Fonctionnement de Station d'Epuration

Optimisation du fonctionnement d’une station d’épuration à boues activées de 10 000 EH, Trélissac (24) Mémoire présenté pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de l’ENGEES

Sandrine REJASSE

Promotion Indre - Juillet 2009

Optimisation du fonctionnement d’une station d’épuration à boues activées de 10 000 EH, Trélissac (24)

REMERCIEMENTS

A l’occasion de la rédaction de ce mémoire de fin d’études je tiens particulièrement à remercier M. Pascal DAMIANI, responsable de l’agence Périgord - Vallée de la Dordogne sans qui se stage n’aurait pas été possible, ainsi que M. Jean-Christophe STUDER, maître de stage et responsable du service usine de cette agence, pour la disponibilité et la confiance qu’il m’a accordées au cours de ces six mois de stage. Je remercie la Communauté d’Agglomération Périgourdine, propriétaire des ouvrages sur lesquelles j’ai été amenée à travailler. Je souhaite également remercier Mme Loetitia JAUJARD du service d’expertise assainissement de la lyonnaise des eaux ainsi que M. Emmanuel CARRIER du CTA pour leur collaboration à ce travail. Enfin, je ne saurai oublier l’ensemble du personnel du service usine, et plus particulièrement M. Fréderic GRESIAK, chef d’usine assainissement de la communauté d’agglomération périgourdine, pour leur collaboration et leur sympathie.

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Mémoire de TFE 2009

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RESUME


Ces six mois de stage de fin d’études ont été consacrés à l’optimisation du fonctionnement d’une station d’épuration à boues activées de 10 000 équivalents-habitants, reconstruite en avril 2008 par la communauté d’agglomération périgourdine. L’objectif était alors double : d’une part, optimiser le process de l’installation, par un diagnostic (théorique et expérimental) de son fonctionnement ; et d’autre part, participer à la formation du personnel d’exploitation, via notamment la rédaction d’un manuel d’exploitation. Pour ce faire, une forte implication dans l’exploitation et le suivi de la réception de l’installation a été nécessaire. De plus, le travail d’équipe avec l’ensemble du personnel du service usine de l’agence Périgord de la lyonnaise des eaux, auquel j’étais rattachée, a été un élément clé dans l’atteinte de ces objectifs. Avec un effluent d’entrée fortement dilué par des eaux parasites, des dysfonctionnements interdépendants ont été remarqués en terme de récupération des sables et des graisses, de déphosphoration biologique, de qualité et de traitement des boues ainsi que des consommations en réactif (pour la déphosphatation physico-chimique et le traitement des boues). Malgré des dimensions d’ouvrages parfois inadaptées, des améliorations ont d’ores et déjà été mises en place pour la part process, comme la régulation des débits de recirculation, le réglage de l’aération, la régulation et la réduction de l’âge de la boue, et l’utilisation de quantités de réactifs plus adaptées. Il faudra en revanche plus de temps pour résoudre complètement certaines problématiques comme la gestion de l’âge de boue et le rendement de la déshydratation. Des études plus poussées sur ces sujets sont donc à prévoir et des investissements devront alors probablement être envisagés. En conclusion il faudra peut-être attendre plusieurs années avant de résoudre complètement les problématiques soulevées dans ce mémoire, auxquelles viendront sûrement s’ajouter d’autres dans l’intervalle.

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ABSTRACT

Working order optimization of a water treatment plant with activated sludge, designed to treat 10 000 PE unit, Trélissac (24)

These six month of internship were devoted to the working order optimization of a water treatment plant with activated sludge, designed to treat 10 000 PE unit. This water treatment plant was rebuilt in April, 2008 by the Périgourdine conglomeration community. The aim of this internship was twofold: firstly, to optimize the process of the setting up, thanks to a theoretical and experimental diagnosis; secondly, to take part in the workforce training notably through the writing of a worker’s manual. A large implication in the exploitation and the following through the setting up delivery was necessary to succeed. Moreover, the work in team, with all the staff of the factory department of the Périgord branch of lyonnaise des eaux, was the key to reach these purposes. With a highly diluted effluent by parasitical water, mutually dependant dysfunctions were brought up about the sand and fat recovery, about biological dephosphatation, about the quality and the treatment of the sewage sludge and about the reagent consumptions (for physicochemical dephosphatation and sewage sludge treatment). Despite occasionally unadapted dimensions of the masonry work, some improvements have already been carried out about the process such as flow regulation, aeration adjustment, reduction of the sewage sludge age and more adapted reagent consumptions. Nevertheless, it will take a long time to solve some problematics right through, such as sewage sludge age and dehydratation output. Therefore, these themes must be examined and some investments ought to be considered. As a conclusion, it must take years before the problematics raised in this dissertation are solved. Besides, other new problematics may appear during the time.

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SOMMAIRE

REMERCIEMENTS...................................................................................................................................1 RESUME......................................................................................................................................................3 ABSTRACT.................................................................................................................................................4 INTRODUCTION.......................................................................................................................................9 PARTIE 1 : CONTEXTE DE L’ETUDE................................................................................................11 1.

HISTORIQUE DE L’ENTREPRISE ........................................................................................................11 1.1. La lyonnaise des eaux .............................................................................................................11 1.2. Le groupe GDF Suez...............................................................................................................11 2. LA LYONNAISE DES EAUX ..............................................................................................................12 2.1. Les centres régionaux .............................................................................................................12 2.2. Les agences territoriales .........................................................................................................12 2.3. Le contrat de délégation de service public..............................................................................12 2.3.1. La délégation de service......................................................................................................12 3. LA GESTION DES EAUX USEES SUR LA COMMUNAUTE D’AGGLOMERATION PERIGOURDINE (CAP) 13 3.1. Historique et politique de gestion de la CAP..........................................................................13 3.2. Les réseaux..............................................................................................................................14 3.3. Les STEP et les PR..................................................................................................................15 4. LA STEP DE TRELISSAC ..................................................................................................................15 4.1. Généralités ..............................................................................................................................15 4.2. Les effluents.............................................................................................................................16 4.3. Le dimensionnement................................................................................................................19 4.4. La filière de traitement des eaux usées – Introduction au traitement par boues activées ......20 4.4.1. Principe du traitement par boues activées ..........................................................................20 4.4.2. Le prétraitement ..................................................................................................................21 4.4.3. Le traitement biologique : le bassin d’aération (BA)..........................................................22 4.4.4. Le traitement physico-chimique du phosphore ...................................................................24 4.4.5. Le dégazage.........................................................................................................................25 4.4.6. Le clarificateur....................................................................................................................25 4.4.7. La recirculation...................................................................................................................26 4.4.8. Traitement des graisses : BIOLIX® .....................................................................................26 4.4.9. Traitement des boues : centrifugation.................................................................................26 PARTIE 2 : OPTIMISATION ET MISE EN ROUTE DE L’USINE ..................................................29 1.

OBJECTIFS DU STAGE ET METHODOLOGIE .......................................................................................29 1.1. Les objectifs.............................................................................................................................29 1.2. Méthodologie...........................................................................................................................29 2. REVISION DU DIMENSIONNEMENT : ANALYSE THEORIQUE .............................................................30 2.1. Dessableur-dégraisseur ..........................................................................................................30 2.2. Traitement biologique .............................................................................................................31 2.2.1. Zone de contact ...................................................................................................................31 2.2.2. Zone d’anaérobie ................................................................................................................32 2.2.3. Zone d’aération : dimension et concentration selon l’âge de boue ....................................32 Sandrine REJASSE


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Optimisation du fonctionnement d’une station d’épuration à boues activées de 10 000 EH, Trélissac (24) 2.2.4. Traitement physico-chimique complémentaire pour la déphosphatation........................... 35 2.3. Clarificateur ........................................................................................................................... 36 2.4. Recirculation........................................................................................................................... 36 2.5. Filière boue............................................................................................................................. 37 3. RESULTATS DU FONCTIONNEMENT ET ANALYSES DES DYSFONCTIONNEMENTS : ANALYSE PRATIQUE ................................................................................................................................................ 38 3.1. Prétraitement .......................................................................................................................... 38 3.2.1. Le dégrillage....................................................................................................................... 38 3.2.2. Le dessablage-dégraissage................................................................................................. 38 3.2. Le traitement biologique......................................................................................................... 40 3.2.1. Age de boue......................................................................................................................... 40 3.2.2. Elimination du phosphore................................................................................................... 41 3.2.3. Elimination de l’azote : aération ........................................................................................ 43 3.3. Le traitement physico-chimique du P ..................................................................................... 46 3.4. La décantation des boues........................................................................................................ 48 3.5. L’extraction des boues............................................................................................................ 50 3.5.1. Qualité de rendement de la déshydratation........................................................................ 50 3.5.2. Durée de fonctionnement de l’extraction............................................................................ 52 PARTIE 3 : ACTIONS ET AMELIORATIONS A ENGAGER ......................................................... 53 1.

A FAIRE DES A PRESENT .................................................................................................................. 53 1.1. Des opérations de nettoyage................................................................................................... 53 1.2. Utilisation des consignes définies dans le manuel.................................................................. 53 1.3. Etude du fonctionnement du dessableur ................................................................................. 53 1.4. Essais de réduction de l’injection de FeCl3 ............................................................................ 53 2. CE QUI DEVRA ETRE FAIT DANS L’AVENIR ...................................................................................... 54 2.1. Au niveau du dessableur-dégraisseur..................................................................................... 54 2.2. Pour le traitement des graisses............................................................................................... 54 2.3. Pour le traitement biologique................................................................................................. 54 2.4. Sur la recirculation................................................................................................................. 55 2.5. Extraction et traitement des boues.......................................................................................... 55 2.5.1. Automatisation de sa gestion .............................................................................................. 55 2.5.2. Mise en place d’un épaississeur ......................................................................................... 55 PARTIE 4 : LE MANAGEMENT DE GESTION D’UN SERVICE DES EAUX .............................. 57 1. 2. 3.

LE MANAGEMENT D’UNE EQUIPE .................................................................................................... 57 LE MANAGEMENT DES CLIENTS ...................................................................................................... 57 LE MANAGEMENT BUDGETAIRE ...................................................................................................... 58

CONCLUSION ......................................................................................................................................... 59 GLOSSAIRE............................................................................................................................................. 60 INDEX ....................................................................................................................................................... 62 BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................................... 63 ANNEXES ................................................................................................................................................. 65

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LISTE DES FIGURES : FIGURE 1 : VISUALISATION GEOGRAPHIQUE DU SECTEUR CAP ................................................................................... 13 FIGURE 2 : SCHEMATISATION DES RESEAUX EP ET EU SUR LA COMMUNE DE TRELISSAC ........................................... 14 FIGURE 3 : INFLUENCE DE LA PLUVIOMETRIE SUR LE DEBIT D’EAUX USEES DU BV TRELISSAC ................................... 16 FIGURE 4 : SCHEMATISATION DU PRINCIPE D’EPURATION PAR BOUES ACTIVEES ......................................................... 20 FIGURE 5 : PHOTOGRAPHIE DU BA DE LA STEP – SANDRINE REJASSE LE 06-03-09................................................. 22 FIGURE 6 : SCHEMAS DE FONCTIONNEMENT DU BASSIN D’AERATION .......................................................................... 22 FIGURE 7 : EVOLUTION DU PHOSPHORE ENTRE ANAEROBIE ET AEROBIE [11] .............................................................. 23 FIGURE 8 : DEGRADATION ET ASSIMILATION DE LA POLLUTION DANS LE BA. [11] ..................................................... 24 FIGURE 9 : SCHEMA DE FONCTIONNEMENT DU CLARIFICATEUR ET DE L’EVACUATION DES BOUES. ............................. 25 FIGURE 10 : SCHEMA DE FONCTIONNEMENT DU CLARIFICATEUR ET DE L’EVACUATION DES BOUES. ........................... 27 FIGURE 11 : BILAN DES BOUES SUR LA STEP – SEMAINES N°1 A 13 ............................................................................ 37 FIGURE 12 : PHOTOGRAPHIES DU DEGRILLEUR DE LA STEP – JUIN 2009 – SANDRINE REJASSE ............................... 38 FIGURE 13 : PHOTOGRAPHIES DU DESSABLEUR DE LA STEP – MARS 2009 – SANDRINE REJASSE ............................ 39 FIGURE 14 : EVOLUTION DE LA CONCENTRATION DE LA BOUE D’EXTRACTION EN FONCTION DE LA CHARGE DU BA .. 41 FIGURE 15 : PRINCIPE DE LA SUR-ASSIMILATION DU PHOSPHORE [11] ......................................................................... 41 FIGURE 16 : IMPACTS DE L’AERATION JOURNALIERE PILOTEE PAR LA MESURE REDOX ............................................... 44 FIGURE 17 : EVOLUTION JOURNALIERE DE LA CONCENTRATION EN O2 –LE 05 JUIN 2009............................................ 45 FIGURE 18 : SUIVI JOURNALIER DU POTENTIEL REDOX AVEC UNE AERATION REGULIERE – LE 10 MAI 2009................ 46 FIGURE 19 : VARIATION DE LA DECANTABILITE DE LA BOUE AVEC L’INJECTION DE POLYMERE POUR LA DESHYDRATATION .............................................................................................................................................. 48 FIGURE 20 : PHOTOGRAPHIE DE LA ZONE DE CONTACT DURANT LE FONCTIONNEMENT DE LA DESHYDRATATION 16/01/2009 ......................................................................................................................................................... 48 FIGURE 21 : VARIATION DE LA DECANTABILITE ET DE LA CHARGE DU BA DANS LE TEMPS ......................................... 49 FIGURE 22 : PHOTOGRAPHIES DES SURFACES DES OUVRAGES EXTERIEUR LE 30/03/09, [MS BA] = 4 G/L. .................... 49 FIGURE 23 : BILAN DE L’EXTRACTION DE BOUE SUR LA STEP – SEMAINES 1 A 18 ...................................................... 52

LISTE DES TABLEAUX : TABLEAU 1 : CONCENTRATIONS EN POLLUANTS DE L’EFFLUENT D’ENTREE DE STEP ................................................. 17 TABLEAU 2 : RATIOS CARACTERISTIQUES DE LA POLLUTION ENTRANT SUR LA STEP ................................................. 18 TABLEAU 3 : DEBITS DE BASE DU DIMENSIONNEMENT DE LA STEP ............................................................................ 19 TABLEAU 4 : RECAPITULATIF DES CHARGES ENTRANTES UTILISEES POUR LE DIMENSIONNEMENT .............................. 19 TABLEAU 5 : DIAGNOSTIC DU FONCTIONNEMENT DU DESSABLEUR-DEGRAISSEUR ...................................................... 30 TABLEAU 6 : DIAGNOSTIC DU FONCTIONNEMENT DE LA ZONE DE CONTACT ................................................................ 31 TABLEAU 7 : DIAGNOSTIC DU FONCTIONNEMENT DE LA ZONE D’ANAEROBIE .............................................................. 32 TABLEAU 8 : DETERMINATION DE LA CONCENTRATION DE TRAVAIL OPTIMALE .......................................................... 33 TABLEAU 9 : DETERMINATION DU TEMPS D’AERATION OPTIMAL ................................................................................ 34 TABLEAU 10 : DETERMINATION DE LA DOSE DE FECL3 OPTIMALE .............................................................................. 35 TABLEAU 11 : ETUDE DU TEMPS DE SEJOUR DE LA BOUE DANS LE CLARIFICATEUR ..................................................... 36 TABLEAU 12 : DETERMINATION DU TAUX DE RECIRCULATION OPTIMAL ..................................................................... 37 TABLEAU 13 : ANALYSES DE LA CONCENTRATION EN PHOSPHORE LE LONG DE LA FILIERE ......................................... 42 TABLEAU 14 : DETERMINATION DE LA PLAGE D’AERATION OPTIMALE EN MODE CADENCE-DUREE ............................. 45 TABLEAU 15 : OPTIMISATION DE L’INJECTION EN FECL3 ............................................................................................. 47 TABLEAU 16 : OPTIMISATION DE LA DESHYDRATATION : MODIFICATIONS DES ENTREES............................................. 50 TABLEAU 17 : OPTIMISATION DE LA DESHYDRATATION : MODIFICATIONS MECANIQUES............................................. 51

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INTRODUCTION Dans les campagnes du moyen âge, l’ensemble des déchets produits par les hommes représentait un volume relativement faible par rapport aux surfaces disponibles. Dans les villes en revanche, la rue était l’ultime exutoire de ces déchets majoritairement organiques (excréments, aliments…) ce qui favorisait la prolifération des rats, et par conséquent la propagation de graves épidémies comme la peste, notamment dans les parties les plus basses des villes, soumises au lessivage par les eaux de pluie des parties hautes. Ce n’est alors qu’à l’occasion de ces épisodes de maladies que les édiles et les habitants venaient à se préoccuper de la propreté des rues. Les déchets étaient ramassés et désinfectés en dehors de la ville grâce à de la chaux vive, déjà bien connue à cette époque. Au XVIIème siècle se développe enfin les premières évacuations des eaux usées dans les plus grandes villes du pays et ce jusqu’à l’apparition du tout à l’égout, dans le courant du XIXème siècle, qui évacuera ces eaux le plus loin possible des habitations. Mais ces eaux, indésirables pour les hommes, directement évacuées vers le milieu naturel sont chargées en matières polluantes chimiques et biologiques (virus, bactéries,…) et il faudra toutefois attendre le XXème siècle pour qu’une réelle réflexion soit menée sur le devenir de ces effluents et leurs impact sur le milieu naturel (faune et flore). A la fin du XXème siècle, les hommes prennent également conscience de leurs usages contradictoires de la ressource en eau : usages alimentaires, de travail, de loisir et contamination de cette ressource par leurs rejets d’eaux usagées. Une grille « multi-usage » est même créée à cet effet en 1971, avant d’être remplacée en 2000 par un système de 4 classes de qualité (SEQEau). Mais, ce n’est qu’en 1991 qu’un véritable effort de réduction de l’impact de l’homme sur le milieu naturel est fourni avec la directive européenne relative aux eaux résiduelles urbaines (DERU). Elle impose alors aux collectivités de plus de 2000 EH de collecter et traiter ses eaux usées. En deçà, s’il existe un système de collecte, le traitement est également rendu obligatoire. Par suite, la loi sur l’eau de 1992, vient placer l’eau au rang de patrimoine national. La ressource est alors planifiée, et la police de l’eau et les sanctions administratives et légales dans ce domaine sont renforcées. Ce renforcement des sanctions est une étape importante dans l’affirmation de la volonté de résultat du pouvoir politique en place. La dernière législation dans ce domaine date de Juin 2007, et renforce un peu plus les obligations en termes de qualité de rejet, de rendement de traitement mais aussi d’auto surveillance de ces systèmes de traitement dont 45% d’entre eux sont des procédés de type « boues activées ». Ce système de traitement par boues activées étant utilisé pour les plus importantes unités de traitement, c’est à dire avec plus de 1000 habitants collectés (contre 500 habitants collectés en moyenne), il est de très loin le procédé le plus répandu en termes de population concernée.

