Application Numérique 13000 EH PDF [PDF]

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OFFICE INTERNATIONAL DE L'EAU Développer les compétences pour mieux gérer l'eau

APPLICATION D’UN PREDIMENSIONNEMENT POUR UNE 13.000 EH

____________ Office International de l'Eau ___________________________________________ L:\utilisat\JP\F07\Doc pédago\13000 EH.doc – 27/09/00

SOMMAIRE 1.

NOTE PRELIMINAIRE................................................................................................... 3

2.

SYNOPTIQUE DE DIMENSIONNEMENT ..................................................................... 4

3.

NOTE DE CALCUL........................................................................................................ 5 3.1.

Données de bases influent..................................................................................... 5

3.2.

Normes de rejet ....................................................................................................... 6

3.3.

Les prétraitements .................................................................................................. 7 3.3.1. Le dégrillage.................................................................................................... 7 3.3.2. Le dégraisseur - dessableur............................................................................ 9

3.4.

Cm en fonction des objectifs ................................................................................. 11

3.5.

Le clarificateur......................................................................................................... 12

3.6.

Le dégazeur ............................................................................................................. 14

3.7.

Le bassin d'aération................................................................................................ 3.7.1. Le bassin d'aération et la charge massique............................................... 3.7.2. La production de boues biologiques .......................................................... 3.7.3. Le bassin d'aération et l'âge de boue......................................................... 3.7.4. Le bassin d'aération, la charge massique et l'âge des boues....................

15 15 16 17 18

3.8.

La déphosphatation physico-chimique ................................................................ 3.8.1. Dose en phosphore requise ....................................................................... 3.8.2. Surproduction de boues physico-chimique (Pp.c.)....................................... 3.8.3. Incidence de la préprécipitation sur le volume d'aération requis. .............. 3.8.4. Remarque sur les teneurs en P dans [MES]e.t..........................................

19 19 21 22 23

3.9.

Recirculation des boues......................................................................................... 24

3.10. La zone de contact.................................................................................................. 25 3.11. Bilan sur l'azote....................................................................................................... 26 3.12. L'aération ................................................................................................................. 27 3.12.1. Les besoins en O2 et les temps de dénitrification ................................... 27 3.12.2. Les besoins en O2 et les pointes de charges polluantes ......................... 28 3.13. Les aérateurs ........................................................................................................... 30 3.13.1. Les aérateurs de surface ......................................................................... 30 3.13.2. L'insufflation ............................................................................................. 30 3.14. La zone d'anoxie ..................................................................................................... 31 3.15. La recirculation de la liqueur mixte RL.M................................................................ 33 3.16. Calcul de l'extraction .............................................................................................. 34 3.17. Les retours en tête .................................................................................................. 34 3.18 Le traitement des boues......................................................................................... 3.18.1. Epaississeur ............................................................................................ 3.18.2. Stockeur ................................................................................................... 3.18.3. Filtre à bande ........................................................................................... 3.18.4. Volumes retournés en tête .......................................................................

35 35 36 36 37

GLOSSAIRE........................................................................................................................ 38

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1.

NOTE PRELIMINAIRE

Cette note de calcul n'a pas pour but de fixer et figer les règles de dimensionnement à appliquer en phase de projet en ce qui concerne les stations d'épuration par boues activées. En effet, différents points non exhaustifs doivent être pris en compte pour souligner la relativité de la démarche ci-après : chaque projet de station d'épuration est un cas particulier un dimensionnement complet de station d'épuration par boues activées ne peut être mené qu'à l'aide de modèle de calcul informatisé du type itératif (Cf § n°2). la connaissance des processus d'épuration par boues activées est en constante évolution. La station de l'an 2010 sera sensiblement différente de celle de l’an 2000 ; cette dernière est d’ailleurs fort différente de celles des années 1980.

document.

Ces différents points doivent nous permettre de recadrer les ambitions de ce présent

Cette note de calcul, loin de standardiser la pratique, doit être lue dans un cadre pédagogique permettant à nos stagiaires : de mieux connaître et utiliser les paramètres de base du dimensionnement des STEP par boues activées, de définir plus facilement certaines grandes lignes de calcul lors d'un projet de STEP par boues activées au stade avant projet, d'autoriser une lecture plus aisée des notes de calcul des constructeurs en phase de vérification des offres.

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2.

SYNOPTIQUE DE DIMENSIONNEMENT 3.3. Dimensionnement des prétraitements

3.1.* Données de base de l'influent

3.2. Normes de rejet

Objectifs de qualité de rivière

3.4. Fixer Cm en fonction des objectifs

3.5. Clarificateur = f (Cm ; Ib ; MSa) Clifford Surface horizontale Hauteur cylindrique

3.8. Déphosphatation physico-chimique

3.6. Dégazeur

3.7.2. et 3.8.2.

3.7. Bassin d'aération 3.7.1. = f (Cm)

3.7.3. = f (Amin.)

PB (+ Ppc ?)

3.9. Recirculation des boues 3.10. Zone de contact

3.12. Besoins en oxygène 3.12.1. = f (temps d'arrêt.)

3.12.2. = f (pointe de charge polluante)

3.13. Aérateurs 3.13.1. Aérateurs de surface

3.11. Bilan sur N Cinétiques de nitrification dénitrification

3.13.2. Surpresseurs

3.14. et 3.15 Zone d'anoxie et recirculation des liqueurs mixtes 3.16. Extraction 3.17 et 3.18 Choix de la filière boues Evaluation des retours en tête

* paragraphe de référence

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3.

