Chapitre I : Caractéristiques des eaux usées urbaines I-1 Introduction : La consommation excessive des eaux par les différents secteurs (les habitants, l'agriculture et l'industrie) engendre des quantités importantes d'eaux usées dont leur rejet dans la nature sans traitement peut provoquer des graves nuisances pour la santé publique ainsi que pour l'environnement d'ordre général. L'épuration des eaux usées s'avère indispensable afin de protéger la population contre les maladies à transmission hydrique et lutter contre la pollution des eaux souterraines et les sols agricoles. Il est nécessaire alors de connaître la composition et les caractéristiques des eaux usées alimentant une station d'épuration. I-2 types de réseaux d'assainissement Dans l'assainissement collectif, on peut distinguer 3 types de réseaux d'égouts :
Réseaux unitaires : Conçus pour recueillir les eaux usées et les eaux de pluie. Ils rendent l'épuration des eaux très difficile et très coûteuse à cause des grandes variations de débit (temps de pluie) et de la forte dilution des eaux d'origine domestiques.
Réseaux séparatifs: Réservés exclusivement aux eaux usées, accompagnés d'égouts pluviaux. C'est le système le plus adopté récemment.
Réseaux pseudo-séparatifs: Destinés aux eaux usées auxquelles on a raccordé des drains de fondation et des conduites d'évacuation des eaux de toiture.
I-3 Classification des eaux usées Les eaux résiduaires comprennent:
Les eaux usées domestiques ou urbaines;
Les eaux résiduaires industrielles;
Les effluents des établissements agricoles et d'élevage;
I-3-1 Eaux usées domestiques Elles sont composées de :
Eaux ménagères (lave de linge, eaux de cuisines);
Eaux vannes (toilette) chargées de fecès et d'urine;
Eaux de lavage des voiries;
Eaux provenant des immeubles commerciaux;
Eaux de ruissellement (pluie, neige,…..).
Les eaux usées urbaines sont chargées par les matières minérales et organiques qui peuvent être solides, liquides ou gazeuses ainsi que les microorganismes (µorg). Ces matières peuvent être sous forme de débris grossiers, en suspension, colloïdales ou dissoutes. Pour que les eaux puissent être domestiques, elles doivent remplir les conditions suivantes:
Le rapport DCO/DBO5 ≤ 2;
DCO < 750 mgO2/l;
NTK < 100 mg/l.
I-3-1 Eaux usées industrielles Il apparaît difficile de pouvoir faire une classification complète des eaux résiduaires industrielles en vue :
La diversité des activités industrielles
La grande différence qui existe dans les rejets industriels de même activité (volume et degré de pollution).
Dans les pays développés, tout rejet industriel doit faire l'objet d'une autorisation et obéir aux différentes circulaires réglementaires. Cependant, il existe des prescriptions (recommandations) communes à tous les types de rejets:
Température < 30°C;
5,5 < pH < 8,5;
Aucune coloration visible du milieu récepteur;
Absence des mousses et corps flottants.
I-3-1 Eaux usées d'origine agricole Elles proviennent essentiellement de certains produits utilisés en agriculture tels que les insecticides, les pesticides, les engrais et les résidus d'origine animale. Parmi les composés organiques les plus répandus, on cite: les aminoacides, les acides gras, les esters et les détergents anioniques. Par contre, les composés inorganiques qui peuvent être se trouver, sont: Na, Ca, Mg, Cl, NO 3, SO4, HCO3. I-4 Caractéristiques physicochimiques des eaux usées urbaines Les paramètres physicochimiques d'une eau usée regroupent les paramètres suivants:
pH: Il indique l'acidité ou la basicité de l'eau usée. Dans certains cas, le pH peut être un indice de pollution. Le contrôle du pH permettra de maintenir une eau à l'équilibre (ni agressive ni incrustante). Il est important également au cours du traitement de l'eau (l'étape de coagulation/floculation, désinfection par le chlore et traitements de correcteurs). Le pH peut altérer la croissance des µorganismes. Il est mesuré à l'aide d'u pHmètre.