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PARTIE 1 : CONTEXTE DE L’ETUDE 1. Historique de l’entreprise 1.1. La lyonnaise des eaux Fondée en en 1880 par le Crédit Lyonnais, la Lyonnaise des eaux et de l’éclairage, construit sa politique première autour de la production et de la vente de gaz, et se tourne rapidement vers l’électricité. En 1946, grâce à une politique de gestion centralisée, elle devient ainsi le premier producteur d’électricité français et crée alors les entreprises EDF et GDF. Degrémont, spécialiste du traitement de l’eau entre dans le groupe Lyonnaise en 1960 suivi de SITA (Société Industrielle des Transports Automobiles) en 1970 qui réalisait la collecte des ordures ménagères en région parisienne depuis le début des années 20.

1.2. Le groupe GDF Suez En 1974, la compagnie financière de Suez, fondée pour la réalisation du canal du même nom dans les années 1860 puis puissant investisseur, devient actionnaire de référence de la Lyonnaise à la place du crédit Lyonnais. Ce n’est enfin qu’en 1997 que la compagnie financière de Suez et la Lyonnaise (LDE) ont fusionné pour former par la suite le groupe franco-belge1 Suez, puis GDF Suez en 2008, présidé depuis sa création par M. Gérard Mestralet. Ce groupe, aujourd’hui présent dans les banques, les assurances, etc… forme un grand groupe industriel, fidèle à ses origines, dans les métiers de l’électricité, du gaz, des services à l’énergie, de l’eau et de la propreté. Ces métiers sont plus que jamais au cœur des enjeux politiques, sociaux et économiques du monde, alors que l’on ne cesse de parler de développement durable.

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En 1988, la compagnie financière de Suez s’était portée acquéreur de la Société Générale de Belgique, premier producteur et vendeur de gaz en europe.

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2. La Lyonnaise Des Eaux 2.1. Les centres régionaux La Lyonnaise Des Eaux est présente sur l’ensemble du territoire français grâce à une organisation en 29 centres régionaux dont le Centre Régional Guyenne, basé à Bordeaux qui s’étend sur les départements de la Dordogne et de la Gironde. Les cartes relatives à l’organisation de la Lyonnaise Des Eaux sur le territoire français sont disponibles en annexe 1.

2.2. Les agences territoriales Ces centres régionaux sont à leurs tour organisés en agences territoriales, au nombre de 120 à travers le pays, comme l’agence Périgord – Vallée de la Dordogne, qui assure 24h/24 et 7j/7, la continuité du service pour les communes de la vallée de la Dordogne et de la vallée de l’Isle dont les communes de Libourne et Périgueux. 2.3. Le contrat de délégation de service public 2.3.1. La délégation de service La gestion déléguée d’un service public fixe une certaine autonomie au délégataire du service qui aura la charge d’exploiter les équipements, voire de les financer. C’est en résumé un financement privé des équipements publics Le délégataire est alors directement rémunéré par l’usager, le rôle de la collectivité étant alors d’organiser et de contrôler le service. 2.3.2. Le contrat d’affermage Par ce contrat, le délégataire ou fermier s’engage à ces risques et périls et reverse à la collectivité, une redevance d’amortissement des ouvrages et équipements qu’il exploite, également appelée surtaxe. 2.3.3. Le contrat de concession Dans le cas d’une concession, le contrat est négocié pour une plus longue période que dans le cas de l’affermage. Dans ce cadre, l’exploitant doit alors prendre à sa charge les investissements nécessaires à la pérennité et la mise en conformité des installations concédées. La commune de Trélissac, représentée par son maire M. Francis COLBAC, propriétaire d’une station d’épuration (STEP), a signé en 1973 avec la Lyonnaise Des Eaux (LDE) un contrat de délégation de service public pour le traitement de ses eaux usées et la gestion de son système de collecte. Ce contrat a par la suite fait l’objet de différents avenants avant d’être renouvelé en avril 2009. Sandrine REJASSE


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Cependant, depuis 2006, à l’occasion de la restructuration de sa STEP (support de ce stage), la ville de Trélissac a transféré sa compétence de traitement des eaux usées à la communauté d’agglomération périgourdine. D’un autre coté, la communauté d’agglomération périgourdine (CAP) est également liée à LDE par un contrat de délégation de service public datant de janvier 1991 courant jusqu’à fin 2010, pour la gestion de son système de collecte et de traitement des eaux usées.

3. La gestion des eaux usées sur la Communauté d’Agglomération Périgourdine (CAP) 3.1. Historique et politique de gestion de la CAP Crée en 1987, ce Syndicat Intercommunal à Vocation Unique (SIVU) avait pour fonction la gestion des transports en commun sur 7 communes aux alentours de Périgueux. Devenu Syndicat Intercommunal à Vocation Multiple (SIVOM) dès 1988, puis Communauté d’Agglomération Périgourdine (CAP), elle est aujourd’hui également en charge de la collecte des ordures ménagères (OM) ainsi que de l’assainissement (collecte et traitement) sur 13 communes (présentées en figure 1) dont les villes de Périgueux et Trélissac (depuis peu pour cette dernière).

Figure 1 : Visualisation géographique du secteur CAP

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3.2. Les réseaux Le réseau semi séparatif de la commune de Trélissac dessert plus de 2150 clients2: sur un bassin versant (dénommé par la suite BV Trélissac) de près de 2300 ha, grâce à 51 km de canalisations d’eaux usées (EU) et de 21 km d’eaux pluviales (EP). Mais le débit collecté à l’exutoire de ce réseau, sur la STEP de la ville, démontre que la population réellement raccordée est plus importante. En effet, il a été constaté que sur ce réseau, âgé de plus de 50 ans pour les tronçons principaux, de nombreuses inversions de branchements persistent entre l’EU et l’EP. De plus, du fait de sa vétusté, ce réseau par endroit fissuré, cassé, voire effondré, est soumis à de nombreuses infiltrations d’eau parasites notamment par la nappe phréatique (située à 3.5 m de profondeur au niveau de la STEP tandis que les canalisations descendent à près de 4 m de profondeur sur les tronçons principaux). Enfin, depuis leur construction, les réseaux séparatifs d’EU et d’EP de la commune sont constitués de deux canalisations ouvertes dans un même tunnel, comme représenté en figure 2 ciaprès. Par conséquent, au moindre bouchage on risque observer un déversement de l’EU dans la canalisation d’EP. A l’inverse en cas de fortes pluies, le réseau EP risque à son tour se déverser dans le réseau d’EU.

Figure 2 : Schématisation des réseaux EP et EU sur la commune de Trélissac

De part sa position en profondeur, il est de plus très difficile et onéreux d’intervenir sur des bouchages. Le réseau unitaire de la CAP dessert quant à lui près de 19 500 clients par l’intermédiaire de 42 km de canalisations. Voir la carte du réseau alimentant la STEP de Trélissac en annexe 2.

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Selon le Rapport Annuel du Délégataire de 2007

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3.3. Les STEP et les PR La CAP est actuellement en charge de la gestion de deux STEP réparties sur son secteur : la STEP de Saltgourde (à l’ouest de Périgueux) d’une capacité de 48 0003 Equivalents Habitants (EH) et la STEP de Trélissac – Les Garennes d’une capacité de 10 000 EH depuis sa restructuration en 2007-2008. Elle est également en charge de 23 postes de relèvements (PR) répartis sur le secteur et alimentant la STEP de Saltgourde, à l’exception de 3 d’entres eux : les PR Rivière et Charrieras situés sur la commune de Trélissac, et le PR Préfecture (Confer carte du réseau en annexe 2). De façon très logique, les PR Rivière et Charrieras étaient dès l’origine rattachés à la STEP de Trélissac. En revanche, le PR Préfecture, situé en contrebas du centre ville de Périgueux, a fait l’objet début 2009 d’une importante restructuration visant à repartir ses effluents sur les 2 STEP de la CAP à compter du mois de Mars 2009. NB : On considérera donc par la suite les effluents arrivant de ce poste comme ceux du BV Préfecture. Les 6 autres PR situés sur le réseau de la ville de Trélissac (Petite Môthe, Tréma, Maurilloux, Jalots, Plaine des Jeux et Feuilleraie), relèvent pour leur part de la compétence de la ville de Trélissac. Les effluents en transit sur ces PR ont ainsi pour exutoire la STEP de Trélissac. NB : Avec les PR Rivière et Charrieras, ils constituent ce que l’on nommera par la suite le BV Trélissac.

4. La STEP de Trélissac 4.1. Généralités Comme précédemment expliqué, la construction de cette Station de Traitement des Eaux Usées (STEU), achevée en avril 2008, correspond en fait à la reconstruction de l’ancienne STEU communale de la ville de Trélissac. En effet, l’ancienne station de la ville de Trélissac, construite en 1964, avait déjà fait l’objet d’une extension en 1976 afin d’atteindre une capacité de traitement de 1 200 EH. Toutefois, malgré cette extension, la STEP restait sous-dimensionnée par rapport à la population collectée. En effet, constituée d’un poste de relevage, d’un bassin d’aération, d’un clarificateur et d’un silo de stockage des boues, cette ancienne STEU était presque toujours saturée par un débit journalier de 200 m3/j.

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La capacité nominale était en 1992 de 60 000 EH sur une base de 48 g DBO5/EH/j mais la norme est passée à 60 g DBO5/EH/j.

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Dès 2006, lors de l’étude du projet de restructuration de la STEU, la ville de Trélissac, a alors décidé de transférer sa compétence assainissement à la CAP, déjà en charge de l’assainissement de la ville de Périgueux et de quelques communes avoisinantes. Remarque : malgré ce transfert de compétence de traitement, l’exploitant détenteur de la délégation de service public est resté le même. Un nouveau contrat a simplement été passé entre la CAP et LDE pour l’exploitation de cette STEP (ainsi que de l’ancienne STEP avant sa démolition). A ce jour, des réserves sont toujours émises sur la réception de la station d’épuration. Les essais de garanties, prévus depuis janvier pour le mois de mars, ont à ce jour été repoussés à la fin du mois de juin 2009. 4.2. Les effluents 4.2.1. Quantité Comme précédemment énoncé, la STEP est destinée à recevoir les effluents de deux bassins versants (BV) distincts. 4.2.1.1.BV Trélissac Le débit moyen de temps sec du réseau du BV Trélissac est estimé à 300 m3/j4, soit 2000 EH sur la base de ce débit. Le réseau étant semi-séparatif, il n’est pas surprenant que ce débit ait déjà atteint les 1400 m3/j en temps de pluie (pour une pluviométrie de 24 mm le 24/01/2009) soit une augmentation 350% par rapport au débit de temps sec. Une petite étude statistique5 sur la relation entre pluviométrie et débit d’eau du BV a ainsi été menée et est représentée en figure 3 ci-après :

Figure 3 : Influence de la pluviométrie sur le débit d’eaux usées du BV Trélissac 4

Cette valeur est basée sur l’étude des mesures collectées par le débitmètre du PR de la STEP de novembre 2008 à février 2009.

Il est bien évident qu’il s’agit là d’un raccourci grossier, le volume de pluie précipité, et donc collecté, sur un même bassin versant étant fonction de l’intensité, de la durée et de la fréquence des épisodes pluvieux. Ce raccourci est toutefois suffisant en réponse aux objectifs fixés par ce stage.

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4.2.1.2.Ensemble des effluents arrivant sur la STEP Depuis le 5 Mars 2009, date de mise en service du PR Préfecture, la STEP reçoit en moyenne 1000 m3/j en temps sec, dont 75 % proviennent de ce poste. Au niveau de ce poste, une seule pompe (débitant 80 m3/h) est destinée au refoulement des effluents vers la STEP de Trélissac. En temps de pluie, une seule pompe n’étant pas suffisante, une à deux autres pompes ont pour fonction de refouler le débit supplémentaire vers la STEP principale de la CAP, à savoir Saltgourde d’une capacité de 50 000 EH. Pour plus de détails sur le fonctionnement de ce poste des extraits sa fiche technique, rédigée durant le stage, sont présentés en annexe 3. Par conséquent seuls 1900 m3/j pourraient au grand maximum s’ajouter depuis ce BV Préfecture au débit de temps de pluie du BV Trélissac ; en temps de pluie, la réparation des débits entre les 2 BV se rééquilibre donc. 4.2.2. Qualité Grâce aux résultats des bilans 24 h, prévus dans le planning d’auto surveillance de la STEP, il apparaît que l’effluent arrivant dans le PR de la STEP est un effluent relativement dilué. En effet, les concentrations en éléments polluants en entrée de STEP sont toujours situées dans la partie basse des fourchettes de valeur des effluents domestiques classiques, comme indiqué en colonne 3 du tableau 1 ci-dessous6. [5] [12] Effluent d'entrée de STEP Débit Pluviométrie DBO5 DCO MES MVS NTK N-NH4 Pt

BV Trélissac

BV Trélissac + BV Préfecture

346 m3

1 046 m3

293 mg/l 100 kg/j 817 mg/l 271 kg/j 297 mg/l 103 kg/j 250 mg/l 103 kg/j 66 mg/l 27 kg/j 50 mg/l 21 kg/j 10 mg/l 4 kg/j

VALEURS GUIDES DE TEMPS SEC

135 mg/l

100-400

425 mg/l

300-1000

220 mg/l

150-500

93 kg/j 370 kg/j 166 kg/j 205 mg/l 151 kg/j 55 mg/l

30-100

44 mg/l

20-80

8 mg/l

10-25

27 kg/j 17 kg/j 4 kg/j

Tableau 1 : Concentrations en polluants de l’effluent d’entrée de STEP

6

Les valeurs présentées dans ce tableau sont tirées des bilans bimensuels de la STEP, entre décembre et avril 2009.

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Au regard de la qualité du réseau d’alimentation, un tel résultat n’est pas surprenant (confer partie 1 – 3.2.), nous travaillons en fait avec un effluent très dilué, et ce d’autant plus depuis la mise en route du PR Préfecture. L’étude des ratios de composition de cette pollution (présentés dans le tableau 2) nous amène également aux conclusions suivantes : [11] -

le ratio DCO/DBO5 relativement élevé (égal à 3.1), indique une biodégradabilité de l’effluent inférieure à la moyenne, tout comme le ratio DBO5/N/P depuis le refoulement du PR Préfecture,

-

le ratio MES/DBO5 également relativement élevé (égal à 1.6) indique que la production de boue sera relativement importante par rapport à la charge polluante entrante,

-

le ratio MVS/MES de 0.9 également quelque peu élevé, nous indique que cet effluent est très organique, ce qui conduira à : o Une importante production de boues en excès, o Un taux de MVS important dans le réacteur biologique, o Un indice de Molhman (Im) élevé, o Une interrogation sur la présence d’effluents agro-alimentaire.

-

Enfin, le rapport DCO/PT très élevé lorsque la station ne reçoit que les effluents issus du BV Trélissac (84.2), indique une bonne aptitude au traitement biologique du phosphore.