NOTE DE CALCUL 3.1. Données de bases influent 13 000 EH Paramètres hydrauliques Ratio Vjts =

= 1,50 l/j/hab.

(150 x 13 000) = 1 950 m3 / j 1 000 3

Vi = 650 m /j 3

Qj = 2600 m /j

% Vi / Q j =

Qm =

Qj 24

=

650 x 100 = 25 % 2600 2600 = 108 m3 /h 24

débit journalier eaux débit eaux usées usées domestique s industrielles Débit de pointe de temps sec = x coefficient de pointe temps sec + 24 Temps de rejet débit journalier x coefficient de pointe eaux industrielles +

c p = 1,5 +

Qp = Cp x

2,5

(Vjts/86,4 )

= 1,5 +

volume matière

eaux parasites de vidange + 24 temps d' alimentation

2,5

(1950/86,4 )

= 2,03

Vjts Vi 1950 650 + = 2,03 x + = 164,9 + 27,1= 192 m3 / h 24 24 24 24

Paramètres de pollution Paramètres MES DCO DBO5 NTK Ptot % MVS des MES = 70 % % Min des MES = 30 %

Ratio 60 g/EH/j 120 g/EH/j 60 g/EH/j 14 g/EH/j 4 g/EH/j

Charges (kg/j)

Concentration (mg/l)

780 1 560 780 182 52

300 600 300 70 20

% Dur dans les MVS = 20 % DCO s.a. = 30 % de la DCO brute

La concentration [DCO]s.a. est obtenue après centrifugation minorée par la concentration au rejet (valeur courante : 25 à 50 % de la DCO brute). Ce document est la propriété du Centre National de Formation aux Métiers de l’Eau. Il ne peut être reproduit même partiellement sans autorisation écrite.

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3.2. Normes de rejet Les objectifs de traitement sont : DBO5 < 25 mg/l

95 % du temps

[DBO5] < 12,5 mg/l

50 % du temps

DCO < 125 mg/l

95 % du temps

[DCO] < 62,5 mg/l

50 % du temps

MES < 35 mg/l

95 % du temps

[MES] < 17,5 mg/l

50 % du temps

NGL < 15 mg/l

en moyenne annuelle

Pour se référer aux anciennes normes françaises les objectifs correspondent à des niveaux de rejet équivalent à « e, NGL1/NGL2 ». Dans le paragraphe 3.8., le cas spécifique de la déphosphatation physico-chimique simultanée est abordé en visant un niveau équivalent au PT1. Toutefois, l'ensemble des autres paragraphes sont structurés sur une base excluant la déphosphatation physico-chimique.

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3.3. Les prétraitements

3.3.1. Le dégrillage Pour une grille droite verticale

=

Qp (m3/s) V xOxC dégr.

Qp

=

192 3 3 600 = 0,053 m /s

Vdégr.

=

O

=

espace libre entre barreaux espace libre + épaisseur des barreaux

=

2,5 2,5 = 2,5 + 2,0 4,5

C

=

0,40

Sdégr

=

t

=

l

=

Sdégr.

0,6 m/s

0,053 4,5 x = 0,40 m 2 0,6 x 0,4 2,5 0,40 m pour 5 000 < STEP < 20 000 EH Sdé gr. t

=

0,4 = 1,00 m 0,4

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Pour une grille courbe Lo

=

Ø

=

Lo

=

l

=

∅

26,5 °

= 0,90

S 0,4 = = 0,50 m Lo 0,9

Volume des refus =

12 à 15 15 l / EH / an = = 6 l / EH / an l cm 2,5

soit pour 13000 EH =

6 x 13000 = 78 m 3 /an 1000

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3.3.2. Le dégraisseur - dessableur

Vasc

=

10 m/h

Surface

TS

=

12 mn

Volume

Surface

=

Ø

=

Volume

=

=

Qp (m3 /h) Vasc (m/h)

=

192 = 19,2 m2 10

4xs 4 x 19,2 = = 5,00 m π π

Qp (m3 /h) 60

x TS (mn)

192 3 60 x 12 = 38,4 m

Valeurs à respecter : 1,25 m < Volume < 2,5 m Surface

Volume 38,4 = = 2 Surface 19,2 3

2

Aération : 35 à 40 W/m d'ouvrage utile ou 65 à 75 W/m d’ouvrage utile 3 3 1 à 2 Nm d'air (fines bulles)/h. m d'ouvrage utile

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Calcul de la hauteur cylindrique (h) Pente = 50° h Ø/2 h'

40° 50°

Volume

=

tg40

=

h'

=

Volume

=

h

=

Sxh+Sx

h' 3

∅

∅

Sxh+Sx

∅

∅ Volume 38,4 5,00 = = 1,00 m S 6 x tg40 19,2 6 x tg40

Quantité de graisses produite = 16 g MEH / EH / j soit pour 13000 EH :

16 x 13000 = 208 kg/j 1000

Quantité de graisses piégée = 1 kg MEH / hab / an (sortie dégraisseur avec un rendement maxi de 20 % et une concentration de 50-80 g MEH/l) soit pour 13000 EH :

1 x 13000 = 13 000 kg MEH / an = 36 kg MEH / j 1000

36 Rendement dégraisseur = 208 x 100 = 17 %

Quantité de sables = 8 à 15 l / hab / an soit pour 13000 EH :

12x13000 = 156 m3 /an 1000

Densité = 1,7 à 2

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3.4. Cm en fonction des objectifs

