Cours de Base CB 1 - 4 Généralités STEP (2022) - PDF

COURS DE BASE CB 1 4 GÉNÉRALITÉS STEP Groupe romand pour la Formation des Exploitants de Station d’épuration – FES Rue des Petites Berges 1 CH-1530 Payerne +41(0)26 660 26 44 [email protected] www.info-fes.ch Nicolas Jeanmaire Office International de l’Eau 22, rue Edouard Chamberland F-87065 Limo...

COURS DE BASE CB 1 4 GÉNÉRALITÉS STEP Groupe romand pour la Formation des Exploitants de Station d’épuration – FES Rue des Petites Berges 1 CH-1530 Payerne +41(0)26 660 26 44 [email protected] www.info-fes.ch Nicolas Jeanmaire Office International de l’Eau 22, rue Edouard Chamberland F-87065 Limoges Cedex 0033 555 11 47 70 [email protected] www.oieau.fr © 2022 Copyright by FES  AUTEUR Nicolas Jeanmaire Office International de l’Eau 22, rue Edouard Chamberland F-87065 Limoges Cedex 0033 555 11 47 70 0033 555 77 71 15 [email protected] www.oieau.fr CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 2  TABLE DES MATIERES DETAILLEE 1. LA STATION D’EPURATION - STEP 7 2. PRINCIPE 9 3. CONTRAINTES LIEES A L’EXPLOITATION 12 3.1 La filière eau 12 3.2 Caractérisation de la pollution 12 3.2.1 La distinction porte sur la taille des composés contenus dans l'eau (Figures 6 et 7). 12 3.2.2 Matières organiques ou volatiles (MVS) et matières minérales (MMS) 14 3.2.3 Matières biodégradables et matières non biodégradables 16 3.2.4 Matières toxiques et matières non toxiques (Figure 11) 19 3.3 La filière boue 21 4. NOTIONS HYDRAULIQUES 23 5. NOTIONS D’ENERGIE 25 CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 3 Liste des figures Figure 1 : Le rôle de l’assainissement............................................................................................................... 6 Figure 2 : Epurer les eaux usées: un enjeu sanitaire......................................................................................... 6 Figure 3 : Principe de traitement sur une station d’épuration............................................................................. 8 Figure 4 : Impact de la pollution......................................................................................................................... 8 Figure 5 : Notion de charge polluante.............................................................................................................. 10 Figure 6 : Classification de la pollution en fonction de la taille des polluants................................................... 10 Figure 7 : Principe de mesure des MES.......................................................................................................... 13 Figure 8 : Distinction entre la matière organique et minérale........................................................................... 13 Figure 9 : Principe de mesure de la DCO........................................................................................................ 15 Figure 10 : Principe de mesure de la DBO5..................................................................................................... 15 Figure 11 : Effet des toxiques sur les bactéries............................................................................................... 17 Figure 12 : Connections entre filière eau et filière boue................................................................................... 17 Figure 13 : Exemple de technique d’épaississement (GDE – STEP de VEVEY)............................................ 20 Figure 14 : Exemple de technique de stabilisation (digesteur – STEP de NYON)........................................... 20 Figure 15 : Exemple de technique de déshydratation (Filtre presse – STEP de Marseille)............................. 20 Figure 16 : Notions de débit............................................................................................................................. 22 Figure 17 : Exemple de profil hydraulique sur une STEP................................................................................ 22 Figure 18 : Les principaux postes de dépense................................................................................................ 24 Figure 19 : Consommation énergétique en fonction du type de procédé utilisé (Source JT Epnac du 24/09/2015)...................................................................................................................................................... 