Effluent d'entrée de STEP

BV Trélissac


VALEURS GUIDES DE TEMPS SEC

DCO/DBO5 MES/DBO5 DBO5/NTK N-NH4/NTK DCO/PT MVS/MES DCO/NTK DBO5/N/P

2,8 1,0 4,4 0,8 84,2 0,8 12,4 100/6/3

3,1 1,6 2,5 0,8 50,6 0,9 7,7 100/40/6

2,2-2,4 0,8-1,2 4-5 0,6-0,8 44-50 0,65-0,75 8,8-12 100/20/3

Tableau 2 : Ratios caractéristiques de la pollution entrant sur la STEP

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4.3. Le dimensionnement En accord avec le cahier des clauses techniques particulières (CCTP) du dossier de consultation des entreprises (DCE), la STEP de Trélissac a été redimensionnée pour une population de 10 000 EH7 répartie sur les BV Préfecture et Trélissac à l’horizon 2030. NB : A l’heure actuelle, malgré la mise en route du PR Préfecture, moins de 2000 EH (sur la base de la DBO5) sont réellement traités par la STEP. Le débit nominal de temps sec fixé par le CCTP et utilisé par le constructeur est de 1870 m3/j et le débit journalier de temps de pluie acceptable sur la STEP doit être de 3200 m3/j. Les débits horaires de dimensionnement sont de 80 m3/h en moyenne et de 160 m3/h en pointe. Ces valeurs sont résumées dans le tableau 3 ci après. Journalier temps sec

Débit m

3

3

1870 m /j

Journalier temps de pluie

Moyen horaire

3

Pointe horaire

3

3200 m /j

3

80 m /h

160 m /h

Tableau 3 : Débits de base du dimensionnement de la STEP

Les charges polluantes utilisées pour le dimensionnement de la filière de traitement sont caractéristiques d’un effluent domestique classique, malgré le constat d’une importante dilution des effluents de ces BV. Ces charges polluantes de dimensionnement sont présentées dans le tableau 4, qui rappelle également les mesures effectuées sur l’effluent d’entrée de STEP depuis début 2009. Effluent d'entrée de STEP Débit DBO5 DCO MES NTK Pt


VALEURS DIMENSIONNEMENT

1 046 m3 135 mg/l 93 kg/j 425 mg/l 370 kg/j 220 mg/l 166 kg/j 55 mg/l 27 kg/j 8 mg/l 4 kg/j

1 869 m3 321 mg/l 600 kg/j 642 mg/l 1 200 kg/j 482 mg/l 900 kg/j 80 mg/l 150 kg/j 21 mg/l 40 kg/j

Tableau 4 : Récapitulatif des charges entrantes utilisées pour le dimensionnement

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Sur la base de la DBO5 entrante de 60 g DBO5/EH/j.

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4.4. La filière de traitement des eaux usées – Introduction au traitement par boues activées Le synoptique de la filière est présenté en annexe 4. 4.4.1. Principe du traitement par boues activées Ce processus de traitement est fondé sur la consommation par une prolifération de microorganismes (ou biomasse) de la pollution azotée, carbonée et phosphorée entrant sur la station, alors considérée comme un substrat. Pour assurer le fonctionnement d’un tel traitement il convient alors de trouver un juste équilibre entre biomasse et substrat. L’oxygène étant un élément essentiel à la vie de la biomasse ainsi qu’à de nombreuses réactions bio et physico-chimiques, la gestion des concentrations en oxygène est un paramètre crucial dans le fonctionnement d’une telle installation.[1] [4] Ce principe global de traitement peut être schématisé, selon la représentation de la figure 4 ci-après. [11]

Figure 4 : Schématisation du principe d’épuration par boues activées

Remarque : Les usages et objectifs de l’oxygène seront expliqués au fur et à mesure de leurs apparitions le long de la filière de traitement des eaux qui se compose en fait de plusieurs étapes de traitement distinctes. -

un prétraitement,

-

un traitement biologique à proprement parlé,

-

un traitement physico-chimique complémentaire et

-

la séparation des boues en excès de l’eau traitée.

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4.4.2. Le prétraitement Lui-même constitué de plusieurs étapes, le prétraitement a pour objectif de débarrasser l’effluent entrant sur la STEP des matières et particules qui risquent gêner l’exploitation des ouvrages ou endommager les équipements électromécaniques placés en aval. Pour ce faire, l’effluent passe en premier lieu par un dégrilleur, destiné à séparer les éléments grossiers de l’effluent liquide, avant d’arriver dans un dessableur-dégraisseur. [1] [5] 4.4.2.1.Le dégrillage : fraction particulaire grossière Cette étape consiste en fait à faire passer l’effluent à travers une grille de façon à le débarrasser de ces plus importants éléments en suspension. La STEP de Trélissac est équipée d’un dégrilleur automatique fin8, dont la largeur entre deux barreaux de la grille est de 6 mm. Les éléments de diamètre supérieurs sont ensuite récupérés et compactés avant d’être évacués pour être enfouis comme de simples ordures ménagères. En cas de dysfonctionnement un dégrilleur manuel (c'est-à-dire sans nettoyage automatique de la grille) est installé en parallèle et peut retenir des éléments de diamètre supérieur à 1 cm. Etant donné les débits importants arrivant sur la STEP, le dégrillage automatique était plus que nécessaire. 4.4.2.2.Le dessablage-dégraissage : fraction particulière décantable et fraction particulaire hydrophobe Le dessablage a pour objectif de réduire le risque d’abrasion des conduites et pompes de la STEP dû au sable, il n’a donc pas une fonction de traitement mais de protection. En revanche, le dégraissage vise à réduire les risques de colmatage (par solidification des graisses), de flottation (ex : poires de niveaux), de réduction des transferts d’oxygène notamment dans le BA (par adsorption du floc et la création d’une pellicule en surface d’ouvrages) et le risque de moussage et de développement de bactéries filamenteuses (en constituant un substrat privilégié pour ces micro-organismes). En trop grandes quantités elles risquent également affecter les performances de la déshydratation. [1] [6] [7] [13] Sur la STEP ces deux étapes sont réalisées en simultané dans un même ouvrage cylindroconique de 22 m3. Le sable décante au fond de l’ouvrage avant d’être récupéré par une pompe d’aspiration. Une insufflation d’air de détassage permet également d’éviter l’ensablement du fond de cône. La flottation des graisses est favorisée par une turbine d’aération de 1,5 kW. Celles-ci sont alors récupérées par un raclage de surface, grâce à une densité des lipides inférieure à 1. Selon les sources, seuls 20 à 30 % des graisses sont réellement récupérées par ce type d’ouvrage aéré. [1] [2] 8

On parlera de dégrillage fin pour un espace entre les barreaux de 3 à 10 mm.

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4.4.3. Le traitement biologique : le bassin d’aération (BA) Les effluents prétraités sont alors envoyés au centre d’un bassin circulaire de près de 3000 m3 (soit 5,8 m de hauteur d’eau). Ce bassin est composé de trois zones concentriques ayant chacune des rôles très différents dans le processus d’épuration. Comme illustré en figure 5 et 6, on y trouve dans l’ordre : - la zone de contact, - la zone d’anaérobie (en absence d’oxygène), - la zone d’aération prolongée.

Zone de contact Zone d’anaérobie Zone d’aération prolongée

Figure 5 : Photographie du BA de la STEP – Sandrine REJASSE le 06-03-09

Figure 6 : Schémas de fonctionnement du bassin d’aération

4.4.3.1.La zone de contact Cette première zone centrale a pour fonction de permettre le mélange entre les eaux prétraitées, chargées en pollution à traiter, avec des boues riches en population bactérienne recirculées depuis un ouvrage aval du traitement (le clarificateur). Cette zone constitue donc un

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lieu de rencontre entre le substrat de l’effluent et la biomasse déjà sur la STEP, dans le but de maintenir une activité biologique optimale. Dans cette zone de 36 m3 (2,76 m de diamètre) l’effluent arrive de façon verticale ascendante tandis que la boue est amenée en surface par une conduite de diamètre 300. Confer photographies en annexe 5. L’effluent passe alors dans la zone suivante par des fenêtres percées dans le béton en fond d’ouvrage. On parle alors de liqueur mixte.

4.4.3.2.La zone d’anaérobie : préparation à la sur-assimilation du phosphore Cette zone dépourvue d’oxygène libre a pour objectif de favoriser la synthèse de polymères stockés dans les cellules à partir de la pollution carbonée. La consommation d’énergie par les bactéries nécessaire à cette synthèse (stockée sous forme de polyphosphates P-P) engendre un relargage de phosphate dans le liquide interstitiel. [2] [11] NB : Ce relargage sera d’autant plus grand que la part de pollution carbonée assimilable dans l’effluent entrant sera grande. La dégradation de la pollution carbonée se fera majoritairement dans la zone suivante en présence d’oxygène. L’effluent, après avoir traversé cette zone de 275 m3, repart alors par la surface du coté opposé à son arrivée vers la zone suivante. (Confer schéma en figure6) 4.4.3.3.La zone d’aération prolongée Lors de l’arrivée de la liqueur mixte dans cette dernière zone du BA, les bactéries stressées vont alors profiter d’un milieu oxygéné (ou aérobie) pour stocker de nouveau de l’énergie sous forme de liaisons P-P, il y a alors sur-assimilation du P par rapport à la part relarguée en zone d’anaérobie. Confer figure 7 ci-dessous.

Figure 7 : Evolution du phosphore entre anaérobie et aérobie [11]

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Mais cette dernière zone du bassin d’aération est également soumise à une variation temporelle de sa concentration en 02 libre et lié. En effet, des phases d’aération sont générées par le fonctionnement périodique de suppresseurs de 1700 Nm3 alimentant 3 rampes d’aération à membranes fines bulles (confer figure 6). Lors des phases d’aération les bactéries vont utiliser l’oxygène disponible sous forme libre dans l’effluent pour dégrader la pollution carbonée et l’azote qui arrive sous la forme NH4 et le transformer en NO3. Ce n’est que lors des phases d’arrêt de l’aération, une fois que les bactéries auront consommé tout l’O2 disponible sous forme libre, que celles-ci vont utiliser l’oxygène disponible sous forme liée dans les nitrates (NO3) pour assurer leur activité et leur respiration. Elles vont en fait par ce moyen dégrader l’azote sous sa forme N-NO3 en N2 gazeux. Confer figure 8 cidessous.

Figure 8 : Dégradation et assimilation de la pollution dans le BA. [11] A ce stade de la filière de traitement, la pollution carbonée et azotée a presque entièrement été dégradée. Seule une partie de la pollution phosphorée et azotée (N2 gazeux) est encore présente en concentration non négligeable dans l’effluent. Le reste de la pollution est en fait piégé dans les boues bien que celles-ci soient encore mélangées à l’effluent traité. 4.4.4. Le traitement physico-chimique du phosphore La dégradation du phosphore par voie biologique n’étant pas ou pas toujours suffisante, il était indispensable de disposer d’un traitement complémentaire : un traitement physico-chimique au chlorure ferrique. En effet le chlorure ferrique, FeCl3, réagit avec le phosphore P selon la réaction suivante :

FeCl3 + NaH 2 PO4 ⇒ FePO4 ↓ + NaCl + 2 HCl Il y a donc création d’un précipité FePO4 qui piège le phosphore qui se retrouve alors dans les boues. Le phosphore est donc extrait de la filière de traitement avec les boues. On comprend

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bien ainsi que l’adjonction de FeCl3 conduit à une augmentation de la production de boue de l’ordre de 20%. On parle ainsi de boue physico-chimique. [2] [6] [11] NB : Une réaction parasite est toutefois à prévoir dans le BA et conduit à la production de boue supplémentaire : Fe 3+ + 3OH − ⇒ Fe(OH ) 3 ↓ Remarque : d’autres réactifs peuvent servir à un traitement similaire comme les sels d’aluminium (Al2(SO4)3, polychlorures), la chaux (Ca(OH)2) et un autre sels de fer (FeClSO4) Sur la STEP un taux de traitement de 77 g de FeCl3/m3 d’eau entrante est appliqué depuis la mise en route en avril 2008, soit une consommation en produit commercial de 135 l/j. 4.4.5. Le dégazage Une fois le phosphore totalement éliminé de l’effluent (par assimilation et précipitation), il ne reste donc plus qu’à se débarrasser du N2 encore dissous dans la liqueur mixte. Pour ce faire, la liqueur mixte arrive gravitairement dans un puits, appelé puits de dégazage, où la différence de niveau hydraulique de 1,4 m entre les 2 extrémités de la conduite de diamètre 300 crée une chute libre et donc un dégazage du N2 de la liqueur mixte. 4.4.6. Le clarificateur L’arrivée de la liqueur mixte dans cet ouvrage de 20,3 m de diamètre et de 3,5 m de hauteur d’eau est centrale. La boue décante alors au fond de l’ouvrage où un ensemble de trois conduites l’aspire par suçage. C’est alors par siphonage que cette boue est envoyée dans une goulotte au centre de l’ouvrage puis vers le puits de recirculation. Confer figure 9 ci-dessous. NB : aucune énergie n’est nécessaire à la mise en mouvement de la boue dans le clarificateur. En effet, seul le fonctionnement de la recirculation ou de la déshydratation (confer traitement des boues) induira une baisse de niveau dans le puits de recirculation et donc par conséquent dans la partie centrale du clarificateur.

Figure 9 : Schéma de fonctionnement du clarificateur et de l’évacuation des boues.

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On comprend bien alors le rôle essentiel du dégazage si l’on veut éviter que ce dégazage ne se fasse sauvagement dans le clarificateur et risque ainsi emporter vers la surface des amas de boue avec le N2 gazeux. 4.4.7. La recirculation Comme précédemment évoqué, la recirculation permet de maintenir une concentration relativement constante dans le BA, une optimisation de l’activité de la biomasse et d’éviter un départ de boue ainsi qu’un temps de séjour trop long dans le clarificateur. En effet, un séjour trop long de la boue dans le clarificateur risque de mener à de l’anaérobiose (absence stricte d’O2). Ce débit de recirculation est déterminé en fonction de : - l’Indice de Mohlman de la boue (ou de son indice de boue IB), - la concentration en matière sèche (MS) dans le BA ainsi que - le temps de séjour de la boue dans le clarificateur et - le débit traversier de la STEP (ou débit d’entrée). Remarque : le temps de séjour de la boue dans le clarificateur et le débit de recirculation sont interdépendants. 4.4.8. Traitement des graisses : BIOLIX® La STEP dispose d’un procédé BIOLIX®, c'est-à-dire un procédé biologique de dégradation des déchets graisseux par aérobie mis au point par la Compagnie Générale des Eaux et commercialisé par OTV. [5] Sur la STEP, ce BIOLIX® est caractérisé par un volume utile de 38 m3. Son aération est permise par un hydro injecteur de 5,9 kW et aucun nutriment n’est apporté. Seules les graisses récupérées par le racleur de surface du dessableur-dégraisseur l’alimentent. Les boues récupérées en fond de BIOLIX® à 30 cm du fond (soit 2,70 m en dessous de la surface libre) sont envoyées vers le poste toutes eaux de la STEP. 4.4.9. Traitement des boues : centrifugation On comprend aisément que si l’arrivée d’effluent brute est constante, une évacuation régulière des boues est nécessaire pour éviter une accumulation de la pollution dans les ouvrages. Si on n’évacuait pas suffisamment ces boues on risquerait en effet d’assister à leur fuite depuis la goulotte d’eau traitée du clarificateur. Sur la STEP le traitement des boues est effectué en direct par extraction depuis le puits de recirculation des boues. Les boues sont envoyées sur une centrifugeuse dont la charge massique maximale admissible est de 400 kg/h pour une charge hydraulique maximale de 21 m3/h. Cette centrifugeuse permet alors d’obtenir, avec un taux de traitement en polymère de 8 à 12 kg/t, des boues à 20% de siccité qui sont ensuite évacuées en benne pour être réutilisées en compostage. Le schéma de fonctionnement de l’atelier de déshydratation est présenté en figure 10 ci-dessous. Sandrine REJASSE


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Figure 10 : Schéma de fonctionnement du clarificateur et de l’évacuation des boues.

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PARTIE 2 : Optimisation et mise en route de l’usine 1. Objectifs du stage et méthodologie 1.1. Les objectifs L’objectif de ce stage de fin d’études sur cette STEP était double : -

effectuer un diagnostic de l’installation et apporter des propositions d’amélioration de son fonctionnement,

-

créer un manuel d’exploitation de l’installation dans le but de faciliter son exploitation et participer à la formation des agents.

Remarque : Ce guide de fonctionnement, trop volumineux pour pouvoir être intégré à ce document, sera présenté au jury lors de la soutenance de ce travail de fin d’études. 1.2. Méthodologie Le manuel d’exploitation créé correspond en fait à un ensemble de protocoles et procédures relatifs au fonctionnement détaillé des installations du site, aux opérations de maintenance ainsi qu’aux consignes de réglages de la station proposées. Pour réaliser ces protocoles et procédures, il a été nécessaire de : -

consulter régulièrement la documentation constructeur des différents équipements,

-

effectuer l’exploitation même de la STEP, tout au long du stage, pour mieux comprendre et maîtriser son fonctionnement,

-

suivre l’évolution de la réception complète de la STEP,

-

communiquer avec les agents responsables du secteur, qui étaient et qui seront en charge de cette STEP, afin de collecter et transmettre chaque jour un maximum d’informations relatives au fonctionnement et dysfonctionnement de la STEP.

Cette première partie rédactionnelle autour de la STEP, a donné suite en fin de stage à une formation succincte du personnel. D’autre part, le diagnostic de l’installation est également le résultat de plusieurs étapes de travail : -

le redimensionnement des installations à partir du CCTP de la STEP,

-

la comparaison des résultats obtenus avec les installations en place,

-

la mise en perspective des conclusions théoriques avec les constatations effectuées au cours de l’exploitation du site.