OBJECTIFS

Elimination de la pollution carbonée Boues "stabilisées"

Cm (kg DBO5/kg MVS/j) 0,4 < 0,12

NGL1

0,10 - 0,13

NGL2

0,07 - 0,08

Pour cette note de calcul, nous prendrons Cm = 0,1 kg DBO5/kg MVS/j

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3.5. Le clarificateur Le Clifford 3

Prenons Qp = QR = 192 m /h Vitesse de passage = 60 m/h sur Qp et QR Le CEMAGREF recommande une vitesse maximale de passage de 90 m/h

S Clifford

Qp + QR

=

60 4xS = π

Ø Clifford =

=

192 + 192 = 6,40 m 2 60

4 x 6,40 = 2,85 m π

La surface de décantation Extrait de l'étude inter agences "Conception des ouvrages d'épuration en conformité avec la directive européenne sur les eaux résiduaires urbaines - Recommandations" : "... on s'accorde à considérer qu'une valeur de 0,6 m/h au débit de pointe (et pour un indice de boues un peu supérieur à 200 ml/g MS) constitue un seuil à ne pas dépasser pour dimensionner à coup sûr les clarificateurs qui équipent classiquement les stations à boues activées faible charge des petites et moyennes collectivités." L’expression « à coup sûr » n’exclut pas des dimensionnements prenant en compte des vitesses ascensionnelles plus élevées, après une étude approfondie de la conception du clarificateur. Vasc.

=

Sdéc.

=

Sclarif. = = Øclarif. =

0,6 m/h Qp 0,6

=

192 = 320 m2 0,6

Sdéc. + Sclifford 320 + 6 = 326 m

2

4 x 326 = 20,40 m π

clarificateur sucé pente faible (1 %)

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La hauteur cylindrique

Ordres de grandeur de H = f (Ib) pour Vasc = 0,6 m/h

Ib max (ml/g MS)

H (m)

150

2,50

200

2,80

250

3,50

Le volume du clarificateur Nous négligerons la pente Vclarif. = =

Sclarif. x H 326 x 3,00 ≈ 978 m

3

Temps pour un tour Vitesse de rotation en périphérie =5 cm/s

Périmètre = π x Ø clarificateur = π x 20,40 = 64 m Temps pour un tour =

64 = 21 mm 0,05 x 60

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3.6. Le dégazeur

Vpassage = 60 m/h sur Qp et R

Sdégazeur =

TS

QP + QR 60

=

192 + 192 2 = 6,40 m 60

= 4 mn TS 4 = (192 + 192) x = 25,6 m3 60 60

Volume =

(QP + QR ) x

Hauteur =

volume 25,6 = = 4,00 m S dégazeur 6,40

2

Le CEMAGREF préconise 2,5 m par tranche de 5 000 EH

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3.7. Le bassin d'aération

3.7.1. Le bassin d'aération et la charge massique

Cm

kg DBO 5 /j [MVS]a x Vb.a.

=

Vb.a. =

kg DBO5 /j [MVS]a x Cm

Vb.a. =

kg DBO5 /j % MVS x [MES]a x Cm

D'après la courbe du CEMAGREF Vasc = f (Vc), nous obtenons le tableau suivant pour une Vasc. max de 0,6 m/h :

Vc max (ml/l)

[MES]a max (g MES/l)

Ib max (g MS/l)

750

5

150

750

4,5

165

750

4

190

Avec Vc = Ib x [MES]a Nous nous "autoriserons" un Ibmax de 190 ml/l ce qui fixe [MES]a max = 4 g/l.

d'où

Vb.a.

Vb.a.

≈

=

780 3 0,7 x 4 x 0,10 = 2 790 m

2 800 m

3

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3.7.2. La production de boues biologiques

Formule AGHTM Pb

=

Smin + Sdur + (0,83 + 0,2 log Cm) DBO5

=

% Min x MES + % Dur x % MVS x MES + (0,83 + 0,2 log Cm) DBO5

PB

= =

0,3 x 780 + 0,25 x 0,70 x 780 + (0,83 + 0,2 log 0,1) 780 862 kg MES/j

Soit 1,105 kg MES produit/kg DBO5 entrant.

Duchêne, 1999 Pb

=

!"

+ !"

=

+

=

soit 0,84 kg MES / kg DBO5 entrant

Valeur retenue Nous prendrons une valeur moyenne des valeurs obtenues par les deux formules : Soit 1,00 kg MES / kg DBO5 entrant

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3.7.3. Le bassin d'aération et l'âge de boue

A

=

Masse de boues prése nte (kg MES) Masse extraite (kg MES/j)

A

=

Masse de boues dans b.a. et dans clarif. (kg MES) Masse produite par jour (kg MES/j)

A

=

[MES]a. x (Vb.a. + 0,75 x Vclarif.) PB

Vb.a.

=

A x PB - 0,75 x Vclarif. [MES]a

Vb.a. minimal

=

A min. x PB - 0,75 x Vclarif. [MES]a

Consultons le tableau ci-après :

NIVEAU DE REJET

[DBO5]e.t. (mg O2/l)

[NT]e.t. (mg N/l)

Amin. requis (j) pour assurer la nitrification

e

30

-

2j

f

15

-

4j

*

( )

NGL1

-

20

NGL2

-

10

*

13 j à 12° C

( )

18 j à 12° C

( )

*

Fonction de la cinétique de nitrification Valeurs qui tiennent compte de la masse de boues dans le clarificateur.