26 Figure 20 : Exemple de consommation énergétique en step boues activées faibles charges (sans décanteur primaire et digestion. 2% d’erreurs liés aux équipements de mesure)............................................................. 26 Figure 21 : Les principaux postes de récupération.......................................................................................... 28 CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 4 CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 5  Figure 1 : Le rôle de l’assainissement Figure 2 : Epurer les eaux usées: un enjeu sanitaire CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 6 1. LA STATION D’EPURATION - STEP Le système d’assainissement est constitué de deux éléments (Figure 1) techniquement liés :  Le réseau d’assainissement.  La station d’épuration. Ces deux éléments indissociables ont pour objectifs de :  Collecter et transporter les eaux usées vers le point de traitement.  De traiter ces eaux usées de façon à respecter les normes de rejet. Mais au fait pourquoi traitons-nous les eaux usées ? La première réponse est souvent : pour protéger l’environnement. Mais ce n’est pas la première raison ! Historiquement, l’homme a été contraint d’évacuer dans un premier temps, puis de traiter par la suite ces eaux usées à des fins de salubrité publique ! C’est à dire pour protéger la santé humaine et lutter contre le risque d’épidémie (Choléra notamment). Cette raison est toujours valable aujourd’hui comme nous le rappelle depuis 2020 l’épidémie liée au Covid-19. C’est pour cela que l’exploitant d’une STEP est un acteur majeur de la salubrité publique, au même titre (mais à un niveau différent) que le corps médical, l’administration sanitaire, … CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 7  Figure 3 : Principe de traitement sur une station d’épuration Figure 4 : Impact de la pollution CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 8 2. PRINCIPE Les eaux usées sont amenées à la station d'épuration par le réseau d'assainissement. C'est au niveau de la station d'épuration qu'une partie de la pollution contenue dans ces eaux va être éliminée. Ainsi, l'eau rejetée au milieu naturel sera d'une qualité suffisante pour ne pas perturber l'équilibre de la rivière et les usages à l'aval du point de rejet (Figure 4). L'eau va subir un traitement en plusieurs étapes : le prétraitement, le traitement primaire, le traitement secondaire, et dans certains cas, le traitement tertiaire. Les traitements que vont subir les eaux usées vont avoir deux conséquences majeures :  Epurer les eaux.  Récupérer les éléments polluants, c’est à dire les sous-produits de l’épuration, parmi lesquels on retrouvera : - les refus de grille, - les sables, - les graisses, - les boues primaires (si la station possède un décanteur primaire), - les boues biologiques ou secondaires. En plus de ces différents éléments, il ne faut pas oublier l’air vicié ! En effet, les sous-produits issus de l’assainissement sont fermentescibles et vont donc produire plus ou moins de mauvaises odeurs (cela dépend de la conception de la STEP mais aussi de la qualité de son exploitation). Aujourd’hui, les stations intègrent donc cette contrainte pour limiter les nuisances vis à vis du voisinage mais aussi pour préserver la sécurité des exploitants, en réalisant une ventilation des locaux fermés suivi d’une désodorisation de l’air vicié produit sur tout ou partie de la STEP. Ces divers sous-produits de l’épuration doivent étre enlevés régulièrement et traités directement sur la STEP pour étre soit directement éliminés (comme par exemple : la co-digestion des graisses avec les boues) ou évacués vers leur destination finale (incinérateur pour les boues ou refus de dégrillage). CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 9  Figure 5 : Notion de charge polluante Figure 6 : Classification de la pollution en fonction de la taille des polluants CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 10 CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 11 3. CONTRAINTES LIEES A L’EXPLOITATION On distingue traditionnellement deux types de filières :  La filière eau  La filière boue 3.1 La filière eau Son objectif est le traitement de l’eau, c’est à dire pour simplifier : retirer de l’eau le plus d’éléments polluants possible. Deux contraintes fortes apparaissent sur cette filière : L’acceptation du débit d’eau à traiter. En effet, le débit est un élément très limitant car il influence directement la performance de traitement de différents ouvrages (dessableurs, décanteurs, zone de contact, …) Le traitement de la charge polluante. Elle se définit en tenant compte des débits et des concentrations des eaux usées (Figure 5) et se calcule comme suit : Charge de pollution = Q X C Où : Q : débit d’eau usée C : la concentration en polluant La pollution se caractérise par différents types d’analyse : 3.2 Caractérisation de la pollution Les matières en suspension (MES) et les matières dissoutes 3.2.1 La distinction porte sur la taille des composés contenus dans l'eau (Figures 6 et 7).  taille supérieure à 1 micron : ce sont les matières en suspension notées MES, responsables essentiellement de troubles de l'eau ; les plus lourdes sédimentent rapidement et constituent les matières décantables. CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 12  Figure 7 : Principe de mesure des MES Figure 8 : Distinction entre la matière organique et minérale CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 13   taille inférieure à 1/1000 micron : ce sont les matières dissoutes ou liquides. Certains de ces liquides (huile, hydrocarbures,...) ne se mélangent pas à l'eau. Disposés en fines gouttes, on dit qu'ils forment alors des émulsions.  la taille intermédiaire correspond aux matières colloïdales, qui participent au trouble et à la coloration de l'eau. Ces matières colloïdales ne sont pas décantables. RAPPEL : 1000 microns = 1 millimètre 3.2.2 Matières organiques ou volatiles (MVS) et matières minérales (MMS) Les matières organiques proviennent des êtres vivants (matières végétales ou animales, excréments, urines,...) ou des produits fabriqués à partir de ces êtres vivants (papier, tissus,...). On retiendra que les matières organiques sont principalement composées par le carbone. Autour de ce carbone, on retrouve d’autres éléments associés à celui-ci tels que l’azote, le phosphore, … A haute température (550°C), les matières organiques brûlent et se transforment en fumée. Les matières minérales (graviers, sables, métaux, sels minéraux,...) sont pour la plupart des composés qui évoluent peu dans les conditions naturelles. Elles constituent les résidus (ou cendres) obtenus après calcination à 550°C (Figure 8). CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 14  Figure 9 : Principe de mesure de la DCO Figure 10 : Principe de mesure de la DBO5 CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 15 3.2.3 Matières biodégradables et matières non biodégradables Les matières biodégradables représentent l'ensemble des composés transformables par des organismes vivants, essentiellement des bactéries. Cette transformation peut se réaliser en présence d'oxygène de l'air : on parle de DEGRADATION AEROBIE. Elle peut également survenir en absence d'oxygène : DEGRADATION ANAEROBIE. La plupart des matières biodégradables proviennent des matières organiques, alors que les matières minérales sont plus généralement non biodégradables. On notera enfin que certaines matières sont très rapidement biodégradables, tels le sucre, l'alcool,.... D'autres matières, de composition chimique plus complexe, nécessitent plus de temps et sont donc difficilement biodégradables. Il s'agit, par exemple, des graisses, du bois, du tissu. Les analyses qui permettent de révéler la matière organique sont (Figures 9 et 10) :  La DCO : révèle la consommation d’oxygène pour dégrader par voie chimique toute la matière organique.  La DBO5 : révèle la consommation d’oxygène pour dégrader par voie biochimique la matière organique biodégradable. CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 16  Figure 11 : Effet des toxiques sur les bactéries Figure 12 : Connections entre filière eau et filière boue CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 17 CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 18 3.2.4 Matières toxiques et matières non toxiques (Figure 11) On appelle "toxiques" les matières capables de bloquer l'activité des espèces vivantes, d'empêcher leur existence soit partiellement, soit totalement. Il en est de même pour les espèces aquatiques. L'effet de la toxicité peut se traduire immédiatement, entraînant une mortalité brutale : c'est la toxicité directe. Mais, il peut aussi intervenir sous un certain