Température: La température de l’eau joue un rôle important en ce qui concerne la solubilité des sels et des gaz. Par ailleurs, la température accroît les vitesses des réactions chimiques et biochimiques d’un facteur 2 à 3 pour une augmentation de température de 10 °C. L’élévation de la température favorise l’auto-épuration, et accroit la vitesse de sédimentation. Elle est mesurée par le thermomètre en 3 unités (degrè Celsius °C, Kalven K°, ferhanhayte).
La turbidité: Elle est causée par la présence desmatières en suspension (MES). Les eaux usées sont très turbides à cause des grandes quantités en MES et des sables. Elle est mesurée à l'aide d'un turbidimètre en NTU. On peut réduire la turbidité durant l'étape de prétraitement. Cependant, la grande partie est éliminée durant l'étape de clarification.
Pour les trois paramètres précités, il est judicieux de les éliminer sur site ou sur terrain car ils sont très sensibles aux changements climatiques.
MES: Les matières en suspension comprennent toutes les matières minérales ou organiques qui ne se solubilisent pas dans l’eau ainsi que les argiles, les sables, les limons, les planctons et autres µorganismes de l’eau. La quantité de matières en suspension varie notamment selon les saisons et le régime d’écoulement des eaux. Ces matières affectent la transparence de l’eau et diminuent la pénétration de la lumière et, par conséquent, la photosynthèse. Elles peuvent également gêner la respiration des poissons. Elles peuvent être dosées par gravimétrie (méthodes des pesés) en mg/l ou en g/l.
On distingue : *Matières volatils en suspension (MVS = 70%MES totales), elles représentent la fraction organique des MES; * Matières minérales en suspension (MMS= 30%MES totales), elles représentent la fraction minérale des MES, c'est la différence entre les MES et les MVS; * Matières décantables qui décantent en 2h. Elles peuvent être minérales ou organiques; * Matières non décantables qui ne sont pas retenues par les décanteurs et vont vers le traitement biologique.
Demande biologique en oxygène (DBO): Elle est définie comme la concentration en O2 consommée par les µorganismes pour détruire (dégrader) les composés non azotés dans des conditions bien précises (Température= 20°C, l'obscurité et pendant un temps donnée).
En présence d'O2, les bactéries aérobies transforment ou dégradent les matières organiques (MO). Si la quantité d'O2 est suffisante l'oxydation des MO s'effectue en 2 étapes: * Oxydations des composés carbonés (glucides, lipides, protéines) qui se termine en 20 jours à 20°C. *Oxydation des composés azotés, cette réaction commence au bout d'une dizaine de jours. Très souvent, c'est la première étape seulement qui est prise comme test de la pollution. En effet, l'oxydation biologique nécessite un temps de 20 à 28 jours, on mesure dans ce cas le DBO ultime, DBO 21 ou DBO28. Puisque cette période est longue, alors on choisi par convention une mesure après 5 jours appelée DBO5. La DBO représente seulement la pollution organique carboné biodégradable. Généralement, la DCO est de 1,5 à 2 fois la DBO5 pour les eaux usées urbaines et de 1 à 10 fois pour l'ensemble des eaux usées industrielles. MO = (2DBO5 + DCO)/3 La DBO est déterminée par une loi empirique qui exprime la consommation en O2 entre deux instants. La formule est comme suit:
Lt = L0(1 – e-Kt) Tel que : Lt : la DBO à l'instant t. L0 : la DBO ultime ou maximale t : le temps en jours K : constante de vitesse de la réaction d'oxydation de la MO. Elle est en fonction de la température. KT° = K20°(1,047)T-20 La dégradation biologique de la pollution azotée se produit sous l'action des bactéries nitrifiantes et n'intervient qu'au-delà d'une dizaine de jours.
Demande chimique en oxygène (DCO): Elle représente la teneur en oxygène consommée par les matières oxydables (réductrices) dans des conditions bien définies. Cette mesure correspond à une estimation des matières oxydables présente dans l'eau quelle que soit leur origine organique ou minérale, biodégradable ou non biodégradable.