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Ce diagnostic a finalement permis d’arriver à des propositions à court et long terme pour l’optimisation du fonctionnement de la STEP.

2. Révision du dimensionnement : analyse théorique Confer annexe 6 : Révision du dimensionnement de la STEP 2.1. Dessableur-dégraisseur Après avoir considéré les vitesses de décantation des sables et de flottation des graisses aux débits moyens de temps sec, de temps de pluie et de pointe (de 200m3/h), ainsi que les temps de séjour de l’effluent minimum à ces différents débits, nous estimons un volume minimal de la partie cylindrique de l’ouvrage de 22 m3 avec 8.8 m² de surface (confer annexe 6 – A). Après consultation du CTA et du SEA9, ce volume minimum a par la suite été estimé à 33 m3. Par conséquent, avec un volume de cylindre de 22 m3, il se pourrait que l’ouvrage de dessablagedégraissage soit sous dimensionné. [12], [5]. Alors que le débit de dimensionnement utilisé par le constructeur est de 80 m3/h, et que le réel débit de refoulement d’une pompe du PR est de 90 m3/h, on obtient un temps de séjour d’à peine 15 min associé à une vitesse de 8.5 m/h, contre une vitesse minimale de flottation des graisses de 10 m/h. Mais, au débit de pointe de 200 m3/h, atteint plusieurs fois par jour en temps de pluie, ce temps de séjour n’est plus que de 7 min et la vitesse de 18.5 m/h, contre un objectif de 10 min et de 15 m/h minimum. A ce débit de pointe on risque donc ne pas réussir à faire décanter les sables et flotter les graisses. Confer tableau 5 ci-dessous.

Débit

Journalier de temps sec actuel : 50 m3/h

Refoulement d’une pompe du PR : 90 m3/h

Journalier nominal de temps sec : 78 m3/h

Journalier nominal de temps de pluie: 130 m3/h

Pointe : 200 m3/h

Vitesse réelle10

4.5 m/h

8.5 m/h

7 m/h

12 m/h

18.5 m/h

Vitesse minimale de flottation

10 m/h

Temps de séjour réel

26 min

Temps de séjour minimum attendu

15 min

15 m/h

17 min

10 min

15 min

7 min

10 min

Tableau 5 : Diagnostic du fonctionnement du dessableur-dégraisseur

9

Grâce à Emmanuel CARRIER (CTA) et Loëtitia JAUJARD (SEA).

10

La comparaison de cette vitesse de passage et de la vitesse de flottation des graisses n’a pas de sens si on ne tient pas compte de l’aéroflot présent dans l’ouvrage.

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Toutefois, en considérant les 11 m² de surface de l’ouvrage, un aéroflot de 0.7 à 0.9 kW aurait été adapté (sources : SEA, [1]) pour faciliter la flottation des graisses. Or un aéroflot de 1.5 kW est en place dans l’ouvrage ce qui semble surdimensionné. 2.2. Traitement biologique 2.2.1. Zone de contact Pour jouer son rôle de sélectionneur d’espèce (ex : Acinetobacter, Moraxella…), l’effluent doit passer un temps suffisant dans cette zone de l’ordre de 10 minutes minimum en pointe et de 20 à 25 minutes en moyenne. [SEA] [1] [11] Avec un débit de pointe de 200 m3/h en entrée associé à une recirculation maximale de 175 m3/h, on estime le volume minimal de cette zone de contact à une soixantaine de m3 contre seulement 36 m3 en réalité (confer annexe 6 – B). Au débit journalier moyen de temps sec actuel de 50 m3/h (à 150 % de recirculation), on obtient donc un temps de séjour de 17 min dans l’ouvrage. Au débit de pointe ce temps de séjour de seulement 6 minutes sera également inférieur au temps minimum attendu de 10 min. Confer tableau 6.

Débit



Journalier nominal de temps sec 78 m3/h

Recircu. à 150%

Recircu. à 0 ou 115 m3/h


Recircu. à 170 m3/h


17 min

24 min à 10 min (10 min à 150%)

27 à 11 min (11 min à 150%)

7,2 min

6 min


Temps de séjour minimum attendu

Journalier nominal de temps de pluie 130 m3/h

20-25 min

Pointe : 200 m3/h

10 min

Tableau 6 : Diagnostic du fonctionnement de la zone de contact

Par conséquent, malgré un bon ajustement du taux de recirculation, la zone de contact semble très fragile quant à son rôle de sélectionneur de bactéries. Un risque de dégradation de la qualité de la boue pourrait donc être à craindre, ainsi qu’un développement des bactéries filamenteuses.

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2.2.2. Zone d’anaérobie De la même façon, un temps de séjour de 90 à 120 minutes doit être conservé dans cette seconde zone pour permettre un relargage suffisant de P-PO4. Le débit de pointe de 370 m3/h (200 m3/h avec une recirculation maximum) nous amène ainsi à un volume de zone d’anaérobie entre 400 et 500 m3, contre seulement 275 m3 en réalité (confer annexe 6 – C). Le temps de séjour de l’effluent dans cette zone ne sera donc que de 45 minutes en pointe et de 85 à 210 minutes (en fonction de la recirculation) au débit journalier nominal de temps sec. Confer tableau 7 ci-dessous.


Débit

Recircu. à 150%


Temps de séjour mini. attendu


Journalier nominal de temps sec : 78 m3/h



180 à 80 min

85 à 210 min

(73 min à 150%)

(85 min à 150%)

Journalier nominal de temps de pluie : 130 m3/h

Pointe : 200 m3/h



55 min

45 min

130 min

120 min

90 min

Tableau 7 : Diagnostic du fonctionnement de la zone d’anaérobie

La capacité de cette zone, à permettre la déphosphatation biologique de près de 50% du phosphore total entrant, avancée par le constructeur, semble donc ici devoir être mise en doute. Remarque : de faibles concentrations de l’effluent pourraient toutefois compenser ce sous dimensionnement. 2.2.3. Zone d’aération : dimension et concentration selon l’âge de boue Comme évoqué en partie précédente, la boue présente dans cette zone constitue une biomasse qui va utiliser comme substrat la pollution contenue dans l’effluent. Le bon fonctionnement de cette zone est donc dépendant de la population bactérienne de cette zone (quantité et qualité), du substrat (charge entrante) et de leur environnement (concentration en O2 libre et lié). L’estimation du volume de dimensionnement de cette zone passe donc notamment par l’évaluation de la production de boue au débit nominal.

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2.2.3.1.Charge de travail dans l’ouvrage Cette charge de travail correspond en fait à la concentration en matière en suspension (MES) à laquelle on souhaitera maintenir la zone d’aération. Cette concentration est significative de la quantité de boue, et donc de bactéries, présentes dans l’ouvrage pour assurer le traitement de la pollution. Cette charge optimum de travail doit être suffisante pour que le traitement soit possible, mais pas excessive. En effet, plus on aura une concentration importante dans l’ouvrage, plus la quantité de boue présente sur la STEP sera importante. On raisonnera sur ce point en terme de kg de matière sèche ou MS. Par conséquent, plus on aura une concentration importante, plus l’âge de la boue sera important et ses qualités d’épuration et de décantation risquent alors de s’en ressentir. [2] [7] [11] Pour ce bassin de 2940m3 (dont 2625m3 de zone d’aération), le constructeur préconise de travailler à une concentration de 4.6 g MES/l. Avec une telle concentration, la production de boue au débit nominal étant estimée à 970 kg MS/j (confer § 2.5. de cette partie), l’âge moyen de cette boue sera de 20 jours (sur la base du temps sec). Cependant, les concentrations en entrée de STEP étant bien inférieures à celles utilisées pour le dimensionnement, la production de boue réelle est moindre. Ainsi à l’heure actuelle, alors que le débit de temps sec est de 1000 m3/j (soit 54% du nominal) la production de boue n’est estimée qu’à 250 kg MS/j soit seulement 25% de la production utilisée pour le dimensionnement. A l’heure actuelle, si on travaillait à 4.6 g/l, l’âge de boue serait donc de 85 jrs. Pour obtenir un âge de boue acceptable de 30 jours il faudrait travailler à une concentration de 2 g/l. Par extrapolation des concentrations mesurées au débit nominal, si on travaillait à 4,6 g/l, l’âge de boue serait alors de 50 jrs. Pour obtenir un âge de boue acceptable de 30 jours il faudrait donc travailler à une concentration de 3 g/l comme récapitulé dans le tableau 8 ci-après.

Paramètres11

Selon le constructeur Débit nominal : 1870 m3/j [MES BA] = 4.6g/l

Production de boue (cf §2.5.)

870 kg/j

Age de la boue

19 jours

Débit nominal : 1870 m3/j


Débit actuel : 1000 m3/j


[MES BA] = 4.6g/l

[MES BA] = 3 g/l

[MES BA] = 4.6 g/l

[MES BA] = 2 g/l

360 kg/j

50 jours

220 kg/j

30 jours

85 jours

30 jours

Tableau 8 : Détermination de la concentration de travail optimale

11

Ce tableau est obtenu d’après une étude des productions de boue avec les concentrations réellement mesurées en entrée de STEP et non pas les charges théoriques.

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L’âge de boue minimum nécessaire à la dénitrification étant de seulement 9 jours, on optera donc pour de faibles concentrations de travail dans le bassin d’aération, qui ne devront excéder les 3-3.5 g/l si on veut conserver une bonne qualité de boue. Ce choix sera justifié par la suite. 2.2.3.2.Besoin en oxygène et aération Ce besoin en oxygène correspond à l’oxygène nécessaire pour : -

faciliter la sur-assimilation du P par les bactéries qui ont étés stressées (par privation d’oxygène) dans la zone précédente c'est-à-dire la zone d’anaérobie, permettre la dégradation de la pollution carbonée, assimilée par les bactéries lors de la phase d’anaérobie, permettre la dégradation de l’azote sous sa forme N-NH4. Il y a alors formation de NNO3, fournir l’O2 nécessaire à la respiration propre des bactéries, (également appelée respiration endogène)

Confer annexe 7 pour le détail du calcul du besoin en oxygène. Au débit nominal, en travaillant à 4.6 g/l, ce besoin en oxygène a été estimé entre 13 h et 14 h/j d’aération. Avec les charges réellement reçues par la station ce besoin en O2 ne serait plus au débit nominal que de 10 h. A l’heure actuelle, pour une concentration de 3,5 g/l de MES dans le BA (soit un âge de boue de 50 jrs de temps sec), on estime ce temps à 7 h/j. On souligne ici le fait que plus la concentration dans le BA sera forte plus la durée d’aération journalière sera importante. En effet, si on travaillait à 3 g/l dans le BA il suffirait de 6 h d’aération par jour.12 Les valeurs explicitées ci-dessus sous récapitulées dans le tableau 9.

Tableau 9 : Détermination du temps d’aération optimal

On constate également grâce au tableau 9, que plus on travaillera à une concentration élevée dans le bassin d’aération plus il risque d’être difficile de parvenir à réaliser en totalité les phases de nitrification et dénitrification dans une même journée.

12

Remarque : ces calculs ont été menés sans la considération des nitrates qui pourraient être présents dans l’effluent d’entrée.

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2.2.4. Traitement physico-chimique complémentaire pour la déphosphatation Ce traitement ayant pour objectif de faire précipiter le phosphore par combinaison avec les atomes de fer (Fe) contenus dans le chlorure ferrique (confer partie 1 §4.4.4.), la dose de chlorure ferrique à injecter est calculée à partir de la quantité de phosphore n’ayant pas été assimilée par voie biologique. A partir des charges réellement mesurées en entrée de STEP, on obtient des résultats très variables en utilisant des méthodes différentes. En effet, bien que les paramètres de charge et de débit soient identiques, l’application des méthodes ENGEES [11] et GITE [2] donnent très souvent des résultats très différents, comme au débit et charge théoriques actuels (BV Trélissac + BV Préfecture) où l’on arrive à 170 g FeCl3 actif / m3 avec la méthode ENGEES et seulement 100 g FeCl3/m3 selon le GITE. En considérant les concentrations réelles, cet écart de résultat diminue mais persiste. Selon les résultats d’analyses utilisés, un taux de traitement compris entre 20 et 50 g FeCl3/m3 semble alors indiqué. Le constructeur avançait sur ce point un taux de traitement de 50g FeCl3/m3 pour une dégradation du phosphore par voie biologique à hauteur de 50 % du Pt entrant. Il est bien ici démontré que le taux de traitement en chlorure ferrique à appliquer est inversement proportionnel à la charge organique entrante (sous la forme DCO et DBO5). Les résultats de l’injection de chlorure ferrique à appliquer sont présentés dans le tableau 10 ci-dessous. Pour plus de détails sur les méthodes de calcul utilisées voir l’annexe 8.

Tableau 10 : Détermination de la dose de FeCl3 optimale

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2.3. Clarificateur Le clarificateur est dimensionné pour permettre une décantation des boues suffisante tout en assurant un temps de séjour de cette boue ne dépassant pas les 2h. Par extrapolation des charges mesurées sur la STEP au débit traversier nominal et à la concentration de 4.6 g MES/l dans le BA, en considérant l’Im de 220 ml/g mesuré sur la STEP, on arrive à une estimation du volume du clarificateur de 1200 m3 pour un diamètre de 17 m. Or bien que l’ouvrage en place soit de 1130 m3, le diamètre du clarificateur en place est de 20 m. A forte charge il faudrait donc faire attention à la remontée éventuelle du voile de boue mais également au temps de séjour de la boue dans le clarificateur. Le temps de séjour ou TSB, étant calculé en fonction de la charge massique de la station, il n’est pas surprenant de constater de nouveau des temps de séjour trop élevés sur la STEP. Le tableau 11, établi avec un taux de recirculation de 150%, démontre bien qu’avec une faible charge entrante constatée, il faudrait travailler à de très faibles concentrations dans les bassins ou utiliser un taux de recirculation supérieur. Remarque : augmenter le taux de recirculation risque conduire à d’autres dérives. Confer paragraphe suivant. Débit nominal : 1870 m3/j





[MES BA] = 4.6g/l

[MES BA] = 3g/l

[MES BA] = 4.6 g/l

[MES BA] = 3.5 g/l

[MES BA] = 2 g/l

Masse de boue clarificateur

4100 kg

2700 kg

4300 kg

3200 kg

1700 kg

TSB14

2 h 40 min

2 h 30 min

2 h 50 min

2 h 45 min

2 h 35 min

Paramètres13

Tableau 11 : Etude du temps de séjour de la boue dans le clarificateur

2.4. Recirculation Le débit de recirculation à appliquer peut être estimé de façon très rapide par la formule suivante :

Trecirculation =

[MS]

( g / l) [MS]recirculation (g / l) − [MS]BA (g / l) BA

13

Ce tableau est obtenu d’après une étude des productions de boue avec les concentrations réellement mesurées en entrée de STEP et non pas les charges théoriques.

14

TSB : Temps de séjour de la boue

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Où : [MS]recirculation (g / l) =

[MS]

BA

( g / l) +

VtotalBA Im(ml / g )

3

et Im = Indice de Molhman

Avec un Im mesuré sur la STEP de 220 ml/g, à 3 g/l dans le BA (choisi en paragraphe 3.2.1.), le taux de recirculation à appliquer est ainsi de 150% comme visualisable sur le tableau 12 ci-après. [MS BA] en g/l

2 g/l

2.5 g/l

3 g/l

3.5 g/l

4 g/l

4.5 g/l

[MS recircu] en g/l

4.7 g/l

4.9 g/l

5 g/l

5.3 g/l

5.5 g/l

5.6 g/l

Taux de recircu.

75%

105%

150%

195%

265%

410%

Tableau 12 : Détermination du taux de recirculation optimal

2.5. Filière boue Pour se maintenir à une concentration constante dans les ouvrages, il faut absolument extraire chaque semaine l’équivalent de la production de boue, d’où l’importance de bien connaître cette production. La méthode de calcul de cette estimation de la production de boue est explicitée en annexe 9. Depuis le refoulement du PR Préfecture, on estime ainsi cette production de boue à 1.5 t MS/semaine, comme représenté sur la figure 11.

Mise en route du PR Préfecture

Figure 11 : Bilan des boues sur la STEP – Semaines n°1 à 13

Au débit nominal, cette production serait donc de 360 kg/j par extrapolation des charges réelles, alors que le calcul basé sur les charges théoriques annonçait 870 kg/j (selon le constructeur). Il semblerait donc qu’une extraction de 2.5 t MS/semaine suffise au débit nominal.

