient de coûter plus chère que les systèmes naturels.

I.3- Avantages et inconvénients des step à boues activées  -

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II-

les avantages des step classiques le temps de séjour est relativement court (quelques heures) et par conséquent, une emprise au sol des installations modérée pour traiter les débits d'eaux usées importants ; ces stations très élaborées peuvent être adaptées à des industries particulières très polluantes. les inconvénients des step classiques ces stations exigent une bonne régularité de la charge et du débit des eaux usées, ce qui implique nécessairement que les égouts collectent des rejets provenant de grandes agglomérations; ces stations demandent souvent une charge polluante assez élevée, car elles supportent assez mal la dilution. Par conséquent, le réseau d'égout doit être de type séparatif, or l'installation du collecteur d'eaux usées est toujours extrêmement coûteuse ; l'épuration tertiaire n'est pratiquement jamais réalisée à cause de son prix exhorbitant ; ces stations sont très coûteuses pour de petites et moyennes collectivités. De plus, leur maintenance exige un personnel hautement qualifié et des frais d'entretien élevés. Proposition d’un type de step

En plaçant les systèmes étudiés dans le contexte de notre pays, il ressort que le facteur financier est le plus déterminant quant au choix final de la station à installer. Concernant la

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Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. qualité du traitement, les caractéristiques de l'effluent ne présentent pas de grandes différences: «les unes comme les autres ont fait leurs preuves partout dans le monde et pour autant qu'elles soient bien dimensionnées, elles donnent des résultats remarquables ». Cependant, si on fait une analyse du type de station à adopter sur l'impact économique et environnemental, la station d'épuration à boues activées vient en pôle position. En effet, ce type de station occupe moins d'espace qu'une station naturelle ou semi-naturelle. Ce qui donnera plus d'espace pour la mise en place d’autre structure , facteur de développement économique. Ils sont aussi à l'abri des pertes d'eau importante par évaporation à l'opposé des stations naturelles ou semi naturelle. En plus ces dernières étant des gîtes de développement des moustiques, vecteurs de maladies contagieuses (paludisme par exemple), ne vont pas de paire avec une bonne promotion touristique.

CONCLUSION GENERALE Au terme du temps assigné à notre Projet de Fin d’Etudes, sans prétention aucune, nous pouvons affirmer que l’objectif essentiel a été presque atteint. Même si le dicton affirme « autant de têtes, autant de pensées », les idées maîtresses menées au cours de cette demeurent. Pour le traitement des eaux résiduaires trois systèmes d’épuration ont été proposés ; toutes ces filières de traitement ont donné des résultats satisfaisant les exigences épuratoires des normes ivoiriennes. Notre choix a porté sur la station à boues activées. Ce choix est motivé par l'impact économique et environnemental de ce type de step. En effet compte tenu de la valorisation agricole nécessitant la quantité maximale d'eau traitée, de l'espace qu'elle est susceptible de libérer et des risques de développement de foyers de moustiques au niveau des stations naturelles et semi naturelles, la station à boues activées répond mieux à nos attentes bien qu'étant la plus coûteuse. La valorisation des eaux et des boues issues du traitement est essentiellement agricole et permet de développer une activité génératrice de ressources et d'emplois pérennes.

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Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. Pour un fonctionnement durable et une meilleure rentabilité de ce type de station, quelques recommandations s'imposent :  recruter un personnel qualifié pour l'entretien et la maintenance de la station ;  établir un bon planning de maintenance des différents ouvrages de la step ;  effectuer des extractions régulières des boues pour augmenter l'efficacité du traitement ;  Mettre en place au sein de la station d'épuration un laboratoire de contrôle de la qualité des effluents traités ;  sensibiliser les cultivateurs des risques liés à une mauvaise stabilisation des boues ;  sensibiliser les hôteliers pour un contrôle des rejets de déchets toxiques ;  associer les cultivateurs de la gestion de la station ;  prévoir une extension de la station d'épuration ;  prévoir, à l'amont du prétraitement, un bassin de collecte des eaux résiduaires provenant des installations domestiques individuelles, pour éviter leur déversement anarchique dans la nature.

BIBLIOGRAPHIE Silman SY et Papa Sidy TALL, Etude de réhabilitation de la station d’épuration de SALY PORTUDAL, PFE, Ecole Supérieure Polytechnique Centre de THIES (DAKAR, SENEGAL), 2003 Marc SALIN, Béchir SELMI. Guide technique de l'assainissement. Paris, Le Moniteur, 1995. Djibril NIASSE. Epuration des eaux usées du campus de l'EPT, Projet de Fin d'Etudes, EPT, 1984. Dr N’GUESSAN BI Tozan Michel, cours de qualité et traitement des eaux, INPHB, Cycle Ingénieur de Conception.