Nous visons un niveau intermédiaire NGL1/NGL2. En prévision des retours en tête, et donc de la surproduction de boues consécutive, nous admettons : Amin.

=

18 jours

ainsi :

# Vb.a. minimal =

- 0,75 x 978

=

2 776 m

3

≈

2 800 m

3

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3.7.4. Le bassin d'aération, la charge massique et l'âge des boues

Les deux facteurs limitant concourent à retenir un volume de bassin d'aération : Vb.a.

=

2 800 m

3

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3.8. La déphosphatation physico-chimique

3.8.1. Dose en phosphore requise

Bilan sur le phosphore

P à éliminer

=

Pentrant - Passimilé - Pe.t.

Pentrant

=

52 kg P/j

Passimilé

=

1 % du flux de DBO5 éliminé

DBO5 éliminé

=

DBO5 entrant – [DBO5]e.t. x Qj

=

780 - 0,0125 x 2 600

≈

750 kg/j

Passimilé

=

0,01 x 750 = 7,5 kg P/j

Pe.t.

=

[PT]e.t. x Qj

[PT]e.t.

=

2 mg/l

Pe.t.

=

0,002 x 2 600 = 5,2 kg P/j

Pà éliminer

=

52 - 7,5 - 5,2 = 39,3 kg P/j

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Caractéristiques et dose de sel métallique

Nous utiliserons le chlorure ferrique (FeCl3), qui provoque la réaction suivante : FeCl3 + Na H2 PO4

Fe PO4 + NaCl + 2 HCl

Pour une réduction d'environ 80 % il faut un rapport molaire Soit un rapport massique =

(Pour 90 %

$#

≈ 3,6 kg Fe/kg P

Fe molaire ≈ 2,5 P

[FeCl3]sol.mère

=

Fe ≈ 2 mole/mole P

Fe massique ≈ 4,5) P

200 gFe/l

Quantité requise en FeCl3 Fe

=

39,3 kg P/j x 3,6 kg Fe/kg P = 142 kg Fe/j

[Fe]sol.mère

=

200 g Fe/l

=

0,2 kg Fe/l

Volsol. Fe Cl3 =

142 kg Fe/j ≈ 710 l/j 0,2 kg Fe/l

Hypothèse : 80 % de la charge en P arrive sur 12 heures Volume horaire de solution de FeCl3 à injecter (l/h) volume solution FeCl3 710 = 0,8 x = 47 l/h = 80 % x 12h00 12

Volume de stockage : Prendre au minimum 1 mois d'autonomie 3 Vol. utile de la cuve = 30 x 710 = 21,3 m

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3.8.2. Surproduction de boues physico-chimique (Pp.c.)

Pp.c.

=

Pél. x 7 en précipitation simultanée (PT1)

Pp.c.

=

Pél. x 8 en précipitation tertiaire (PT2)

Dans notre cas (PT1) : Pp.c.

=

39,3 x 7 = 275 kg MES/j

P

=

PB. + Pp.c.

=

776 + 275 = 1051 kg MES/j

La précipitation simultanée occasionnerait une surproduction de boues de + 35 % (par rapport aux 776 kg MES/j de la proposition de base).

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3.8.3. Incidence de la préprécipitation sur le volume d'aération requis

Si

% MVS

=

Vb.a.

=

60 % kg DBO5 / j 780 = = 3 250 m3 % MVS x [MES] x cm 0,6 x 4 x 0,1 3

>> 2 800 m (sans déphosphatation)

soit : 16 % de volume de bassin d’aération en plus

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3.8.4. Remarque sur les teneurs en P dans [MES]e.t.

[MES]e.t. = 35 mg/l % MVS

= 60 %

60 [MVS]e.t. = % MVS x [MES]e.t. = 100 x 35 = 21 mg/l Les MVS contiennent 8 % de P [P]e.t. dans les MES = % P/MVS x [MVS]e.t. = 0,68 x 21 = 1,7 mg P/l Conclusion : Pour tenir un niveau PT2, il faut maintenir de faibles concentrations en MES dans l’eau traitée. Un traitement tertiaire est donc souvent nécessaire.

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3.9. Recirculation des boues

R [MES] a. Taux de recirculation = Qj = [MES] - [MES] R a

[MES]R = 2 x [MES]a [MES]

[MES]

a a Taux de recirculation = 2 x [MES] - [MES] = [MES] = 1 a a a

D'ou

R = Qj

Cette formule correspond à un réglage général pouvant être appliqué en première approche en cours d'exploitation. Mais elle ne détermine pas le débit du poste de recirculation.

Le débit à installer de ce poste doit être au moins égal au débit de pointe horaire. 3

QR = QP = 192 m / h

Q R x 24 192 Taux de recirculation maximum en exploitation = Q x 24 = 108 = 180 % m

Il faut au moins prévoir 2 pompes : 3

2 pompes assurant chacune le débit de 192 m /h avec variateur de fréquence et débitmètre électromagnétique

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3.10. La zone de contact Calcul d'un débit de boues à recirculer (QB) Charge de dimensionnement : 100 mg DCO soluble et facilement assimilable/g MES Soit 10 kg MES/kg DCOs.a. Les eaux usées apportent : (30 % de la DCO brute est soluble et facilement assimilable) DCOs.a. = 0,3 x [DCO]brute x Qp = 0,3 x 0,6 x 192 = 34,5 kg/h La recirculation doit apporter : 10 x 34,5 kg MES/h 345 kg MES/h [MES]R = 8 kg MES/m QB

=

3

345 kg MES/h 8 kg MES/m

3

= 43 m3 /h

Calcul du volume (Vz.c.) Temps de rétention = 10 mn Vz.c.