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3. Résultats du fonctionnement et analyses des dysfonctionnements : analyse pratique 3.1. Prétraitement 3.2.1. Le dégrillage Bien que le dégrilleur automatique soit en fonctionnement permanent, un dépôt de sable est régulièrement constaté dans la partie manuelle de l’équipement. Confer figure 12. Partie automatique

Partie manuelle

Figure 12 : Photographies du dégrilleur de la STEP – Juin 2009 – Sandrine REJASSE

Il apparaît en réalité que lors du fonctionnement de la partie automatique, l’ensemble du système se met à l’équilibre par un retour des eaux, par la conduite de sortie du dégrilleur, dans la partie manuelle. Les vitesses étant quasi nulles dans cette zone manuelle, le sable y décante donc. 3.2.2. Le dessablage-dégraissage Les sables : La quantité de sable récupérée en sortie de classificateur est extrêmement faible par rapport à la production attendue. En effet, avec une production de sable théorique de 1.8 l/EH/an, pour 2400 EH à l’heure actuelle (sur la base de la DCO) on prévoit une production théorique d’environ 12 l de sable par jour. Or le volume de sable réellement récupéré est inférieur à 1 l/j. Différentes hypothèses ont alors été formulées concernant cette problématique : accumulation du sable dans le dessableur malgré le détassage régulier, traversée du sable au travers de l’ouvrage en direction du bassin d’aération, et/ou stockage du sable dans le réseau et les PR. La première de ces hypothèses semblait la plus plausible, mais une vidange totale de l’ouvrage réalisée au début du mois d’avril n’a pas montré la présence de sables en fond d’ouvrage. Le sous dimensionnement de l’ouvrage ainsi que le surdimensionnement de la turbine de flottation des graisses, mis en évidence lors du diagnostic théorique, nous incite à penser que le sable traverse le dessableur. De plus, l’arrivée de l’effluent dans l’ouvrage n’est pas tangentielle

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mais radiale et directement dirigée sur la turbine, ce qui risque encore d’aggraver les problèmes de décantation des sables, comme représenté en figure 13 ci-après.

Figure 13 : Photographies du dessableur de la STEP – Mars 2009 – Sandrine REJASSE

Des essais d’arrêt de la turbine ont alors été menés pour valider cette hypothèse. Après 3 essais d’arrêt de fonctionnement de la turbine sur des périodes de 4 jours, il semble que l’on récupère plus de sable lorsque la turbine ne fonctionne pas. Cependant, la variation de la pluviométrie au cours de ces phases de marche et d’arrêt de la turbine pourrait à elle seule expliquer la variation de la production de sable. De plus, l’étude menée sur la production de sable au cours du mois d’avril 2009 n’était pas quantitative mais qualitative. Il sera donc essentiel de mener une véritable étude chiffrée autour de cette hypothèse avant de prendre des mesures correctives. De plus, un isolement prochain de la zone de contact du BA et un sondage du fond de l’ouvrage pourraient permettre de confirmer cette théorie mais pas de l’infirmer. Enfin, la dernière de ces hypothèses, à savoir l’accumulation de sable dans le réseau et les PR ne peut pas non plus être négligée. En effet, bien que les conditions minimales en terme d’autocurage soient validées15, et que de grandes quantités de sable étaient récupérées sur l’ancienne station d’épuration, le réseau alimentant la STEP a été largement étendu avec la modification du PR Préfecture. De plus, on constate depuis fin mai, période marquée par d’importantes précipitations une augmentation de 15

Par la méthode des vitesses on obtient une vitesse d’écoulement en pointe de temps sec de 0,75 m/s (avec un objectif de 0,6 m/s pour respecter l’autocurage) et de 0,37 m/s au débit moyen journalier. Au débit nocturne on obtient également une vitesse moyenne de seulement 0.30 m/s, entre minuit et 5h, ce qui reste acceptable.

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la récupération des sables. Cette augmentation pouvant être due au lessivage des surfaces, peut également être expliquée par une fin de la période de mise en service de la conduite de refoulement du PR Préfecture (alimentant à 70% la STEP). Il est probable qu’une importante quantité de sable se soit déposée entre les mois de mars et mai sur les 6,3 km de cette conduite de plus de 200 m3. Les graisses : En partie supérieure du dessableur-dégraisseur, le saut à ski de récupération des graisses de surface est régulièrement encombré par de la filasse. Cette filasse se retrouve alors à son tour dans le BIOLIX où elle vient régulièrement bloquer le corps de la turbine d’aération placée en fond d’ouvrage. Si la turbine reste bloquée quelques heures, on assiste alors à une séparation de phase dans le BIOLIX, où les graisses et la filasse remontent en surface et viennent à leur tour colmater la conduite de départ de la boue graisseuse vers le poste toutes eaux. La présence de filasse dans cet ouvrage, bien que problématique pour son exploitation, est tout à fait normale et même bénéfique au reste de la filière de traitement. En effet, elle risquerait de colmater des conduites de la STEP ou bien encore de gêner la décantation des boues.

3.2. Le traitement biologique 3.2.1. Age de boue Comme il a déjà été évoqué précédemment, l’âge de boue est un paramètre essentiel pour caractériser le fonctionnement d’une STEP de type boue activée. En effet, il doit être suffisamment élevé pour permettre le maintien des populations nitrifiantes (>9 jours) mais suffisamment faible pour que la qualité de la boue ne se dégrade pas (en termes de décantation et de capacité épuratoire). Pour agir sur cet âge de boue, il suffit de faire varier la concentration de la boue, notamment dans le BA. Pour ce faire, il convient alors de travailler sur l’extraction des boues en excès. Pour obtenir un âge de boue de 30 jours sur la STEP, il faudrait à l’heure actuelle pouvoir rester à 2 g MES/l. Au débit nominal on pourra en revanche monter jusqu’à 3 g/l. Cependant, après quelques mois d’exploitation nous nous sommes aperçus qu’il est impossible, en fonctionnement normal, de faire descendre la concentration du BA à 2g/l. En effet, à de telles concentrations dans le BA, la boue de recirculation (et donc d’extraction) ne contiendrait pas plus de 3 g MES/l, comme visualisable sur le graphe de la figure 14 ci-dessous. Or, pour que la déshydratation puisse fonctionner il faut travailler à une concentration minimale de 4.7 g MES/l (confer §3.4.).

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Figure 14 : Evolution de la concentration de la boue d’extraction en fonction de la charge du BA

Ainsi en déshydratant 8h/j tous les jours (pour plus de 800 m3 de boue centrifugée) nous ne sommes pas parvenus à descendre en dessous de 3 g MES/l. Pour atteindre les 2.5 g/l nous avons alors décidé de fonctionner en mode dégradé : par l’épaississement des boues dans le clarificateur durant la matinée et la déshydratation de ces boues épaissies au cours de l’aprèsmidi suivante. Nous atteignions ainsi jusqu’à 16 g MES/l dans la boue extraite. Une première grande problématique est donc ici soulevée : pour conserver une bonne qualité de boue on devrait être à 2 g/l dans le BA mais les équipements en place ne nous permettent pas de travailler normalement à moins de 3.5 g/l. Remarque : A cette dernière concentration l’âge de boue, pour la situation actuelle, étant déjà de 55 jours et l’Im mesuré de 220 ml/g. 3.2.2. Elimination du phosphore Des mesures ponctuelles effectuées, le long de la filière de traitement, sur deux journées de temps sec, avaient pour but de nous permettre d’étudier le bon fonctionnement de la déphosphatation biologique. Le principe du phénomène de sur-assimilation du phosphore par les bactéries depuis le liquide interstitiel, précédemment abordé, est illustré en figure 15.

Figure 15 : Principe de la sur-assimilation du phosphore [11]

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Le phosphore étant présent sous différentes formes (dissoute, dans les colloïdes, les particules ou les bactéries), pour étudier les concentrations en phosphore dans le liquide interstitiel, nous avons procédé à une filtration (identique à celle réalisée pour la mesure des MES). Les résultats de ces mesures sont présentés dans le tableau 13.

[P-PO4] (mg/l)

Echantillon total

Filtrat

Surnageant (après 15min)

Eau brute

8,7 mg/l

3,4mg/l

-

Eau prétraitée

4,4 mg/l

2,3 mg/l

4,1 mg/l

Boue recirculée

> 25 mg/l

0,1 mg/l

0 mg/l

Moyenne en entrée de zone de contact16

18,6 mg/l

1,0 mg/l

1,6 mg/l

Sortie anaérobie

19,7 mg/l

0,6 mg/l

0,8 mg/l

Sortie du BA (avant début aération)

15,7 mg/l

0,2 mg/l

0,3 mg/l

Sortie du BA (fin aération)

14,7 mg/l

0,3 mg/l

0,5 mg/l

Eau traitée

0,21mg/l

-

-

Tableau 13 : Analyses de la concentration en phosphore le long de la filière

Si l’on s’intéresse aux mesures de filtrat, on constate que l’on est bien en deçà des concentrations considérées en figure 15. De plus, dans les filtrats, aucun relargage de phosphore n’est prouvé durant le passage de l’effluent en zone d’anaérobie. En effet, on passe d’une concentration moyenne de 1 mg/l à 0,6 mg/l. En réalité, 17%((1mg/l-0,6mg/l)/2,3mg/l) du P-PO4 du filtrat entrant sur le traitement biologique est même assimilé dans cette zone. Cette assimilation se poursuit alors normalement dans la zone d’aération passant de 0,6 à 0,2-0,3 mg/l. Mais ces résultats ayant été obtenus par filtration de la totalité des MES, il se peut que le filtre utilisé soit trop fin pour permettre le passage de la totalité des éléments présents dans le liquide interstitiel. C’est pourquoi nous nous intéresserons plutôt aux mesures sur l’ensemble de l’échantillon, présentées en colonne 2 du tableau 13.

16

Avec une recirculation à 150%. Exemple : pour une eau prétraitée à 2,3 mg/l et une eau recirculée à 0,1, la moyenne est de 1,0 (soit (1*2,3+1,5*0,1)/2,5).

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Ainsi on observe bien un relargage de phosphore de 18,6 à 19,7 mg/l puis une suassimilation du P en zone d’aérobie de 3,9 mg/l (18,6-14,7mg/l) soit 21% de la pollution de tête de BA (eau prétraitée + recirculation) ou 87% de l’eau pré-traitée. Mais encore une fois, le protocole de mesure utilisé pour ces analyses ne garantit pas la qualité des mesures par spectrophotométrie, car les échantillons analysés étaient déjà chargés en matières. Enfin, les derniers chiffres annoncés ne tiennent pas compte de la déphosphatation physico-chimique complémentaire qui n’a pu être arrêtée pour ces essais. C’est donc bien moins de 3,9 mg/l de P-PO4 qui est dégradé par voie biologique dans la totalité du bassin d’aération. Il sera donc indispensable de couper l’injection de FeCl3 pour étudier la sur-assimilation biologique du P. 3.2.3. Elimination de l’azote : aération 3.2.3.1.Le mode de fonctionnement. Bien que la STEP dispose d’un mode de pilotage de l’aération par la mesure du potentiel redox ou par la mesure de la concentration en O2 dans le BA en continu, l’exploitant souhaite travailler sur un mode « cadence-durée » et ne se servir des mesures de potentiel redox et d’O2 qu’à titre de suivi. Ce mode « cadence-durée » correspond en fait à la simple définition d’un temps de marche et d’arrêt des surpresseurs. 3.2.3.2.Les résultats de l’asservissement au potentiel d’oxydoréduction Pour mieux analyser la réactivité de la boue avec l’effluent, nous avons fait le choix de piloter l’aération de la station sur la mesure du redox durant les mois de février à avril 2009. Rappel : le PR Préfecture ne fonctionne que depuis le 5 Mars 2009. En utilisant des consignes de seuils haut et bas de 10 et 220 mV17 nous avons obtenu un temps d’aération moyen sur le mois d’avril de 6 h/j (et 7 h/j de temps sec), en travaillant à une concentration moyenne de 3.8 g/l dans le BA. Ce mode de fonctionnement permettait de s’adapter à la charge entrante et déjà présente sur la station, et assurait alors de très bons résultats en sortie. On constate d’ailleurs sur le graphe du potentiel redox présenté en figure 16 que la nitrification était optimale (avec une mesure de redox > 200 mV non corrigée) et que la dénitrification était totale avec la rupture de pente lors de la décroissance de la mesure.

17

Il s’agit d’une meure non corrigée. Pour obtenir une valeur en unité standard, c'est-à-dire une mesure par rapport à l’hydrogène, il faut ajouter 200 mV à la valeur lue.

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Dénitrification totale

Suivi du potentiel redox (non corrigé)

Suivi du débit d’air des surpresseurs

Figure 16 : Impacts de l’aération journalière pilotée par la mesure Redox

L’exploitant ne souhaitant toutefois pas piloter sa station sur ce mode il était important de pouvoir trouver un réglage aussi efficace mais indépendant de toute mesure de métrologie (trop peu fiable). En effet, si l’on prend l’exemple de cette station, il a été constaté en février 2009 que la sonde O2 n’était pas opérationnelle, et il a tout de même fallu attendre le mois de mai pour avoir un retour de matériel. Durant cette période, de nombreux appareils de métrologie ont également été mis hors service, notamment les afficheurs et sondes placées sur le bassin d’aération. Au début du mois de mai, seulement deux semaines après le début des essais du mode cadencedurée, nous nous retrouvions donc sans aucune métrologie en continu pour suivre notre traitement biologique. Le pilotage cadence durée était donc alors le seul moyen de gérer le traitement biologique et notamment le traitement de l’azote.

3.2.3.3.Les résultats de la cadence durée Depuis le 30 avril, différents essais ont donc été réalisés pour déterminer la plage d’aération optimale, comme présenté en tableau 14. Ne disposant pas de mesure de l’O2 en continu, un appareil de terrain a été utilisé pour déterminer le temps de montée de l’oxygène dissout durant la phase d’aération. Il est alors apparu qu’au bout de 30 minutes seulement, la boue est à saturation en O2 (la concentration dépasse 8 gO2/l) et l’O2 qui continue d’être apporté par les surpresseurs part donc majoritairement dans l’atmosphère. Les phases d’aération d’une heure constatées en pilotage par le redox n’étaient donc pas utiles au traitement. Les supresseurs fonctionnaient donc plus que nécessaire. Nous sommes donc partis sur un temps d’aération plus proche de ces 30 minutes tout en visant une aération quotidienne de 7 h/j. Des teneurs excessives en nitrate étant liées à une sur-aération, nous avons donc essayé de réduire le temps d’aération (de 45 à 35 minutes) puis d’augmenter le temps d’arrêt de l’aération (de 110 à 135 minutes).

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Période

Du 30 Avril au 4 Mai

Du 4 au 11 Mai

Du 11 au 18 Mai

Temps de marche

45

35

35

Temps d’arrêt

110

110

135

Temps d’aération journalier

7 h/j

6 h/j

5 h/j

[N-NO3] sortie

>18 mg/l

>18 mg/l

2.8 mg/l

[N-NH4] sortie

<0.5 mg/l

<0.5 mg/l

<0.5 mg/l

Tableau 14 : Détermination de la plage d’aération optimale en mode cadence-durée

Grâce au retour du matériel de métrologie de l’O2 à la fin du mois de mai, nous avons alors pu vérifier la qualité de notre asservissement. En effet, comme présenté en figure 17, on observe bien une période d’absence d’O2, suivie d’une montée rapide de l’O2 jusqu’à une valeur de saturation (8 mg/l), puis une chute linéaire de cette concentration peu après l’arrêt de l’aération.

Suivi de la concentration en O2 (mg/l)


Figure 17 : Evolution journalière de la concentration en O2 –le 05 Juin 2009

Nous avons donc obtenu un réglage satisfaisant avec 35 minutes d’aération et 135 minutes d’arrêt soit un temps d’aération journalier de seulement 5h/j alors que le calcul nous indiquait un besoin de l’ordre de 7h/j. Cependant, le calcul du besoin en oxygène ne tenait pas compte de la présence éventuelle de nitrates en entrée. Or, une injection de nitrate de calcium est installée sur le refoulement du PR Préfecture pour combattre une forte problématique d’H2S (à hauteur de 150 l/j pour 700 m3/j

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d’effluent). En raison de cette injection, l’effluent arrivant sur la STEP contient en moyenne 25 mg NO3/l soit 5.5 mg N-NO3/l (mesures YARA en mars et avril).18 Il n’est donc pas si surprenant que de bons résultats soient obtenus bien que l’aération soit inférieure à celle attendue. 3.2.3.4.Remarques Cependant, bien que ce réglage soit satisfaisant au vu du traitement journalier de l’effluent. Il apparaît que cette aération régulière n’a pas un effet homogène sur la liqueur mixte durant toute la journée. En effet, la nuit on obtient un potentiel d’oxydoréduction moyen de 200 mV tandis que le jour ce potentiel moyen est de 100 mV (confer figure 18). Il apparaît donc que nous aérons trop la nuit ce qui n’est pas surprenant étant donné que la charge arrivant sur la STEP est moindre. Le besoin en O2 métabolique et pour la nitrification chute par rapport au jour.

Suivi du potentiel redox (non corrigé)


Figure 18 : Suivi journalier du potentiel redox avec une aération régulière – le 10 Mai 2009

3.3. Le traitement physico-chimique du P Depuis la mise en route de la station en Avril 2008, le paramétrage de l’injection de chlorure ferrique indiquait un taux de traitement de 50 g FeCl3/m3. Or, après une petite étude des consommations réelles, il est apparu que le taux de traitement réellement appliqué sur la STEP était de presque 80 g FeCl3/m3.19 Or, nous avons vu précédemment que la dose de FeCl3 à injecter se situerait plutôt aux alentours de 20 à 50 g/m3. Ces résultats étant obtenus sans avoir considéré le fonctionnement particulier de la zone d’anaérobie, il s’agit bien alors de doses maximales à injecter pour obtenir 18

Des essais sont en cours pour réduire au maximum cette injection et donc réduire les concentrations en nitrate dans l’effluent refoulé.