délai, après accumulation de composés toxiques dans l'organisme : c'est la toxicité indirecte. Ces analyses ne sont pas effectuées régulièrement comme les précédentes mais lorsqu’un doute s’installe sur l’arrivée d’un effluent suspect ou lors de l’apparition de certaines difficultés sur le traitement biologique. En plus de ces différentes analyses, il en existe d’autres. Par exemple, de plus en plus de STEP doivent traiter en plus de la pollution organique (carbonée), la pollution azotée et phosphorée. Des analyses spécifiques existent. Un des rôles principal de l’exploitant est de veiller au type d’effluent entrant sur sa STEP. Des arrivées d’eau suspectes non détectées par l’exploitant peuvent entraîner :  Le non-respect des normes de rejet  Des dysfonctionnements d’ordre biologique souvent durables, complexes, et donc difficiles à résoudre. CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 19  Figure 13 : Exemple de technique d’épaississement (GDE – STEP de VEVEY) Figure 14 : Exemple de technique de stabilisation (digesteur – STEP de NYON) Figure 15 : Exemple de technique de déshydratation (Filtre presse – STEP de Marseille) CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 20 3.3 La filière boue Les deux filières (eau et boue) sont interconnectées (Figure 12) :  La filière boue est connectée à la filière eau par l’extraction des boues en excès.  La filière eau est connectée à la filière boue parce que l’on appelle les retours en tête, qui représentent en première approche, l’ensemble des eaux usées produites au sein même de la station (WC, douches, réfectoires et surtout ateliers de traitement des boues).  Le bon fonctionnement de ces deux filières est indispensable pour fiabiliser le traitement et donc respecter le plus souvent possible des normes de rejet. Le rôle de la filière boue est avant tout de les évacuer. Elles doivent être éliminées dans le respect de la réglementation. Avec l’évolution de cette réglementation en Suisse, la seule filière autorisée par la confédération est le traitement thermique (incinération, co-incinération, …). La mise en décharge a été interdite en 2000 et la valorisation agricole en 2006. Pour satisfaire les impératifs techniques de cette destination finale, des traitements doivent être adaptés. Ils auront deux objectifs principaux :  Limiter les nuisances olfactives. C’est l’affaire des techniques de stabilisation (Figure 14).  Réduire les volumes en retirant le maximum d’eau. C’est l’affaire des étapes d’épaississement et de déshydratation (Figures 13 et 15). Afin de réaliser correctement ces deux objectifs et certains autres, différents traitements sont requis. CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 21  Figure 16 : Notions de débit Figure 17 : Exemple de profil hydraulique sur une STEP CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 22 4. NOTIONS HYDRAULIQUES Comme nous l’avons vu, une des contraintes fortes pour l’exploitant est la maîtrise des débits. Différents débits (Figure 16) sont intéressants à connaître :  Le débit instantané (Q) : c’est le débit mesuré ponctuellement. Un débitmètre donne toujours avant calcul ce type de débit.  Le débit moyen (Qm) : c’est la moyenne des débits enregistrés sur une période de temps. Pour 60 min, on parle de débit moyen horaire ; pour 24 heures, on parle de débit moyen journalier.  Le débit de pointe (Qp) : c’est le débit qui est couramment constaté lors des périodes de forte activité sur le réseau (pour l’urbain, cela correspond à l’activité humaine).  Le débit par temps sec (QTS) : c’est le débit en période sèche, c’est à dire sans pluie.  Le débit par temps de pluie (QTP) : c’est le débit constaté en période de pluie. L’alimentation hydraulique des différents ouvrages de la STEP se fait gravitairement autant que possible. Très souvent, le relevage en tête de station permet de fournir la hauteur d’eau suffisante pour que le reste du traitement se fasse gravitairement. L’analyse des différentes hauteurs d’eau dans les ouvrages permet de dresser le profil hydraulique de la STEP (Figure 17). CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 23  Figure 18 : Les principaux postes de dépense Système d’aération de surface Centrifugeuse (STEP de Colombes) Ventilateur pour désodorisation (Limoges) Filtration des boues (STEP de Vionnaz) Energimètre (à gauche en poste fixe et à droite version portable) CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 24 5. NOTIONS D’ENERGIE La voie naturelle d’élimination de la pollution organique est celle qui nécessite le moins d’énergie. Il s’agit de la fermentation (ou dégradation anaérobie). Cette voie n’est pas applicable sur les effluents d’eaux usées urbaines pour trois raisons essentielles :  Le milieu n’est pas assez concentré pour contrôler la réaction.  