La DCO est exprimée par la quantité d'O2 fournie par du bichromate de potassium K2Cr2O7, nécessaire à l'oxydation des substances réductrices pendant 2h à l'ébullition (140 – 150°C) en milieu acide et en présence d'un catalyseur (H2SO4 + HgSO4). La DCO = DBO21(ultime) si dans l'eau considérée, toutes les matière organiques sont biodégradables. Sinon, La DCO est supérieure DBO21. Théoriquement, pour le glucose, on a : DCO/DBO5 =1,46.
Gaz dissous: Dans les eaux usées, on peut trouver des gaz provenant de la décomposition de la MO tels que: le méthane CH4, l'acide sulfurique H 2S, le dioxyde de carbone CO2, l'oxygène O2 et des gaz provenant des eaux usées industrielles tels que: le chlore Cl2, l'azote ammoniacale NH3, le monoxyde de carbone CO,….ect. Ces gaz sont toxiques ou explosifs.
Matières azotées: L'azote rencontré dans les eaux usées urbaines peut avoir un caractère organique ou minéral, il se présente sous 4 formes : *L'azote organique existant dans les eaux usées, se trouve essentiellement dans les protéines, les peptides et les acides aminés. Il se transforme en azote ammoniacal suite à décomposition biologique ou chimique; *L'azote ammoniacal (NH4+) traduit un processus d'ammonification de la MO azotée. Les ions d'ammoniums subissent une nitration sous l'action des bactéries nitrifiantes;
*L'azote nitreux (NO2 -) provient d'une oxydation incomplète de l'azote ammoniacal ou par une réduction des nitrates par dénitrification. Les nitrites sont instables et sont rapidement transformés en nitrates; *L'azote nitrique (NO3-) est produit par nitrification de l'azote ammoniacal. Il joue un rôle important dans le développement des algues et participe au phénomène d'eutrophisation. Dans les eaux usées urbaines, l'azote se trouve principalement sous la forme ammoniacale (Les formes oxydées sont de très faibles concentrations).
Matières phosphorées: dans les eaux usées urbaines, le phosphore se trouve sous formes d'ions ortho phosphates
isolés, ou sous forme d'ions phosphates condensés avec des molécules
organiques. Les ions ortho phosphates correspondent au groupement PO 43-, ils sont facilement fixés par le sol et peuvent se trouver dans les eaux souterraines.
Autres matières: En plus ces caractéristiques, les EU urbaines peuvent contenir également les métaux lourds toxiques, les sels, les huiles et les graisses et les matières colorées. A titre d'exemple, on cite le chrome, le zinc, mercure, phénols, hydrocarbures, pesticides, ….ect.
I-5 Caractéristiques bactériologiques: Les eaux usées urbaines peuvent renfermer toutes sortes de germes pathogènes (bactéries, virus, parasites). Pour évaluer le risque microbiologique d'une eau, on procède à la recherche de certains germes tests faciles à isoler et à dénombrer dans les principaux sont :
les coliformes fécaux ou les thermotolérants (Echirechia coli);
les streptocoques fécaux;
coliformes totaux;
les clostridium sulfitoréducteurs.
Ces germes peuvent se trouver dans les matières fécales mais également vivre et se multiplier dans les milieux naturels. Ces bactéries sont pathogènes et sont indice de la présence d'autres bactéries plus pathogènes telles que salmonelles (thyphoïde), vibro cholérique, … ect. I-6 Normes de rejet: Les normes sont des concentrations limites à ne pas les dépasser. Il existe différents types de normes tels que : Normes de potabilisation, normes de rejet et normes de réutilisation, qui sont liées à la qualité d'eau concernée. On peut également avoir d'autres genres de normes qui sont liés à l’organisme ou au pays concerné telles que : normes de l'OMS, normes européennes, normes françaises, canadiennes; …ect. Les teneurs maximales en matières polluantes qui pourront être rejetées dans un milieu récepteur, sont appelées normes de rejets. Elles répondent à des lois ou directives nationales ou internationales qui peuvent être adoptées localement par arrêté préfectoral.