19

Malgré, la remise en cause de l’étalonnage (également réalisé par nos soins) par le metteur en route et du paramétrage informatique, les modifications apportées par le metteur en route nous amène toujours à une injection de 60 g FeCl3/m3 au début du mois de mai 2009.

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un effluent de bonne qualité. La surconsommation de solution commerciale est donc ici bien évidente. Il est par conséquent, plus que normal que les concentrations en phosphore dans l’eau traitée soient bien en deçà des normes. On se situe en effet toujours aux alentours de 0.12 mg PPO4/l et de 0.2 mg/l P. Des essais de réduction de la dose ont donc été menés de façon progressive passant de 80 à 40 g de FeCl3/m3. On constate qu’à 40 g/m3, la qualité de l’eau de sortie est toujours tout a fait convenable, de l’ordre de 0.25 mg/l pour une norme à 2 mg/l (confer tableau 15). L’exploitant a donc tout intérêt à ne travailler qu’à 40 g/m3 pour ne pas surconsommer inutilement un réactif à la fois coûteux et source de danger (notamment lors des opérations de dépotage). Période

Du 5 mars au 03 mai

Du 05 au 18 mai

Du 20 mai au 07 juin

Débit moyen en m3

1130 m3/j

1570 m3/j

1170 m3/j

Taux de traitement en g FeCl3/m3

80 g/m3

60 g/m3

40 g/m3

Consommation de produit commercial

140 l/j

170 l/j20

85 l/j

P-PO4 sortie

0.12 mg/l

0.16 mg/l

0.25 mg/l

Tableau 15 : Optimisation de l’injection en FeCl3

Des tests pourront encore être menés pour réduire cette dose d’injection tout en conservant une concentration de phosphore inférieure à 0.5 mg/l en sortie, afin de lutter contre l’eutrophisation du milieu naturel.

20

Forte pluviométrie sur cette période, durant laquelle le débit moyen était de 1300 m3/j.

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3.4. La décantation des boues Malgré le plombage des boues engendré par un surdosage en FeCl3, la décantation des boues sur la STEP ne semble pas très performante. En effet, de janvier à mai, l’Im a fluctué entre 120 et 220 ml/g avec une valeur moyenne à 180 ml/g alors que pour une station très faible charge comme la notre, on devrait se situer aux alentours de 100 ml/g. Premièrement, les essais d’optimisation menés sur l’atelier de déshydratation, présentés en paragraphe 3.5., semblent avoir eu une influence sur la capacité de la boue à décanter. En effet, la surinjection initiale de polymère au niveau de la déshydratation conduisait au retour en tête d’importantes quantités de polymère. Le graphe de la figure 19, illustre ainsi la dégradation de la décantabilité de la boue avec la réduction nécessaire de l’injection de polymère au niveau de l’atelier de déshydratation.

Figure 19 : Variation de la décantabilité de la boue avec l’injection de polymère pour la déshydratation

Ce polymère participait donc de façon visible, dès la zone de contact à un phénomène de coagulation de la boue, comme illustré en figure 20. Coagulation dans la zone d’anaérobie

Coagulation dans la zone de contact

Arrivée d’eau prétraitée et retours en tête

Figure 20 : Photographie de la zone de contact durant le fonctionnement de la déshydratation 16/01/2009

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De plus, cette mauvaise aptitude de la boue à la décantation pourrait bien être due aux variations de la charge sur la station. En effet, si l’on compare l’évolution de l’Im et de la charge mesurée dans le BA, comme présenté en figure 21, le phénomène de gonflement de la boue est en corrélation avec les phases d’augmentation de la charge de la STEP.

Figure 21 : Variation de la décantabilité et de la charge du BA dans le temps

Il a de plus été remarqué, au cours de la période de forte charge dans le BA (fin mars-début avril), la présence de nombreux flottants sur les ouvrages extérieurs de la STEP comme représenté sur les photographies de la figure 22.

BA

Clarificateur

Figure 22 : Photographies des surfaces des ouvrages extérieur le 30/03/09, [MS BA] = 4 g/l. Ces flottants ne semblaient pas être dus à une dénitrification sauvage, car les rendements d’élimination de l’azote étaient toujours bons. De plus, ce phénomène pourrait également être lié à la présence de micro-orgnaismes filamenteux fins (Ø<1µm) ou ramifiés et raides. Cependant, ces flottants ayant disparu lors de la réduction de la charge des ouvrages, il semblerait que ce phénomène éphémère ne soit pas du à la présence de bactéries filamenteuses. Des analyses en cours devront permettre d’écarter cette éventualité. L’hypothèse d’amas graisseux dus à un dysfonctionnement du Biolix® pourrait également être envisagée.

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3.5. L’extraction des boues 3.5.1. Qualité de rendement de la déshydratation En 2008, sans le refoulement du PR Préfecture le fonctionnement de la déshydratation permettait d’obtenir des siccités entre 20 et 21%. Mais une fois l’étalonnage des pompes réalisé, il a pu être établi que la consommation en polymère était en réalité de près de 80 kg/t. Malgré de bons résultats en sortie (faible concentration du centrât et forte siccité) ce fonctionnement devait être modifié. En effet, en plus d’un surcoût d’exploitation, une telle injection risque perturber l’ensemble de la filière de traitement des eaux par des fuites de polymère dans le centrât. Des essais ont donc été menés pour réduire au maximum ce taux d’injection, tout en assurant des siccités correctes et des concentrations de centrât de l’ordre de 0.8 g/l. Les résultats de ces différents essais, présentés en annexe 10, démontrent que pour une meilleure efficacité de la machine, il faut envoyer des charges hydrauliques et massiques les plus importantes possible (sans dépasser 21 m3/h et 120 kg/h) pour obtenir des siccités de l’ordre de 17 % avec un taux de traitement optimum de 30 kg/t. Confer colonne 3 du tableau 16. Pour améliorer encore l’efficacité du polymère de la déshydaratation, le point d’injection, initialement placé à l’entrée de la centrifugeuse a été déplacé sur la conduite d’alimentation en boue, environ 7 m avant l’arrivée de la boue dans la centrifugeuse. Ainsi, le polymère se mélangeant mieux à la boue, il n’est pas surprenant de constater que les rendements de la déshydratation ont été nettement améliorés. Nous parvenions alors à obtenir une siccité de près de 20 % mais les consommations en polymère restaient bien supérieures aux garanties du constructeur, comme présenté en colonne 4 du tableau 16. Localisation de l’injection de polymère

Entrée de la centrif.

Amont de la centrif.


Débit de boue maximal (m3/h)

15 m3/h

21 m3/h

21 m3/h

Concentration du centrât (g/l)

0.8 g/l

0.8 g/l

0.8 g/l

Siccité (%)

20%

17 %

20 %

Taux de traitement (kg/t)

60-80 kg/t

30 kg/t

30 kg/t

Essais

-

Modifications des concentrations et débits de boue entrante, des débits de polymère entrant

-

Tableau 16 : Optimisation de la déshydratation : modifications des entrées.

Du fait d’un surdosage en réactif, et malgré les nombreux essais réalisés précédemment, il convenait donc, en accord avec le constructeur, de modifier le fonctionnement mécanique de la

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centrifugeuse en réduisant le diamètre de l’anneau de boue et en augmentant le couple de consigne de la centrifugeuse. Voir annexe 11 pour plus de détails sur le principe de fonctionnement de la centrifugeuse. En passant d’un couple de consigne de 0.9 kN.m à 2.5 kN.m (pour un couple de consigne maximal de 3kN.m sur cette machine), nous sommes en effet parvenus à obtenir des siccités correctes de l’ordre de 20% pour des taux de traitement inférieurs à ceux précédemment appliqués. On passait ainsi de 30 à 17 kg/t. Confer tableau 17. Localisation de l’injection de polymère




Couple de consigne : Tr (kN.m)21

0.9 kN.m

1.5 kN.m

2.5 kN.m

Débit de boue maximal (m3/h)

21 m3/h

21 m3/h

21 m3/h

Concentration du centrât (g/l)

0.9 g/l

0.8 g/l

0.8 g/l

Siccité (%)

16.3%

18.8%

20.4%

Taux de traitement (kg/t)

14 kg/t

25 kg/t

17 kg/t

Tableau 17 : Optimisation de la déshydratation : modifications mécaniques

Remarque : La modification de la pièce de jauge de l’anneau de boue implique une amélioration de la siccité au détriment de la concentration du centrât. De plus, avec un anneau de boue plus fin, la centrifugeuse sera plus sensible au risque de décrochage22, notamment pour les faibles concentrations de la boue d’extraction. NB : Si l’on modifie de nouveau le point d’injection de polymère dans la centrifugeuse, nous avons constaté que la centrifugeuse décroche. En effet, de cette façon, le polymère ne parvient pas à se mélanger correctement avec la boue. Nous avons donc essayé de travailler avec une solution de polymère plus diluée (passant de 3.3 à 1.9 g/l23) pour une meilleure répartition du polymère dans la boue, mais nous ne sommes toutefois pas parvenus à réduire le taux de traitement en dessous de 16 kg/t.

21

On constate alors des vitesses relatives entre la vis et le bol de l’ordre de 2.5 tr/min.

22

C’es à dire l’impossibilité pour la centrifugeuse de réaliser une déshydratation de la boue, celle-ci repartant presque en totalité à la place du centrât.

23

Avec une telle concentration de travail, la centrale polymère fonctionne presque en permanence, nous ne pouvons donc pas descendre à des concentrations encore inférieures.

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3.5.2. Durée de fonctionnement de l’extraction Après avoir déterminé la production de boue théorique à 1.5 t/semaine (confer §2.5.), l’exploitation de la STEP a démontré que la production de boue réelle est bien supérieure à 1.5 t/semaine. En effet, avec une extraction moyenne de 1.8t/semaine (confer figure 23) depuis la mise en route du PR préfecture, la concentration dans le BA a augmenté de 0.8 g/l entre les semaines 11 et 18. Avec un volume de près de 3000 m3, 2.4 t de boue se sont donc accumulées dans le BA en 7 semaines soit 350 kg/semaine.

Figure 23 : Bilan de l’extraction de boue sur la STEP – semaines 1 à 18

Pour se maintenir à une charge constante il faudra donc extraire 2.1 t de boue/semaine. Donc, avec une concentration de la boue d’extraction proche de 6 g/l, et un centrât de 0.8 g/l, au débit de 21 m3/h, la charge massique appliquée sur la centrifugeuse sera de 130 kg/h. Il faudra donc faire fonctionner la déshydratation durant près de 20 h/semaines. Avec un fonctionnement programmable, nous avons donc choisi d’extraire les boues durant deux journées par semaine : les lundi (jour de la tournée hebdomadaire) et les jeudi, à raison de 10h/j. Actuellement à 54% de la charge nominale24, par extrapolation au débit nominal de 1870 m3/j, nous estimons alors la production de boue à près de 4t/semaines. De la même façon que précédemment, nous estimons donc que pour une concentration de la boue d’extraction de 6 g/l et une concentration du centrât de 0.8 g/l, il faudra faire fonctionner l’atelier de déshydratation 37 h/semaines.

24

Sur la base du débit journalier.

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PARTIE 3 : Actions et améliorations à engager 1. A faire dès à présent 1.1. Des opérations de nettoyage Le constat de dépôt de sable dans le dégrilleur manuel n’est pas réellement problématique, par conséquent aucune modification des débits du poste de relevage n’est vraiment nécessaire. On pensera toutefois, à faire pomper ce sable de temps en temps, par exemple en même temps que les opérations de nettoyage du PR par une société extérieure, environ tous les 2 mois. 1.2. Utilisation des consignes définies dans le manuel Comme présenté en partie 2 de ce mémoire, les essais menés au cours de ces six mois de travail de fin d’études, ont conduit à la définition de consignes d’exploitation de la station. Par exemple, la recirculation devra être réglée à 150% et les pompes de recirculation seront bridées à 115 m3/h ; l’aération en mode cadence-durée doit assurer des phases de 35 minutes d’aération pour 135 minutes d’arrêt de l’aération, l’injection de chlorure ferrique pour la déphosphatation biologique doit être réduite à 40 g FeCl3/m3, la concentration dans le BA ne doit excéder les 3.5 g MES /l, 2.1 t de MS doivent être extraites de la STEP chaque semaine, un taux de traitement de 16 kg/t doit être appliqué à l’atelier de déshydratation…. 1.3. Etude du fonctionnement du dessableur Un sondage des zones de contact et d’anaérobie du bassin d’aération est essentiel à l’étude qui sera menée à plus long terme par les exploitants du site ainsi que par le CTA autour de l’efficacité du dessableur-dégraisseur. Des essais d’arrêt de la turbine d’aération devront être menés de façon rigoureuse sur une période représentative par des mesures quantitatives de l’influence de l’arrêt de la turbine de dégraissage sur la production de sable. Toutefois, les essais de garanties qui auront lieu en semaine 26 (fin juin) devraient permettre de répondre en partie à cette problématique des sables. 1.4. Essais de réduction de l’injection de FeCl3 Les essais de réduction de l’injection de FeCl3 pourront être poursuivis. Toutefois il faudra bien garder en mémoire que bien que l’arrêté de rejet autorise jusqu’à 2mg/l en phosphore, le rejet de P-PO4, même en faibles concentrations, a un impact non négligeable sur l’eutrophisation du milieu naturel. Les essais de garanties devraient également permettre de vérifier l’efficacité réelle du traitement biologique du P. Sandrine REJASSE


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2. Ce qui devra être fait dans l’avenir 2.1. Au niveau du dessableur-dégraisseur Si le passage du sable au travers du dessableur-degraisseur est avéré, il pourra être envisagé de remplacer la turbine en place par une turbine moins puissante (de l’ordre de 0.8kW). Afin de réduire le risque de by-pass des sables, une modification de la conduite d’arrivée de l’effluent dans l’ouvrage pourrait également être envisagée. Au lieu d’une arrivée radiale, une arrivée tangentielle de l’effluent dans la jupe centrale, associée à la remontée de cette conduite d’arrivée pourrait également donner d’aussi bons résultats sur la flottation des graisses tout en permettant une meilleure décantation des sables. 2.2. Pour le traitement des graisses Un système d’aération de type « diffuseur à clapets » permettrait de réduire les difficultés d’exploitation liées aux bouchages par la filasse de la turbine d’hydro-injection (voir figure f de l’annexe 5). Cependant, cette modification représente un investissement de 6 k€ qui sera probablement assuré dans son intégralité par la Lyonnaise Des Eaux. Par conséquent, la faisabilité de cette modification sera dépendante de l’évolution des budgets de la société qui devra à un moment faire un choix entre coûts d’investissement et coûts d’exploitation.

2.3. Pour le traitement biologique L’exploitant ne souhaitant pas se fier aux appareils de métrologie pour le pilotage de la STEP, il sera impératif de procéder à la modification des préférences de pilotage de l’aération depuis l’automate. Comme souligné en partie 2, §3.2.3.4., si l’on restait en fonctionnement cadence durée, il serait alors nécessaire de disposer de deux réglages d’horloge différents : un réglage pour la nuit et un réglage pour le jour. Toutefois, il semble aujourd’hui envisageable par l’exploitant de travailler sur une régulation par la mesure de l’oxygène. La mesure du redox ne serait cependant utilisée qu’en dernier recours. Le temps d’arrêt de l’aération serait ainsi fixe dans le temps et seul le temps d’aération sera variable et correspondra au temps nécessaire pour que la concentration en oxygène atteigne la valeur de saturation du milieu. Les alarmes de temps de montée et de descente minimum et maximum ou de seuils haut et bas de la mesure d’O2 ou de la mesure redox pourront alors être utilisées et permettre, en cas de dysfonctionnement, le basculement du mode O2 sur un mode cadence-durée (précédemment défini).

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2.4. Sur la recirculation L’installation de variateurs sur les pompes de recirculation permettra d’appliquer une recirculation continue et homogène dans le temps. De cette façon on devrait pouvoir homogénéiser les temps de séjour dans les zones de contact et d’anaérobie et ainsi leur permettre de mieux assurer leurs fonctions respectives (voir partie 2, § 2.2.1 et § 2.2.2). A ce jour, il semble que la collectivité ait bien pris conscience de cet enjeu de la recirculation et qu’un investissement de leur part est attendu prochainement. 2.5. Extraction et traitement des boues 2.5.1. Automatisation de sa gestion La concentration de la préparation de polymère ne pouvant être encore réduite, pour permettre une meilleure homogénéité entre la boue et l’injection de polymère, une dilution en ligne (avec de l’eau industrielle) pourrait être envisagée. Une meilleure homogénéité permettrait en effet d’améliorer l’efficacité du polymère pour la déshydratation et donc permettre de réduire encore le taux de traitement appliqué. Le bénéfice serait alors double : réduction des consommations en réactifs et réduction des retours en tête de polymère. De plus, dès la réception totale de la station, pour plus de sérénité dans l’exploitation de l’extraction des boues, il serait plus qu’intéressant de mettre en place certaines alarmes. En effet, l’extraction fonctionnant en direct, la déshydratation devrait se mettre en défaut si l’arrêt de la rotation du pont suceur excède les 10 minutes. Au delà on risque en effet extraire de la boue trop peu concentrée voire de l’eau qui ne pourra pas être déshydratée. Pour éviter que la centrifugeuse continue de tourner alors qu’elle ne parvient plus à centrifuger la boue entrante, la mise en place d’un MES-mètre sur le départ de centrât pourrait permettre la mise en défaut de la centrifugeuse lorsque la concentration du centrât devient anormale. On pourrait alors par exemple envisager d’utiliser une simple alarme à 1 g/l et une mise en défaut de la centrifugeuse à 1.5 g/l. 2.5.2. Mise en place d’un épaississeur La centrifugeuse étant grande consommatrice d’énergie et obtenant de meilleurs rendements avec de fortes charges, il pourrait être utile de mettre en place un épaississeur pour travailler à la fois avec des boues plus concentrées et plus homogènes. En effet, la charge maximale étant de 400 kg/h en entrée de centrifugeuse, on pourrait envisager de travailler avec des boues jusqu’à 19 g MS/l au débit maximal de 21 m3/h. De cette façon on pourrait même envisager de ne plus déshydrater qu’une seule journée par semaine. (Remarque : Une extraction plus homogène dans le temps (sur 2 jours par semaine) est toutefois souhaitable).