10

10

= (QB + Qp) x 60 = (192 + 43) x 60 = 39 m

3 3

Brassage : 3 à 7 W/m de bassin Puissance de brassage = 5 x 39 = 196 W REM :

La concentration [DCO]s.a. est obtenue après centrifugation et filtration minorée par la concentration au rejet. (Valeur courante = 25 à 50 % de la DCO brute)

REM :

Le volume de la zone de contact est inclue dans le volume du bassin d'aération précédemment calculé.

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3.11. Bilan sur l'azote

+

Norg

NH4

-

NO3

N2

Nà nitrifier = NKentrée - NKass - NKrejeté NKentrée = 182 kg N/j NKass

= 5 % du flux de DBO5 entrant = 0,05 x 780 = 39 kg N/j

[NK]rejeté = 7 - 8 mg/l en moyenne si NGL1 ([NGL] < 20 mg N/l) 3 - 4 mg/l en moyenne si NGL2 ([NGL] < 10 mg/l)

En première approche : Pour [NGL]E.T. < 15 mg N/l 50 % du temps, [NK]rejeté = 6 mg N/l NKrejeté = [NK]rejeté x Qj = 0,006 x 2600 = 16 kg N/j

Pour un calcul plus fin : NKrejeté correspond à la somme de différentes fractions azotées Norganique particulaire = % Norganique dans les MES x flux MES = 0 ,07 x [MES]e.t. x aj = 0,07 x 0,0175 x 2600 = 3,2 kg N/j Norganique dur (NOSNA) = 2 % x Norganique entrant = 0,02 x % Norganique x flux N entrant = 0,02 x 0,5 x 182 = 1,8 kg N/j Norganique soluble ammonifiable (NOSA – 1 à 2 mg N/l) = [NOSA] x Qj = 0,002 x 2600 = 5,2 kg N/j +

NH4 nitrifiable résiduel (1 à 3 mg N/l) + = [NH4 ] x Qj = 0,002 x 2600 = 5,2 kg N/j d’où NKrejeté

[NK]rjejeté =

+

= Norganique particulaire + NOSNA + NOSA + NH4 = 3,2 + 1,8 + 5,2 + 5,2 = 15,4 kg N/j 15 = 6 mg N/l 2600

d’où N à nitrifier = 182 – 39 – 15,4 = 127,6 kg N/j = N à dénitrifier

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3.12. L'aération 3.12.1. Les besoins en O2 et les temps de dénitrification Temps d'anoxie pour dénitrifier (h/j) : N à dénitrifie r x 1 000 Cd x MVSprésentes

Ta

=

N

= 127,6 kg N/j

Cd

= 1,6 g N-NO3/kg MVS/h (à réexaminer pour chaque cas particulier de STEP)

MVSprésent = % MVS x [MES] x Va. = 0,7 x 4 x 2 800 = 7 840 kg MVS Ta

=

127,6 x 1 000 = 10,2 h/j 1,6 x 7 840

Pour tenir compte des courbes de décroissance des teneurs en O2 dissous lors des arrêts des systèmes d'aération, ce temps d'anoxie est ici majoré de 20 % pour obtenir le temps cumulé d'arrêt de l'aérateur : TA

= 10,2 x 1,1 = 11,2 h/j

Temps de marche = 24 – TA = 24 – 11,2 = 12,8 h/j Besoins en oxygène Ici nous calculons tout d'abord les besoins journaliers : BO2 jouranlier a' Le b' Sv N c'

= = = = = = =

a' x Le + b' x Sv + 4,3 x N - 2,85 x c' x N 0,65 kg O2/kg DBO5 780 - 0,0125 x 2 600 = 748 kg DBO5/j 0,07 kg O2/kg MVS/j 0,7 x 4 x 2 800 = 7 840 kg MVS 127,6 kg N/j 0,7

BO2 journalier

= = = =

0,65 x 748 + 0,07 x 7 840 + 4,3 x 127,6 - 2,85 x 0,7 x 127,6 486 + 549 + 549 - 255 486 + 549 + 294 1 329 kg O2/j

BO2 horaire

=

BO2 journalier 1 329 kg O2 /j = = 104 kg O2 /h Temps de marche 12,8 h/j

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3.12.2. Les besoins en oxygène et les pointes de charge polluantes METHODE ISSUE DU CAHIER FNDAE Oxydation du carbone a'

= 0,65 kg O2/kg DBO5 él.

Le

= 748 kg DBO5 él. /j

a'.Le

=0,65 x 748 = 486 kg O2/j

80 % de la charge arrive en 16h00 Besoins sur 1 heure = 0,65 x 748 x 0,8 = 24,31 kg O2/h 16

Métabolisme endogène b'

= 0,07 kg O2 / kg MVS /j

Sv

= 0,7 x 4 x 2 800 = 7 840 kg MVS

b'.Sv

= 0,07 x 7 840 = 550 kg O2/j

Besoins sur 1 heure =

550 = 23 kg O2/h 24

Nitrification Ntot. = 182 kg N/j Quantité d'azote admise en 16h00 de jour = 182 x 0,8 =146 kg N Quantité d'azote assimilée en 16h00 de jour = 0,8 x 748 x 0,05 = 30 kg N Quantité d'azote Kjeldahl rejetée en 16h00 de jour =

16 x 2 600 x 0,005 = 9 kg N 24

Quantité d'azote à nitrifier en 16h00 de jour = 146 - 30 - 9 = 107 kg N Besoins en O2 sur 16h00 = 4,3 x 107 = 460 kg O2

460 = 29 kg O2 /h 16 30 24 Besoins en O2 journaliers = 4,3 x 182 − + 9x 0,8 16 Besoins horaires en pointe =

= 563 kg O2/j Ce document est la propriété du Centre National de Formation aux Métiers de l’Eau. Il ne peut être reproduit même partiellement sans autorisation écrite.