Chapitre II : Analyse des eaux usées et évaluation des débits II-1 Introduction Analyser une eau usée s'avère d'une grande importance afin de déterminer les différentes caractéristiques nécessaires pour apprécier sa qualité et prévoir par conséquent les traitements ultérieurs indispensables. Cependant, l'opération qui précède les analyses, appelée prélèvement et échantillonnage, a également un grand intérêt car elle conditionne les résultats d'analyse. II-2 Prélèvement et échantillonnage Le prélèvement de l'échantillon et sa conservation conditionne les résultats d'analyse ainsi que l'interprétation qui en sera donnée. L'échantillon prélevé doit être homogène et représentatif de l'effluent. Il doit être conservé dans des bonnes conditions, à défaut, ses caractéristiques subiront une transformation entre le moment du prélèvement et celui de l'analyse ce qui induit par la suite à une falsification des résultats. L'échantillonnage doit se faire plusieurs fois à des profondeurs différentes, puis on prendra la moyenne des résultats d'analyse obtenus. Paramètre
Technique ou produit à utiliser
Temps max de non évolution
DCO
2ml de H2SO4 concentré
7 jours
DBO
Réfrigération à 4°C
6 heures
NTK
Réfrigération à 4°C
7 jours
NO2-
Réfrigération à 4°C
7 jours
NO3-
Réfrigération à 4°C
7 jours
II-3 Analyse des eaux usées urbaines Dans le but d'apprécier la qualité des eaux usées urbaines, l'analyse des paramètres de la pollution est une étape indispensable. Les paramètres à analyser sont: température, pH, MES, DBO5, DCO, NTK, NO3-, NO2-, PO43-, huiles et graisses et les métaux toxiques si le réseau d'assainissement est unitaire. Pour analyser les eaux usées urbaines, divers équipements et appareillages sont utilisés tels que: pH mètre, centrifugation, absorption atomique, spectrophotomètre de UV, méthode potentionmétrique (pour les éléments spécifiques fluor, cadmium, plomb), multiparamètre et les méthodes volumétriques. Pour les paramètres biologiques, on procède à analyser les coliformes fécaux, coliforme totaux, streptocoques fécaux et clostridium. II-4 Notion d'équivalent L’équivalent-habitant (noté EH) représente la quantité moyenne de la pollution rejetée par jour par chaque habitant et par les équipements. A savoir, que la pollution rejetée par les équipements est estimée à 30% des habitants. 1EH = 1,3 habitant
Les charges spécifiques de la pollution étant définit comme les valeurs unitaire de pollution correspond au rejet journalier standard d'un EH pour divers paramètres. 1 EH rejette : * DBO5 = 60 g/hab/j
* DCO = 120 g/hab/j
* MES= 70 g/hab/j
* M azotées = 14 g/hab/j
* M phosphorées = 4 g/hab/j
pour Q = 150 à 200 l/hab/j
D'une manière générale, la production de la pollution est inférieure aux valeurs définies. Il existe différents facteurs qui peuvent influencer les valeurs de l’équivalent habitant telles que: • Données climatiques. • Taille de l’agglomération. • Le développement d’urbanisation. • Le mode de vie des habitants. • Le mode d’utilisation de l’eau potable. • Le type de réseau de collecte des eaux usées. • L’importance des eaux parasites II-5 Notion de la biodégradabilité La biodégradabilité est un phénomène complexe qui concerne les différentes
transformations des