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A l’heure actuelle la production de 2.1 t MS/semaine quand la concentration dans le BA est de 3.5 g/l nous impose une déshydratation sur 20 h/semaine, qui passerait à 37 h/semaine au débit nominal.

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PARTIE 4 : Le management de gestion d’un service des eaux

1. Le management d’une équipe Le management d’un service n’est autre que l’ensemble des moyens mis en œuvre par le responsable de ce service pour créer, à partir d’individus particuliers, une unique entité. Afin que chacun puisse trouver sa place au sein de cette entité, le manager a la responsabilité de réunir, d’organiser, de canaliser et de coordonner l’ensemble de ces individus, leurs compétences, leurs caractères et parfois même leurs humeurs. Ainsi, le management d’une équipe ne se réussi pas, mais doit être continuellement adapté à ces différents individus, à leurs besoins, et aux situations rencontrées dans un souci d’efficacité du travail. Il s’agit de réussir ensemble autour d’objectifs communs. De plus, bien que l’environnement de travail soit bien plus souvent subi que choisi, le manager se doit de ne pas se laisser déborder par les évènements imprévus (contrats, intempéries, pollutions, demandes personnelles diverses…). Il ne doit pas devenir acteur mais metteur en scène et doit donc se méfier de tous les éléments chronophages qui, bien qu’inévitables, ne représentent pas l’essentiel du fonctionnement de son service. C’est pourquoi, le manager d’un service, tel que le service des eaux, se doit d’être à la fois réactif, organisé, motivant et convainquant.

2. Le management des clients La difficulté majeure dans la gestion des clients est l’amalgame qui est régulièrement fait entre délégation de service des eaux et omniprésence des sociétés privées dans ce domaine. Un manque général d’information du public est donc à déplorer. C’est pourquoi des missions de sensibilisation du public sont régulièrement menées par l’agence Périgord - Vallée de la Dordogne auprès notamment des plus jeunes (visites des stations de traitement d’eau potable et des eaux usées), le grand public lors de journées portes ouvertes (à l’occasion de la semaine de l’environnement par exemple) mais également des professionnels (pompiers, gendarmerie…). Ces manifestations, auxquelles j’ai eu l’occasion de participer au cours de ces six derniers mois, ont permis à tous ceux qui le souhaitaient de découvrir les procédés de traitement utilisés, leurs enjeux, de rappeler les bonnes pratiques d’utilisation des eaux, et de répondre aux nombreuses questions qui pouvaient être posées sur les spécificités du secteur. La gestion de la ressource en eau est un sujet sensible, la meilleure façon de ne pas s’informer étant d’obtenir de la désinformation.

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3. Le management budgétaire La gestion budgétaire d’un service des eaux ne se résume pas à la gestion de ces dépenses et recettes d’exploitation, car, bien que les collectivités restent toujours propriétaires des installations exploitées, le budget du service doit également permettre la réalisation d’investissements. Cette part d’investissement, présentée dans le rapport de gestion annuel, doit être préparée en fonction du type de contrat passé avec la collectivité. Dans le cadre d’un contrat d’affermage, les investissements seront réalisés suivant le plan à moyen terme négocié avec la collectivité. En revanche, dans le cadre d’une concession, la charge d’investissement incombera directement au délégataire. De même dans le cas d’une prestation de service ou d’une demande particulière de la collectivité, le contrat constituera toujours la base de travail. Il est donc important de connaître parfaitement ces contrats afin de pouvoir en maîtriser et en anticiper les dépenses, et il faudra toujours résonner sur la totalité de la durée contractuelle. En conclusion, un bon management budgétaire d’un service des eaux passe par la bonne gestion de son plan de gestion contractuelle et le juste équilibre prévisionnel de son budget d’exploitation.

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CONCLUSION

Bien qu’elle soit en sous-charge évidente, avec 54% de sa charge hydraulique nominale et 30% de sa charge massique nominale, la STEP semble aujourd’hui avoir atteint son fonctionnement de croisière. Les consignes de fonctionnement proposées, testées et archivées au cours des mois de janvier à juin 2009, présentées dans ce mémoire de fin d’études ainsi que dans le manuel d’exploitation de la station, permettront donc à l’exploitant de faire correctement fonctionner l’installation pendant de nombreuses années en considération des enjeux économiques, sociaux et environnementaux. Ces consignes seront certainement amenées à évoluer d’ici une dizaine d’année avec le développement de quartiers résidentiels sur la commune de Trélissac aujourd’hui très peu urbanisée mais attenante à la ville de Périgueux qui est pour sa part fortement urbanisée. Toutefois, une optimisation de fonctionnement n’ayant pas de fin en soit, des améliorations resteront toujours à apporter. Après la remise en cause des performances garanties par le constructeur, au sein de la Lyonnaise des Eaux, les essais de garanties permettront prochainement de démontrer la réalité des dysfonctionnements soulignés. De plus, après ces essais du constructeur (prévu pour la dernière semaine du mois de juin), des études plus poussées devront être menées en interne (par l’exploitant lui même, le SEA ou le CTA) de façon spécifique autour de la déphosphatation biologique, la récupération des sables et gestion de l’âge de boue (aujourd’hui aggravé par une faible charge entrante). Mais plusieurs années seront peut-être nécessaires à la programmation de ces études complémentaires et au déblocage d’éventuels fonds d’investissements par le maître d’ouvrage, ou bien encore l’exploitant lui-même.

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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.

Autocurage : L’autocurage d’une conduite représente sa capacité à laisser transiter les écoulements sans s’encrasser. Bassin Versant : C’est une portion de territoire délimitée par des lignes de crêtes, dont l’ensemble des eaux converge vers un même exutoire. Biomasse : C’est l’ensemble de la matière organique, qu’elle soit d’origine animale ou végétale. Biodégradabilité : elle caractérise la capacité d’un élément à être dégradé par des êtres vivants. Charge massique (Cm) : C’est le rapport entre la charge polluante entrante (en kg de DBO5/j) et la masse de boue présente dans le système. Demande Biologique en Oxygène sur 5 jours : C'est la quantité d'oxygène consommée en 5 jours par les matières biodégradables présentes dans une eau usée et qui se dégradent au cours du temps par des processus biochimiques naturels. Demande Chimique en Oxygène : Elle représente la totalité de la pollution biodégradable et réfractaire contenue dans un effluent. Equivalent-Habitant : l’équivalant habitant est une unité de mesure utilisée en assainissement pour caractériser un flux d’effluent urbain classique. On considère dans ce mémoire qu’ 1 EH correspond à un débit d’eaux usées de 150 l/j, ce chiffre pouvant varier de 120 à 180 l/j/EH selon les sources. Eutrophisation : C’est le phénomène de modification et de dégradation du milieu naturel lié à un apport excessif en nutriments comme l’azote et le phosphore. Filasse : enchevêtrement de filaments qui forme un amas. Elle est généralement constituée par les cheveux et la graisse. Hauteur Manométrique Totale : C’est la somme des hauteurs géométriques et des pertes de charge à l’aspiration et au refoulement d’une pompe. Indice de Molhman : Défini après décantation pendant 30 minutes d’un litre de boue et exprimé en ml/g. Il caractérise ainsi la capacité d’une boue à la décantation. On estime que pour un indice de 150ml/g la boue aura une bonne aptitude à la décantation.

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Optimisation du fonctionnement d’une station d’épuration à boues activées de 10 000 EH, Trélissac (24) 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. Liquide interstitiel : Le liquide interstitiel correspond au liquide présent entre les différentes cellules présentes dans la liqueur mixte. Matières Extractibles à l’Hexane : exprimées en concentration dans un milieu, grâce à une méthode d’analyse utilisant de l’hexane, ces MEH caractérisent la composition graisseuse du milieu. Matières En Suspension : 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). Matières Sèches : C’est l’ensemble des matières minérales ou organiques présentes dans un milieu, qu’elles soient sous forme dissoute, colloïdale ou particulaire. Matières Volatiles en Suspension : 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. Siccité : Exprimée en %, la siccité de la boue correspond à la proportion de matière sèche contenue dans une certaine masse de boue. Ainsi une siccité de 20% signifie que la boue contient 20% (en masse) de matières sèches et donc 80% d’eau. Substrat : C’est un milieu contenant les éléments nutritifs nécessaires au développement de certains organismes.

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INDEX BV : Bassin Versant CAP : Communauté d’Agglomération Périgourdine CCTP : Cahier des Clauses Techniques Particulières CIRSEE Centre International de Recherche Sur l’Eau et l’Environnement Cm : Charge Massique CTA : Centre Technique Assainissement DBO5 : Demande Biologique en Oxygène après 5 jours DCO : Demande Chimique en Oxygène EH : Equivalent-Habitant EP : Eaux de Pluies EU : Eaux Usées GITE : Groupe Inter-exploitation des Techniciens de l’Epuration HMT : Hauteur Manométrique Totale ICPE : Institution Classée pour la Protection de l’Environnement Im : Indice de Molhman MEH : matières Extractibles à l’Hexane MES : Matières En Suspension MS : Matières Sèches MVS : Matières Volatiles en Suspension SEA : Service d’Expertise Assainissement SIVU : Syndicat Inter-communal à Vocation Unique SIVOM : Syndicat Inter-communal à Vocation Multiple STEP : STation d’EPuration. STEU : Station de Traitement des Eaux Usées

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BIBLIOGRAPHIE [1] AUDIC J.M., SADOWSKI A.G., VIRLOGER F., Traitement des eaux usées urbaines. CIRSEE-Lyonnaise Des Eaux ENGEES, Mai 2002, chapitre 6 à 9, p99-200. [2] BLIN E., Fiches techniques GITE. CIRSEE, Edition de juin 2004, 115p [3] CANLER J-P., PERRET J-M., Dysfonctionnements biologiques des stations d’épuration. Document technique FNDAE n°33. GIS-BIOSTEP, CEMAGREF, 2004, p5-38. [4] CAULET P., BUJON B., Upgrading of wastewater treatment plants for nitrogen removal: industrial application of an automated aeration management based on ORP evolution analysis. Water Sciences Technologies, Vol. 37 N°9, 1998, p41-47. [5] COUTADEUR V., Optimisation et aide à la mise en service de la station de traitement des eaux usées de salon de Provence. Mémoire présenté pour l’obtention du diplôme d’ingénieur ENGEES. 2004. 87 p. [6] DEGREMONT. Mémento Technique de l’eau. Tomes 1 et 2, Dixième édition, mai 2005, 1718p. [7] DUCHENE P. PUJOL R., Dysfonctionnement biologiques dans les stations d’épuration en boues activées. Actes du colloque POLLUTEC 94, CEMAGREF, Octobre 1994, p5-18. [8] LANSKY M., Effect of coagulation dosing on physico-chemical and microbiological characteristics of activated sludge and foam formation. Acta hydrochim. hydrobiol. 33, 2005, p266-269. [9] PRONOST J., Stations d’épuration : dispositions constructives pour améliorer leur fonctionnement et faciliter leur exploitation. FNDAE n°22 bis, OIE/CNFME/SNIDE, 2002, 86p. [10] PUJOL R., Guide technique sur le foisonnement des boues activées. La décantation des boues activées. FNDAE n°8, CEMAGREF, p9-16 [11] SADOWSKI A.G., Formation ingénieur ENGEES, cours de traitement des eaux usées. [12] SADOWSKI A.G., Méthodologie pour un diagnostic des dysfonctionnements des stations de traitement des eaux usées par boues activées. SHU-ENGEES, 2001, 89p. [13] SADOWSKI A. G., Principales causes de dysfonctionnement des stations de traitement des eaux usées, CIRSEE-Lyonnaise Des Eaux, 1993.

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ANNEXES

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LISTE DES ANNEXES : ANNEXE 1 : Organisation de la lyonnaise des eaux sur le territoire français

67

ANNEXE 2 : Réseau alimentant la STEP de Trélissac – Les Garennes

68

ANNEXE 3 : Fonctionnement du PR Préfecture

69-70

ANNEXE 4 : Synoptique de la filière de traitement

71

ANNEXE 5 : Photographies des ouvrages de la STEP

72-75

ANNEXE 6 : Révision du dimensionnement de la STEP

76

ANNEXE 7 : Calcul du besoin en oxygène pour le traitement biologique

77-78

ANNEXE 8 : Détermination de la dose de FeCl3 à injecter

79

ANNEXE 9 : Estimation de la production de boue

80

ANNEXE 10 : Optimisation de la déshydratation : modifications des charges entrantes

81-83

ANNEXE 11 : Principe de fonctionnement de la centrifugeuse

84-85

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ANNEXE 1 : Organisation de La Lyonnaise Des Eaux sur le territoire français Elle se compose de 29 centres régionaux dont le Centre Régional Guyenne, basé à Bordeaux comme présenté ci après.

Figure a : Organisation de la Lyonnaise Des Eaux en centres régionaux

Ses centres régionaux sont eux organisés en 120 agences territoriales dont l’agence Périgord – Vallée de la Dordogne, basée à Périgueux, comme représenté ci-dessous.

Figure b : Organisation de l’agence Périgord – Vallée de la Dordogne

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ANNEXE 3 : Fonctionnement du PR Préfecture

Le refoulement est automatisé selon trois modes de fonctionnement différents, dépendant du niveau d’eau dans le poste : - un mode de temps sec, - un mode de temps de pluie, - un mode de temps de forte pluie. Le schéma de la chambre de vanne du poste est présenté ci-dessous :

Schéma de la chambre de vanne du PR Préfecture Sandrine REJASSE


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a. Temps sec En temps sec la totalité des effluents est envoyée sur la STEP de Trélissac via une conduite de refoulement DN 208 de 6.28 km de long. Lorsque le niveau dans le poste atteint le « niveau haut » à 1.5 m, les trois pompes P1, P2 et P3 fonctionnent donc en alternance afin d’assurer le refoulement. NB : On n’aura jamais le fonctionnement de deux pompes en refoulement simultané sur Trélissac. La vanne motorisée VS sur la conduite de refoulement vers Saltgourde (via le carrefour Victor Hugo) est donc fermée. L’ensemble des vannes motorisées VT 1 et VT 2 est donc ouvert.

b. Temps de pluie Si le niveau défini comme « niveau très haut » est atteint dans le poste, alors le débit transitant par le PR Préfecture est alors réparti sur les deux refoulements : Saltgourde et Trélissac. Pour ce faire, la pompe P1 (dont la conduite est placée la plus à droite dans la chambre de vanne) assure le refoulement vers Saltgourde. La vanne VS est donc ouverte et la vanne VT 1 fermée. Les pompes P2 et P3 fonctionnent elles de façon indifférente pour assurer le refoulement vers Trélissac. La vanne VT2 est donc ouverte. A l’atteinte du niveau bas les pompes s’arrêtent et le poste rebascule en fonctionnement de temps sec.

c. Temps de forte pluie Si enfin, on atteint le « niveau très très haut » du poste, les 3 pompes sont en fonctionnement : - Les pompes P1 et P2 refoulent vers Saltgourde - La pompe P3 refoule vers Trélissac. Les vannes VT1 et VS sont donc ouvertes et la vanne VT 2 est donc fermée. A l’atteinte du niveau bas les pompes s’arrêtent et le poste rebascule en fonctionnement de temps sec.

Source : Fiche technique du PR Préfecture, rédigée par S. REJASSE, Mai 2009.

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ANNEXE 4 : Synoptique de la filière de traitement

EAU BRUTE

EAU TRAITEE Schéma de la chambre de vanne du PR Préfecture

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ANNEXE 5 : Photographies des ouvrages de la STEP

1 Prétraitement

Figure a : Photographie - Déchets de nettoyage du PR de la STEP – Sandrine REJASSE - 05-02-2009

Figure b: Photographie - Local de pré-traitement - 1er étage – Sandrine REJASSE - 05-02-2009

Partie automatique

Partie manuelle

Figure c: Photographie - Intérieur du dégrilleur – Sandrine REJASSE - 02-06-2009

Figure d: Photographie - Evacuation des déchets de dégrillage v– Sandrine REJASSE – 12-06-2009

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Figure e: Photographie - Intérieur du dessableur-dégraisseur – Sandrine REJASSE – 10-03-2009

Figure f: Photographie - Turbine d’aération du BIOLIXbouchée par de la filasse – Sandrine REJASSE - 21-04-2009

2 Le traitement biologique

Figure g: Photographie - Bassin d’aération de la STEP – Sandrine REJASSE - 10-03-2009 Remarque : la photographie de droite de la figure 33 présente la surface du bassin d’aération durant sa phase d’aération.