La température des eaux usées urbaines (fluctuant généralement de 7 à 20°C) n’est pas favorable.  Ce type de réaction provoque des nuisances olfactives, incompatibles avec l’implantation des STEP à proximité des communes. Aussi, la station d’épuration biologique utilise pour traiter l’eau une voie aérobie qui requiert la présence d’oxygène dissous. Sur les procédés intensifs usuels (type boues activées ou biofiltration), cet apport d’oxygène repose sur le fonctionnement de dispositifs mécaniques d’aération extrêmement voraces en énergie. De plus, afin de véhiculer les effluents, injecter les réactifs, l’exploitant utilise des moteurs fournissant ce type de travail. Il y a donc consommation d’énergie sur le site. Bien que cette consommation soit très variable et dépende du type de procédé (Figure 19), du niveau de traitement exigé, mais aussi de la topographie et de bien d’autres éléments, il peut être difficile de quantifier la consommation d’énergie sur une STEP sans appareils de mesure (Energimètre fixe ou portables Figure 18). Néanmoins, on retiendra les gros consommateurs suivants (Figure 20) :  Le système d’aération : bien souvent le principal poste de dépense énergétique.  Le pompage (relèvement et recirculation)  La déshydratation par centrifugation.  La désodorisation dès lors que les systèmes de ventilation deviennent importants.  Les traitements spécifiques (filtration, séchage thermique, …). Les STEP sont potentiellement de gros consommateurs d’énergie. L’Office Fédérale de l’Energie (OFEN) étudie et encourage la réduction et l’optimisation de la consommation énergétique. La question de l’énergie dans la STEP va être de plus en plus présente dans le choix des techniques, leur mode de régulation et d’exploitation dans des logiques de développement durable. Le quotidien des exploitants seront de plus en plus marqué par cette contrainte. CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 25  Figure 19 : Consommation énergétique en fonction du type de procédé utilisé (Source JT Epnac du 24/09/2015) Figure 20 : Exemple de consommation énergétique en step boues activées faibles charges (sans décanteur primaire et digestion. 2% d’erreurs liés aux équipements de mesure) CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 26 Par ailleurs, sur certaines stations, il n’y a pas que de la consommation d’énergie mais également de la production. Celle-ci est notamment possible si les boues sont digérées et si le biogaz produit est récupéré et valorisé. Cette forme de valorisation peut être faite de 4 grandes façons (Figure 21) :  Utilisation directe en tant que combustible (incinération des boues).  Transformation du biogaz en énergie calorifique pour le chauffage, le séchage des boues (chaleur, vapeur, …).  Transformation du biogaz en énergie électrique (cogénération, turbine à gaz).  Réinjection du méthane dans le réseau public (après traitement et enrichissement). La Confédération incite les cantons et les communes à mettre en œuvre des politiques volontaristes favorisation la production d’énergie sur les STEP. Parmi les axes de réflexion, on retrouve outre la digestion anaérobie et la valorisation du biogaz évoquée précédemment :  La récupération de calorie sur les effluents ou l’air chaud des surpresseurs (pompe à chaleur)  Le turbinage des effluents si les dénivelés le justifient  Les diverses mesures plus standard (isolation des locaux, éclairage à basse consommation) Une des voies d’optimisation des coûts de l’épuration est la bonne maîtrise des postes de dépense mais aussi de production d’énergie sur la STEP. CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 27  Figure 21 : Les principaux postes de récupération Digesteurs de la STEP de Nyon Gazomètre à membrane Groupe chaleur-force (STEP de Sion à gauche et STEP de Marseille à droite) Réinjection de méthane sur le réseau public (Roche) à gauche ; réception de graisse et boues extérieures (Genève) CB 1_2022_4_Généralités STEP Page 28