polluants dans l'eau sous l'action des µ-org. Pour que ces derniers puissent se développer, ils ont besoins d'éléments nutritifs qui sont C,N,P et le S dissous en eaux. Dans les eaux superficielles, il existe les phénomènes d'autoépuration qui constituent en la dégradation des charges organiques polluantes sous l'action des µ-org, mais cette dégradation est faible et prend beaucoup du temps. Dans les stations d'épuration, les mêmes phénomènes se produisent mais dans des conditions artificielles (amplification de nombre de µ-org, O2 dissous abondants, temps limité) afin d'assurer la rapidité de ces processus ainsi que d'aboutir à un bon rendement épuratoire. La biodégradabilité est l'aptitude des eaux usées à la dégradation biologique, elle est présentée par le rapport DCO/DBO5. Si
DCO/DBO5 ≤ 1,5, l'eau usée a une bonne biodégradabilité; 1,5 < DCO/DBO5 < 2,5 , l'eau usée a une moyenne biodégradabilité; 1,5 < DCO/DBO5 < 2,5 , l'eau usée a une faible biodégradabilité; elle nécessite un traitement
physicochimique. II-6 Estimation des débits Les débits d'eaux usées rejetées sont calculés à partir des débits d'eaux consommées. Le débit moyen journalier consommé est calculé comme suit: Qmoyjc = (Qpop+Qéquip)x1,2
Tel que : Qmoyjc : débit moyen journalier consommé (m3/j); Qpop: Débit de la population (m3/j); Qéquip : Débit d'équipements (m3/j); 1,2 : coefficient de majoration. Par contre, le débit de la population est déterminé par la relation suivante: Qpop = NbxDx10-3 Qpop: débit de la population (m3/s) Nb : Nombre d'habitants D: dotation (l/hab/j) Le débit moyen journalier rejeté est calculé par la formule: Qmoyjr = Qmoyjc x Kr Qmoyjr : Débit moyen journalier rejeté (m3/j); QmoyjC : Débit moyen journalier consommé (m3/j); Kr: coefficient de rejet (0,6 - 0,8) Le débit rejeté horaire (Qrh) se calcule comme suit: Qrh = Qmoyjr/24
(m3/h)
Le débit rejeté de point est déterminé à partir du débit rejeté horaire: Qrp = Qrh x Cp Qrp : débit rejeté de point (m3/h); Qrh : débit rejeté horaire (m3/h); Cp: Coefficient de pointe Si Qrh ≤ 2,81 alors Cp = 3 Sinon Cp = 1,5 + 2,5/( Qrh(l/s)) Qpl (pluie) = Qrh + QrhxKpl Kpl : Coefficient de dilution (3 à 5)
Réseau unitaire, Qrmax = Qpl
Réseau séparatif, Qrmax = Qrp
II-7 Paramètres de dimensionnement Afin de dimensionner une station d'épuration, divers paramètres s'avèrent de les acquérir tels que:
Type du réseau d'assainissement;
Nombre d'équivalent habitant (EH);
Rejet spécifique (l/hab/j)
Débits rejeté d'eau usée (débit rejeté moyen, horaire, de pointe et maximal);
Charges polluantes (DBO, DCO,MES, NTK,…ect)
Levé topographique de la ville concernée;
Eude géologique du lieu d'implantation de la step.
Les analyses effectuées sur les eaux usées ne reflètent pas la pollution exacte de ces eaux car la qualité des eaux usées varie rapidement dans le temps et dans l'espace. Les résultats d'analyses représentatifs d'une eau usée doit être la moyenne des séries d'analyses effectuées toute l'année et à différentes profondeurs dans le lieu de rejet.
Pour ces raisons, le dimensionnement d'une station d'épuration se base généralement sur les charges polluantes spécifiques rejetées par un EH par jour. II-8 Procédés d'épuration d'E.U.urbaines Une station d'épuration comporte généralement 4 étapes principales qui sont :
Etape de prétraitement qui regroupe le dégrillage, déssablage, déshuilage-dégraissage;
Etape de traitement primaire qui comporte la décantation primaire;
Etape de traitement secondaire contient: traitement physicochimique, traitement biologique;
Etape de désinfection
La présence ou l'absence de l'une de ces étapes, est conditionnée par la qualité d'eau usée à épurer ainsi que la qualité d'eau épurée voulue en fin de traitement.