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Figure h: Photographie - Puits de dégazage– Sandrine REJASSE - 10-03-2009 3 La séparation des boues

Figure i: Clarificateur– 11-02-2009

Figure j: Pont suceur– 06-03-2009

Remarque : la photographie de la figure j présente bien le phénomène de flottant constaté sur la STEP. 4 Le traitement des boues

Figure k: Photographie - Centrifugeuse – Sandrine REJASSE - 10-03-2009

Figure l: Photographie - Préparation de polymère pour la déshydratation– Sandrine REJASSE - 10-032009

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Optimisation du fonctionnement d’une station d’épuration à boues activées de 10 000 EH, Trélissac (24) 5 Les déchets

Benne à sable

Benne à boues

Figure m: Photographie - Evacuation des boues et des sables dans le local benne 05-03-2009 6 Autrs filières indépendantes

Figure n: Photographie - Traitement des odeurs – Sandrine REJASSE - 05-03-2009

Figure o: Photographie - Préparation d’eau industrielle – Sandrine REJASSE - 05-03-2009

Cuve de stockage

Armoire de dosage

Figure p: Photographie - Dosage de FeCl3- Sandrine REJASSE - 05-03-2009 Sandrine REJASSE


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ANNEXE 6 : Révision du dimensionnement de la STEP A. Dessableur-dégraisseur cylindro-conique Décantation des sables En partant du débit journalier maximum admissible sur la STEP de 130 m3/h, pour une vitesse minimale de décantation des sables de 50 m/h, on arrive à une surface d’ouvrage minimale de 2,6 m². Graisses En partant d’un débit moyen en temps sec de 78 m3/h, avec une vitesse de flottation minimale de 10 m/h et un temps de séjour de l’effluent dans l’ouvrage de 15 min, on arrive à une surface d’ouvrage de 7,8m² pour un volume de19,5 m3. En partant du débit journalier maximal admissible sur la STEP de 130 m3/h, avec une vitesse de flottation minimale de 15 m/h et un temps de séjour de l’effluent dans l’ouvrage de 10 min, on arrive à une surface d’ouvrage de 8,7 m² pour un volume de 22 m3. Cependant, en se basant sur le débit de pointe réel de 200 m3/h, avec une vitesse de flottation minimale de 30 m/h et un temps de séjour de l’effluent dans l’ouvrage de 5 minutes, on arrive à une surface d’ouvrage de 6,7 m² pour un volume de 16,7 m3. Dimensionnement du GC Il semble alors correcte de prendre en compromis un ouvrage cylindro-conique dont la surface génératrice est un disque de 8,8 m² (3,4 m de diamètre) et de volume de cylindre de 22 m3 (donc une hauteur de cylindre de 2,5m). Turbine de flottation des graisses Dans ce cas de figure, il a été démontré que des turbines de 65 à 80 W/m² de surface d’ouvrages sont les plus adaptées. Dans le cas de la STEP, avec une surface réelle de 11 m², un aéroflot de 0,7 à 0,9 kW aurait donc été adapté. B. Zone de contact Avec un débit de pointe de 200 m3/h en entrée associé à une recirculation maximale de 175 m3/h, on obtient alors un volume traversier de pointe de 375m3/h dans cet ouvrage. Pour un temps de séjour minimum de 10 minutes, on estime alors le volume de la zone nécessaire à 60 m3. Sur la base du débit moyen de temps sec de 1870 m3/j avec une recirculation à 150%, pour assurer un temps de séjour de 20 minutes minimum, il faut que la zone de contact contienne 65 m3. C. Zone d’anaérobie L’objectif étant d’obtenir un temps de séjour minimum au débit moyen dans la zone d’anaérobie de 120 minutes et au débit de pointe de 90 minutes, on estime le volume minimum de cette zone à près de 500 m3.

En effet :

78 + 78 × 150% = 390m 3 60 200 + 170 VAnaérobie DébitPo int e (m 3 ) = 90 × = 555m 3 60 VAnaérobieDébitMoyen (m 3 ) = 120 ×

Remarque : A 200 m3/h, on ne pourra pas assurer une recirculation de 150% mais seulement 170m3/h supplémentaires avec une recirculation maximale.

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ANNEXE 7: Calcul du besoin en O2 pour le traitement biologique

Ce besoin en oxygène (en kg O2/j) est en fait la somme de :

-

L’oxygène nécessaire à la dégradation de la pollution carbonée, assimilée par les bactéries lors de la phase d’anaérobie : on appelle ce besoin le besoin métabolique.

Il est calculé comme suit : o Par la méthode ENGEES :

BesoinMétabolique(kgO 2 / j) = a '×DBO 5 E lim inée (kg / j) 0.5 où a ' = 0.73 − 0.29Cm + 0.07 * Cm o

Par la méthode du SEA :

BesoinMétabolique(kgO 2 / j) = DBO Entrée (kg / j) × (0.72 − 0.24Cm )

- L’oxygène nécessaire à la respiration propre des bactéries : également appelée respiration endogène. Il est calculé comme suit (pour les méthodes ENGEES et SEA) :

BesoinEndogène(kgO 2 / j) = b'×MVSSystème (kg) où

-

b' = 0.02 − 0.32Cm + 0.23Cm 1.5 + 0.22Cm 0.5

L’oxygène nécessaire à la dégradation de l’azote sous sa forme N-NH4. Il y a alors formation de NNO3. On tiendra compte dans ce dernier calcul de l’oxygène libéré par la dénitrification.

BesoinDégradationN (kgO 2 / j) = 4.54 × N ànitrifier − 2.86 × N àdénitrifi er

Remarque : le SEA prend comme coefficient (4.5 ;2.5) au lieu de (4.54 ;2.86). De plus, il approxime Nà dénitrifier par N à nitrifier.

Ce besoin total en oxygène est alors converti en durée d’aération journalière par la formule :

Duréed' aération(h / j) =

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BesoinTotaleEnO 2 / j 1700Nm / h × 5.8md ' eau × 0.06 * 0.95 AgeDesDiffuseurs × 0.55 3


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ANNEXE 8 : Détermination de la dose de FeCl3 à injecter

Comme expliqué précédemment, l’injection de FeCl3 a pour objectif de faire précipiter la pollution phosphorée. Il convient donc de définir la quantité de P à précipiter chaque jour sachant que :

Pàprécipiter = Pso lub leentrée − Passimilé − Pso lub lerejet Avec : P soluble entrée = P tot entrée – P MES entrée Où P MES entrée = 1.8 % des MES en entrée P assimilé représente 1.5% des MV (Matières volatiles) des boues biologiques et 1 % précipité sur le floc, soit 2.5% des MVS (Matières Volatiles en Suspension) des boues biologiques. P soluble rejet = P tot rejet – P MES rejet Où P

MES rejet

= x% des MES rejet, avec

x=

Ptotentrée − Pso lub lerejet PB

, où PB est la somme des productions

de boues biologique et physico-chimique.

56 × β(rendementd' é lim ination) × (Pso lub leentrée kg / j − Passimilé kg / j) 31

Puis

Fe àinjecter =

D’où

Solutioncommerciale(l / j) = Fe àinejecter kg / j / 0.4 / 1.4

NB : la production de boue physico-chimique et le taux de traitement en FeCl3 sont interdépendants.

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ANNEXE 9 : Estimation de la production de boue

La production de boue biologique est la somme de :

-

Matières Minérales entrantes en kg/j, estimées à 27 % des MES entrantes, Matières Volatiles non biodégradables en kg/j, estimées à 25 % des MVS où les MVS représentent 73% des MES entrantes ; Un terme proportionnel à la DBO5 éliminée : K*DBO5éliminée où K dépend de la charge massique Cm de la station, Un terme proportionnel au N-NH4 nitrifié : 0.17*N-NH4 nitrifié

D’où : Production de boues biologiques =

0.27 × MESentrée(kg / j) + 0.25 × 0.73 × MESentrée(kg / j) + (0.83 + 0.2 × log(Cm ) × DBO5é lim inée + 0.17 × N − NH 4 nitrifié

La production de boue physico-chimique est la somme des différents précipités formés par l’adjonction de fer sous sa forme FeCl3 :

-

151 × Pàprécipiter , 31 107 56 Précipitation de Fe(OH)3 = × (Fe injecté − FePO 4 précipité × ) 56 151 Précipitation de FePO4 =

D’où, par simplification mathématique: Production de boues physicochimiques =

44 107 × Pàprécipiter + × Fe injecté 31 56

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ANNEXE 10 : Optimisation de la déshydratation : modifications des charges entrantes A. Résultat : qualité du centrât

Influence du de la charge entrante :

Les variations de qualité de centrât lors des différents essais de déshydratation ne permettent pas de conclure concernant l’influence de la charge entrante sur la qualité du centrât renvoyé en tête de station, comme on peut le voir sur le graphique ci-dessous :

[MS du centrat] (g/l)

5 4 3 2 1 0 0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

Charge entrante (kg/h)

Toutefois, il est à noter qu’au delà d’un certain seuil de charge entrante, la centrifugeuse ne peut plus assurer une bonne qualité de l’eau repartant en tête de station. En effet, pour une boue entrant à 15g/l, la charge maximale entrante est inférieure à 220 kg/h (mesure du 06/04/09).

Influence du taux de traitement :

Les variations de qualité de centrât lors des différents essais de déshydratation ne permettent pas de conclure concernant l’influence du taux de traitement sur la qualité du centrât renvoyé en tête de station, comme on peut le voir sur le graphique ci-après. En effet, le seul point remarquable a pour coordonnées : 4,5 g/l en concentration de centrât pour un taux de traitement d’environ 12 kg/tonne de MS. Or il semble que ce mauvais résultat semble plutôt dû à un dépassement de la charge admissible en entrée de centrifugeuse plutôt qu’à un taux de traitement trop faible.

[MS du centrat] (g/l)

5 4 3 2 1 0 0.000

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

70.000

80.000

90.000

Taux de traitement (kg Flop/tonne MS entrante)

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Optimisation du fonctionnement d’une station d’épuration à boues activées de 10 000 EH, Trélissac (24) B. Résultat : siccité de la boue extraite

Influence de la concentration de la boue d’extraction :

Siccité (%)

21.00% 20.00% 19.00% 18.00% 17.00% 16.00% 15.00% 14.00% 0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

[MS extraction] (g/l)

D’après les essais il apparaît donc une certaine limite quant à la capacité de la centrifugeuse à traiter une boue trop concentrée. On évitera ainsi de travailler avec des boues de concentration supérieure à 12 g/l.

Influence de la charge entrante :

Siccité (%)

21.00% 20.00% 19.00% 18.00% 17.00% 16.00% 15.00% 14.00% 0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0


De même que pour le paramètre de concentration du centrât en MS, la siccité est influencée par la charge entrante au-delà d’un certain seuil. D’après la siccité il apparaît que le seuil de bon rendement de la centrifugeuse n’est plus de 220 kg/h mais de 120 kg/h.


Siccité (%)

21.00% 20.00% 19.00% 18.00% 17.00% 16.00% 15.00% 14.00% 0.000

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

70.000

80.000

90.000

Taux de traitement (kg Flop./tonne MS entrante)

Dans un souci économique et pour ne pas perturber le fonctionnement du traitement de l’eau sur l’ensemble de la filière on souhaite minimiser la quantité de polymère à injecter dans la centrifugeuse. Par conséquent, il apparaît que nous n’aurons aucun intérêt à travailler avec un taux de traitement supérieur à 30 kg de Flopam par tonne de charge entrante sur la centrifugeuse. Il apparaît cependant qu’en réduisant trop ce taux de traitement la siccité de la boue évacuée chutera. Sandrine REJASSE


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Optimisation du fonctionnement d’une station d’épuration à boues activées de 10 000 EH, Trélissac (24) C. Résultat : taux de capture de la boue

Taux de capture (%)

Influence de la concentration de la boue d’extraction :

100.00% 95.00% 90.00% 85.00% 80.00% 75.00% 70.00% 65.00% 60.00% 0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

[MS extraction] (g/l)

Il semble alors que plus la boue est concentrée, meilleur est le taux de capture. La grande variation du taux de capture avec une concentration de la boue entrante de 15g/l correspond à la variation du débit d’entrée sur la centrifugeuse : confer paragraphe suivant concernant l’influence de la charge entrante.

Taux de capture (%)

Influence de la charge entrante :

100.00% 95.00% 90.00% 85.00% 80.00% 75.00% 70.00% 65.00% 60.00% 0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0


Il apparaît donc que plus la charge entrante est importante, plus le taux de capture est élevé. Toutefois, on constate une fois encore l’existence d’un seuil de charge admissible en entrée de centrifugeuse inférieure à 220 kg/h.

Taux de capture (%)

100.00% 95.00% 90.00% 85.00% 80.00% 75.00% 70.00% 65.00% 60.00% 0.000


10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

70.000

80.000

90.000

Taux de traitement appliqué (kg Flop./ tonne MS entrante)

Les essais réalisés ne permettent pas de conclure sur une influence du taux de capture par le taux de traitement appliqué.

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ANNEXE 11 : Principe de fonctionnement de la centrifugeuse A. Généralité La centrifugeuse en place, de mode AG 20 de Alpha Laval, peut accepter un débit maximal de boue entrante de 21 m3/h et une charge maximale de 400 kg de MS/h. B. Principe de la centrifugation La centrifugation se base sur la différence de densité entre les matières sèches présentes dans la boue et l’eau présente dans cette boue. La boue arrive avec une certaine vitesse horizontale par un coté de la centrifugeuse. La partie liquide traverse alors toute la centrifugeuse dans sa zone la plus centrale tandis que les matières en suspension sont plaquées contre le bol extérieur du fait de sa vitesse de rotation. Une vis intérieure, tournant dans le même sens que le bol mais à une vitesse plus importante vient alors récupérer les boues et les évacuer en sens inverse de l’eau jusqu’ à la sortie latérale. Les illustrations suivantes permettent de mieux comprendre ce fonctionnement.

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Optimisation du fonctionnement d’une station d’épuration à boues activées de 10 000 EH, Trélissac (24) C. Automatisation du fonctionnement Lorsque l’on met en marche la centrifugeuse on assiste à une première phase de démarrage : Au cours de cette phase, le bol extérieur accélère jusqu’à atteindre sa vitesse de consigne de 4200 tr/min. La vis d’Archimède accélère également sa vitesse jusqu’ à atteindre la consigne de vitesse différentielle de 1,4 tr/min par rapport à la vitesse de rotation du bol. La vis tourne ainsi plus vite que le bol.

Couple maximal de consigne Vitesse différentielle entre la vis et le bol

Une fois ces consignes de vitesses atteintes, la commande de la centrifugeuse lance le fonctionnement des pompes d’extraction et donc l’arrivée de la boue dans la centrifugeuse. Cette arrivée de boue va alors exercer une certaine force c’est à dire un couple sur les éléments de la centrifugeuse. Si ce couple augmente trop ou trop vite et qu’il atteint le couple maximum de consigne (noté Tr), la centrifugeuse va passer d’un mode de régulation basé sur sa vitesse à un mode de régulation basé sur le couple. Concrètement, la vitesse relative entre le bol et la vis va alors être adaptée pour maintenir un couple dont la valeur maximale sera le Tr. La vis va ainsi tourner plus rapidement pour maintenir un couple. Confer graphe ci-dessous.

NB : pour ce modèle de centrifugeuse le Tr ne peut excéder 3 kN.m.

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MEMOIRE DE FIN D'ETUDES Diplôme(s) : Ingénieur ENGEES Spécialité : Gestion durable des eaux en milieu urbain Année : 2008 - 2009

Auteur : Sandrine REJASSE

Titre : Optimisation du fonctionnement d’une station d’épuration à boues activées de 10 000 EH, Trélissac (24) Nombre de pages : texte : 51

annexes : 19

Nombre de références bibliographiques : 13 Structure d'accueil : Lyonnaise des Eaux, Périgueux (Dordogne, 24) Maître de stage : Jean-Christophe STUDER, responsable du service usine Résumé Afin d’optimiser le fonctionnement d’une station d’épuration de 10 000 équivalents-habitants reconstruite en avril 2008, une forte implication dans l’exploitation et le suivi de la réception de l’installation ont été nécessaires. Après avoir réalisé un diagnostic théorique et expérimental de l’installation, des dysfonctionnements ont été soulevés notamment pour la récupération des sables et graisses, la déphosphatation biologique, le traitement des boues, les consommations en réactifs… Des améliorations, précisées dans un manuel d’exploitation, ont d’ores et déjà été apportées au fonctionnement de l’installation. Toutefois, il faudra probablement plusieurs années pour résoudre certaines problématiques de cette station encore en sous charge.

Mots-clés : boue activée, optimisation, déphosphatation biologique, azote, dimensionnement, sous charge.

Fonctionnement de Station d'Epuration

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