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Sandrine REJASSE, Optimisation du fonctionnement d’une station d’épuration à boues activées de 10 000 EH, Trélissac (24), Juillet 2000 Joseph PRONOST, Rakha PRONOST, Laurent DEPLAT, Jacques MALRIEU et Jean-Marc BERLAND, Stations d’épuration : dispositions constructives pour améliorer leur fonctionnement et faciliter leur exploitation, fonds national pour le développement des adductions d’eau, Décembre 2009. DESHAYES Matthieu, Guide pour l’établissement des Plans d’Assurance de la Qualité dans le cadre de la réalisation des stations d’épuration de type boues activées en lots séparés, Juin 2008

GLOSSAIRE Aérobie : l’aérobie correspond à la présence d’oxygène libre dans un milieu. Age de boue : représente le temps de séjour moyen d’1g de boue sur la station. C’est donc le rapport la masse de boue présente dans le système (BA + clarificateur) et la masse de boue produite quotidiennement. Anaérobie : l’anaérobie correspond à l’absence totale d’oxygène dans un milieu, que se soit sous forme libre mais aussi liée. Anoxie : l’anoxie correspond à l’absence d’oxygène libre dans un milieu. L’oxygène peut toutefois être présent sous forme liée dans les composés oxydés.

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Etudes technique et financière de stations d’épuration de type lagunage naturel, lagunage aéré et boues activées. Capacité de traitement : Débits et charges maximaux de l'influent qui peuvent être traités par une installation existante de façon à obtenir un effluent traité conforme au niveau de rejet requis. Charge Hydraulique : Poids hydraulique d'une colonne d'eau de hauteur H au-dessus d'un niveau de référence, exprimée en mètre de hauteur d'eau (pour un filtre) ; Volume horaire ou journalier d’eau à traiter (pour une station d’épuration). DBO5 : La demande biochimique en oxygène est une mesure des matières organiques aisément biodégradables. C’est la quantité d’oxygène dissous dans l’eau nécessaire pour oxyder par voie biologique ces matières organiques. Cette mesure s’effectue suivant un protocole normalisé en 5 jours, d’où le terme de DBO5. Dénitrification : Conversion des nitrates en nitrites puis en N 2 O ou en azote : la dénitrification des eaux usées urbaines prend place essentiellement au niveau du traitement tertiaire où elle s'effectue en partie ou totalement par une épuration microbiologique. Eaux industrielles usées : Toutes les eaux usées provenant de locaux utilisés à des fins commerciales ou industrielles, autres que les eaux ménagères usées et les eaux de ruissellement. Eaux ménagères usées : Eaux usées provenant des établissements et services résidentiels et produites essentiellement par le métabolisme humain et les activités ménagères. Aération prolongée : Procédé d'épuration par boues activées dans lequel la phase d'aération est prolongée dans le souci de réduire la masse de matières organiques des boues produites que l'on doit ensuite traiter. Equivalent Habitants EH :Charge organique biodégradable ayant une demande biochimique d'oxygène en cinq jours (DB05) de 60 grammes d'oxygène par jour. Grandeur calculée à partir de la comparaison des eaux usées des commerces, services, industries et des eaux usées domestiques et portant sur le volume journalier d'eau usées ou d'un élément polluant. EH signifie que le calcul du nombre d’équivalents habitants prend pour base une demande biochimique des eaux usées en 5 jours de 50 g/hab.j .EH50 signifie que le calcul du nombre d'équivalents habitants prend pour base une demande biochimique des eaux usées en cinq jours de 60 g/hab.j Liqueur mixte : Pour des STEP à boues activées, on appelle liqueur mixte le mélange réalisé dans le BA entre l’effluent et la biomasse de la boue recirculée. Matières En Suspension MES: Elles représentent l'ensemble des matières solides de diverses natures, insolubles, en suspension dans les eaux usées, susceptibles d'être séparées de l'eau du fait de leur dimension ou de leur poids spécifique (par décantation ou filtration).

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Matières Sèches MS : C’est l’ensemble des matières minérales ou organiques présentes dans un milieu, qu’elles soient sous forme dissoute, colloïdale ou particulaire. Matière sèche ; siccité : quotient de la masse des solides totaux à la masse totale des boues Matières Volatiles en Suspension MVS: Elles représentent la fraction organique (dite volatile) des MES parce que calcinée à 550 °C. Le rapport MVS / MES indiquera l'organicité de l'effluent. Substrat : C’est un milieu contenant les éléments nutritifs nécessaires au développement de certains organismes.

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