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Dénitrification Quantité d'O2 récupérée par jour : 2,85 x 0,7 x 107 = 267 kg O2/j 0,8

Quantité d'O2 récupérée = 267/24

= 11 kg O2/h

Besoins en O2 pour l'élimination de l'azote /j

= 563 - 267 = 296 kg O2/j

Besoins en O2 pour l'élimination de l'azote /h

= 29 - 11 = 18 kg O2/h

Bilan des besoins en oxygène

Oxydation du carbone Jour Pointe horaire

Respiration endogène

Global

Azote

486

550

296

1 332

24

23

18

65

Temps de fonctionnement pour couvrir les besoins journaliers

=

1 332 = 20,5 h/j 62

Excessif !!! Dans le cas présent, il est souhaitable d'aérer 13h00 pour se permettre un temps d'arrêt minimum de 11h00.

Besoins horaires en pointe =

1 322 kg O 2 /j = 102 kg O 2 kg O 2 /h 13 h/j

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3.13. Les aérateurs 3.13.1. Les aérateurs de surface Puissance théorique absorbée (kW) = FCG ASB BO2

= = =

%

&

'()

0,7 1,5 kg O2/kWh 129 kg O2/h

Puissance théorique absorbée

104

= 1,5 x 0,7 = 99 kW

Soit 2 turbines de 60 kW absorbés 3

Puissance spécifique (W/m )

=

=

1 000 x Puissance théorique absorbée (kW) Va. (m3 )

99 x 1 000 3 3 = 35 W/m > 30 W/m 2 800

Les conditions de brassage seront vérifiées en phase de marche. Il faut 25 W/m3 au minimum pour les brosses.

3.13.2. L'insufflation 3

Débit d'air (Nm /h)

#

=

*+ Rdt FCG [O2] He

= = = =

'()

, -

.$

/

3,8 à 6,8 % /m de hauteur d'eau 0,5 3 280 g/m d'air insufflé 4,0 m

Débit d'air

=

104 x 1 000 0,060 x 0,5 x 280 x 4 3

= 3 095 N m /h 3

Débit par diffuseur Soit

= 4 N m /h/diffuseur

3 095 N m 3 /h

= 774 diffuseurs

4 N m3 /h/diffuse ur

FCG = 0,5 ASB = 2,5 Puissance théorique absorbée Puissance spécifique =

83 x 1 000 2 800

104

= 2,5 x 0,5 = 83 kW 3

= 30 W/m > 12 - 15 W/m

3

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3.14. La zone d'anoxie En première approche (recommandations CEMAGREF), le volume du bassin d'anoxie peut être calculé comme suit : Temps de séjour = 6 à 7 heures Vanox = Temps de séjour x Qm = 6 x 108 3 = 650 m Temps de contact = 1 à 2 heures Vanox = Temps de contact x (Qm + QR + RL.M.) = 1 x (108 + 108 + 4 x 108) 3 = 650 m La proportion du volume d'anoxie est alors égale à

650 m 3 x 100 = 23 %. 2 800 m 3

Cette ordre de grandeur est communément rencontré.

Pour un calcul plus fin (si on connaît les cinétiques de dénitrification !!!) la méthode suivante peut être appliquée. Vitesse de dénitrification endogène dans le bassin d'aération 0,0875 (T - 20) = 0,95 x e (formule d'un constructeur) 0,0875 x (-8) = 0,95 x e T = 12° C = 0,47 g N.NO3/kg MVS/h N dénitrifié dans BA

= 0,47 x % MVS x [MES] x Va. x 0,77 = 0,47 x 0,7 x 4 x 2 800 x 0,77 = 2 837 g N/h

Arbitrairement nous prenons 4 h d'anoxie/j

ci-après :

N dénitrifié dans B.A.

= 2 837 x 4 / 1 000 = 11,3 kg N/j

N à dénitrifier dans Z.A.

= 127,6 – 11,3 = 116 kg N/j

Plusieurs formules de vitesses de dénitrification exogène (dans Z.A.) sont proposées Cd Cd Cd

= = =

(T - 20)

3,25 x 1,02 (T - 20) 3,33 x 1,047 f (NTK/DBO5)

(formule constructeur X) (formule constructeur Y) (Cf. ci-après)

NTK DBO 5

Cd

> 0,5 0,4 - 0,5 0,3 - 0,4 0,2 - 0,3 < 0,2

1,7 2,1 2,4 2,7 3

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Pour notre étude de cas :

X

Cd = 2,77 g N-NO3/kg MVS/h

Y

Cd = 2,31 g N-NO3/kg MVS/h

Cd = f (NTK/DBO5)

Cd = 2,7 g N-NO3/kg MVS/h

Retenons (arbitrairement !!!) une valeur moyenne de 2,59 g N-NO3/kg MVS/h.

Vanox.

REM

=

N à dénitrifier x 1 000 Cd x 24 x % MVS x [MES]

=

116 x 1 000 3 2,59 x 24 x 0,7 x 4 = 666 m

:

3

666 m ≈ 650 m

3

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3.15. La recirculation de la liqueur mixte RL.M.

Temps de passage minimal = 1 =

Qm

6. Q m Vanox. = + Q R + R L.M. 2.Q m + R L.M.

En première approche, nous pouvons donc prendre environ RL.M. = 4 (recommandation CEMAGREF) RL.M.

Qm

= 4 x Qm = 4 x 108 3

= 432 m /h à répartir sur 2 pompes + 1 en secours.

Recommandations concernant la conception de l'ouvrage : - Possibilité de mesurer les débits recirculés - Sortie du bassin d'anoxie par surverse (éviter les flottants) 3

- Brassage : 3 W/m forme annulaire 3

15 W/m forme parallèlipédique - By-passage de la zone d'anoxie

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3.16. Calcul de l'extraction PB

= 776 kg MES/j

[MES]a. = 4 g/l = 4 kg MES/m

3 3

[MES]R = 2 x [MES]a = 8 kg MES/m = [MES]E Nous prenons 5 j de traitement de boues par semaine Quantité à extraire

= PB x

7 5

= 776 x

7 = 1 086 kg MES/j 5

avec 6 h de traitement/jour d'extraction.

1 086 6 = 181 kg MES/h

Quantité à extraire

=

[MES]E

= 8,0 kg/m

Volume à extraire

181 3 = 8,0 = 23 m /h

3

Remarque : [MES]E = f (Ib)

Ib [MES]E

150 9

180 7,5

200 6,5

250 5,5

300 4,5

3.17. Les retours en tête Les retours en tête peuvent occasionner une surcharge globale (DCO, DBO5, N, P, MES et débit) en entrée de l'ordre de + 10 %. (Il convient d'être prudent sur ces chiffres). Ces chiffres ne peuvent être précisés qu'après la définition de la filière de traitement des boues et en fonction de la production des boues. Sachant qu'un retour en tête occasionne une surproduction de boues et une surproduction de boues un "sur retour en tête", etc., cette démarche ne peut être réellement menée à bien qu'à l'aide de calcul du type itératif ; c'est à dire à l'aide d'outil informatique ...

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3.18. Le traitement des boues La filière sera équipée : - d'un épaississeur statique suivi d'un stockeur de boues en option, - d'un filtre à bande, - d'une aire de stockage.

3.18.1. Epaississeur Il faut bien distinguer l'épaississeur du stockeur Quantité à extraire par jour Volume à extraire par jour Charge spécifique admissible

= 1 086 kg MES/j 3 = 1 086/8 = 136 m /j 2 = 25 à 35 kg MES/m /j

1 086 Soit une surface de 30

= 36 m

Diamètre =

2

4 x 36 = 6,80 m π

La concentration des boues en sortie varie en fonction de l'indice des boues en entrée d'épaississeur.

IB (ml/gMES)

100

150

200

250

[MS] épaississeur (g/l)

30

27

25

20

Les hauteurs sont : -

Hauteur cylindrique Hauteur des boues Hauteur d'eau claire Hauteur du cône Volume du cône

=3-4m = 1,50 m = 1,50 à 2,50 m = diamètre x 0,15 m = 6,80 x 0,15 = 1,00 m = surface x hauteur du cône x 1/3 = 36 x 1,00 x 1/3 3 = 12 m

Volume de l'épaississeur : = volume cylindrique + volume du cône = 36 x 3,5 + 12 3 = 138 m Temps de séjour

= 138 m3 = 1 jour 136m3 /j

Le temps de séjour ne doit pas excéder 24h00 si l'épaississeur n'est pas hersé et 48h00 si il est hersé. Il est souhaitable que l'épaississeur soit hersé.

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3.18.2. Stockeur Volume = Production de boues x autonomie souhaitée [MS] boues é paissies

Pour 8 mois d'autonomie, nous avons 8 x 30,5 = 244 jours Volume =

776 x 244 3 = 7 574 m !!! 25

Si, en épaississement, il était choisi un épaississeur dynamique ([MS] boues épaissies = 60 g/l) Volume =

776 x 244 = 3 156 m 3 60

Puissance de brassage : 3

40 à 60 W/m boues à 25 - 30 g/l 3 60 à 80 W/m boues à 50 - 60 g/l

3.18.3. Filtre à bande Capacité : Filière épaississeur + filtre à bande 80 kg MS/h par ml de bande soit 1 086/(6x80) ≈ 2,30 m Table d'égouttage + filtre à bande 100 à 120 kg kg MS/h par ml de bande soit 1 086/(6x110) ≈ 1,70 m Siccité en sortie = 15 à 20 % Volume produit =

776 kg MS/j 150 kg MS/m

3

= 5,2 m 3 / j

Sur 8 mois d'autonomie, le volume produit est de : 8 x 5,2 x 30,5 = 1 269 m Hauteur moyenne de stockage = 1,50 m 2 Surface = 846 m

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3

3.18.4. Volumes retournés en tête

Epaississeur :

Volume à épaissir par jour

=

1 086 3 = 136 m /j 8

Volume épaissi par jour

=

1 086 3 25 = 43 m /j

Retours en tête

= 136 – 43 = 93 m /j

3

Filtre à bande : Volume à déshydrater par jour

=

1 086 3 = 43 m /j 25

Volume déshydraté par jour

=

1 086 3 = 7 m /j 150

Filtrats

= 43 – 7 = 36 m /j

Eau de lavage

= 7 x 6 x 2,30 (7 m /h/ml de largeur) 3 = 97 m /j

Volume total de retours en tête

= 93 + 36 + 97 = 226 m /j

soit

3

3

3

226 = 9 % du volume d' eaux usées d' entrée 2 600

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GLOSSAIRE A a' Amin. ASB ass.

: : : : :

Age de boues (j) Coefficient d'oxydation de la DBO5 (kg O2/kg DBO5 éliminée) Age minimal de boue requis pour assurer la nitrification (j) Apport spécifique brut en eau claire (kg O2/kWh absorbé) (En indice) assimilé

BO2 b'

: :

Besoins en oxygène (kg O2/j ou kg O2/h) Coefficient de respiration endogène (kg O2/kg MVS/j)

C Cd Cm Cp c'

: : : : :

Coefficient de colmatage de la grille Cinétique de dénitrification (g N-NO3 /kg MVS/h) Charge massique (kg DBO5/kg MVS/j) Coefficient de pointe de temps sec Taux de récupération de l'oxygène par dénitrification

DBO5 DCO DCOs.a. dur.

: : : :

Demande Biochimique en Oxygène à 5 jours Demande Chimique en Oxygène DCO soluble et facilement assimilable (en indice) part difficilement biodégradable d'un composé.

EH e.b. él. e.t.

: : : :

En nombre d'équivalent habitant (En indice) eau brute (En indice) éliminé (En indice) eau traitée

FCG

:

Fe FeCl3

: :

Facteur correctif global pour passer les besoins en oxygène des conditions standards vers les conditions en boues activées. Fer Chlorure ferrique

h h' H He

: : : :

Hauteur cylindrique du dégraisseur - déssableur (m) Hauteur de la conicité du dégraisseur-dessableur (m) Hauteur cylindrique du clarificateur (m) Hauteur d'eau effective au dessus des diffuseurs (m)

Ib Im

: :

Indice de boue (ml/g M.S.) Indice de Mohlmann (ml/g M.S.)

l Le Lo

: : :

Largeur du chenal de dégrillage (m) Flux de DBO5 éliminée (kg O2/j) Longueur mouillée de la grille (m) pour une grille courbe

MES Min. M.E.S.a MESE MESR MVS MVSa

: : : : : : :

Matières en suspension Matières minérales Matières en suspension dans le bassin d'aération Matières en suspension extraites Matières en suspension recirculées Matières volatiles sèches Matières volatiles sèches dans le bassin d'aération

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GLOSSAIRE N NK NKrejeté NGL + N-NH4 N-NO3 NOSAI NOSNA NT

: : : : : : : : :

Azote Azote kjeldahl Azote Kjeldahl résiduel dans l’eau traitée Azote global Azote ammoniacal Azote des nitrates N organique soluble ammonifiable N organique soluble non ammonifiable Azote total

O Ø Øclarif. O2

: : : :

Ratio entre l'espace libre d'un dégrilleur et la largeur totale de grille Diamètre (m) Diamètre du clarificateur (m) Oxygène

P PB 3PO4 Ppc PT

: : : : :

Phosphore Production de boues biologiques (kg M.S./j) Phosphates Production de boues physico-chimique (kg M.S./j) Phosphore total

QB Qj Qm Qp QR

: : : : :

Débit de boues recirculées vers la zone de contact (m /h) 3 Débit journalier d'eaux usées (m /j) 3 Débit moyen horaire d'eaux usées (m /h) 3 Débit de pointe horaire d'eaux usées (m /h) 3 Débit de boues recirculées (m /h)

R Rdt RL.M.

: : :

Volume journalier de boues recirculées Rendement de dissolution de l'oxygène en eau claire par mètre de hauteur d'eau (%/m) 3 Débit du poste de recirculation de la liqueur mixte (m /h)

S Sclifford Sclarif. Sdéc. Sdégazeur Sdegr. Sv

: : : : : : :

Surface (m ) 2 Surface du clifford (m ) 2 Surface du clarificateur (m ) 2 Surface de décantation (m ) 2 Surface du dégazeur (m ) 2 Surface de la grille (m ) Masse de MVS présente dans le bassin d'aération (kg)

t T Ta TA TS

: : : : :

Tirant d'eau dans le canal de dégrillage (m) Température du réacteur biologique (° C) Temps cumulé d'anoxie pour dénitrifier (h/j) Temps cumulé d'arrêt des aérateurs (h/j) Temps de séjour (mn ou h)

V Vanox Vasc Vb.a. Vc Vclarif. Vdégr. Vjts Vi Vpassage Vz.c.

: : : : : : : : : : :

Volume (m ) 3 Volume du bassin d'anoxie (m ) Vitesse ascensionnelle (m/h) 3 Volume du bassin d'aération (m ) Volume corrigé de décantation (ml/l) 3 Volume du clarificateur (m ) Vitesse de passage de l'eau au travers de la grille (m/s) 3 Volume journalier de temps sec (m /j) Volume d’infiltration d’eau de nappe Vitesse de passage dans le dégazeur (m/h) 3 Volume de la zone de contact (m )

X [X] [X]e.b. [X]e.t.

: : : :

Flux du composé X Concentration du composé X Concentration du composé X dans l'eau brute concentration du composé X dans l'eau traitée

3

2

3

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