Soutenance mémoire
Les eaux usées qu’elles soient industrielles ou ménagères ne devraient pas être directement rejetées dans le milieu naturel, car elles peuvent engendrer de graves problèmes environnementaux et de santé publique, et pour protéger l’environnement du pays, l’état Algérien a eu recours à leur traitement. Le service public d’assainissement assure la collecte, l’évacuation et l’épuration ou le rejet des eaux usées domestiques ainsi que le traitement des boues d’épuration en vue de leur élimination finale. Le traitement ou l’épuration des eaux usées a donc pour objectif de réduire la charge polluante qu’elles véhiculent. Par conséquent , ces eaux devraient être dirigées vers des stations d’épuration dont le rôle est de concentrer la pollution qu’elles contiennent sous forme d’un petit volume de résidu, et de boues, et en obtenir une eau épurée répondant à des normes bien précises, et cela grâce à des procédés physico-chimiques ou biologiques.
Généralités sur le traitement biologique
Le traitement biologique des eaux usées est le procédé qui permet la dégradation des polluants grâce à l’action de micro-organismes. Ce processus existe spontanément dans les milieux naturels tels que les eaux superficielles suffisamment aérées. Une multitude d’organismes est associée à cette dégradation selon différents cycles de transformation. Parmi ces organismes, on trouve généralement des bactéries, des algues, des champignons et des protozoaires. Cette microflore, extrêmement riche, peut s’adapter à divers types de polluants qu’elle consomme sous forme de nourriture (substrats). Il est ainsi possible d’utiliser systématiquement cette microflore dans un processus contrôlé pour réaliser l’épuration des eaux résiduaires.
Les mécanismes fondamentaux impliqués dans le traitement biologique des eaux usées sont identiques pour l’ensemble des procédés (boues activées, lits bactériens, lagunages) (Tchobanoglous & Schroeder, 1985). Les étapes du processus de dégradation sont schématisées sur la Figure (1.1). En raison de leurs tailles importantes, les particules et macromolécules doivent être préalablement hydrolysées en composés plus simples, afin de pouvoir être assimilées avec les substances dissoutes par les bactéries. Chaque étape peut, selon la disponibilité en substrat, le régime hydraulique des réacteurs ou encore les conditions environnementales (température par exemple), être efficace pour le processus général de dégradation.
Les procédés de traitement biologiques se font sur trois étapes
♦ l’assimilation (ou anabolisme) qui est l’utilisation des matières polluantes pour la synthèse de nouvelles cellules
♦ la respiration (ou catabolisme) qui permet la combustion des substrats afin de libérer l’énergie nécessaire aux micro-organismes pour assurer leurs fonctions vitales
♦ la respiration endogène au cours de laquelle les micro-organismes utilisent leur propre matière en guise de substrat .
L’adaptation ou l’acclimatation des micro-organismes à divers types de substrats est possible mais elle a toutefois ses limites. C’est pourquoi la qualité des eaux résiduaires doit être contrôlée en laboratoire dans le but de décider si ces eaux peuvent être soumises à un procédé de traitement biologique.
Fondement de l’épuration par boues activées
Le traitement biologique par boues activées permet d’éliminer une grande partie de la matière organique des eaux résiduaires. Le but des traitements biologiques est d’éliminer la pollution organique soluble au moyen de micro-organismes, principalement les bactéries. Ce traitement est généralement mis en œuvre dans un bassin à boues activées qui est un réacteur biologique, alimenté en continu et aéré. L’aération peut être assurée en surface par des turbines, ou dans le fond par des procédés de rampe de distribution de bulles d’air alimentées par un suppresseur ou par un compresseur d’air. Les rampes de distribution sont complétées par des diffuseurs d’air dites grosses bulles ou fines bulles, suivant l’efficacité recherchée. Le rendement de transfert d’air dans l’eau peut être amélioré par l’augmentation de la hauteur d’eau (uniquement pour les rampes de distribution). Les besoins journaliers en oxygène sont en rapport avec la charge organique journalière et son mode de dégradation, ainsi que la quantité d’azote à nitrifier. Dans le bassin, une culture bactérienne est maintenue au contact de la pollution sous la forme de flocs en suspension . Cette culture bactérienne, aussi appelée boue activée ou biomasse, est ensuite séparée gravitairement du liquide épuré dans un décanteur. La majeure partie des boues épaissies est alors recyclée dans le bioréacteur pour y être mélangée avec l’eau usée incidente, et seule une faible partie est éliminée du système.
Exclusivement destiné à la dégradation des matières organiques des eaux usées dans un premier temps, de nouvelles préoccupations ont nécessité l’extension du procédé à l’élimination des nutriments (composés azotés et phosphorés). Mais si l’oxydation des matières organiques ne constitue plus, à l’heure actuelle, un élément limitant de la qualité de l’eau épurée pour ce type de filières, l’amélioration de l’efficacité du traitement doit, en revanche, passer par un renforcement de la dégradation des pollutions azotées et phosphorées.
Le système à boues activées est classé en trois catégories :
● Forte charge
● Moyenne charge
● Faible charge ou aération extensive .
Porte en fait sur l’accent donné aux phénomènes de métabolisme des micro organismes et d’autooxydation des boues. La charge dont il est question est :
● d’une part la charge volumique, c’est-à-dire la DBO5 enlevée de l’effluent par unité de volume de réacteur (par exemple kg DBO5/jour/m3 ) qui, pour des effluents urbains moyens dont les teneurs en DBO5restent à l’intérieur d’une fourchette relativement étroite, est liée au temps de rétention de l’effluent dans le réacteur.
● d’autre part la charge massique, c’est-à-dire la DBO5 enlevée de l’effluent par poids (matières sèches volatiles) total de boues actives présentes dans le bassin.
En fait c’est la charge massique et le poids total de boues (ce dernier lié au volume du réacteur, c’est-à-dire au temps de rétention) qui sont les paramètres essentiels dans la prévision du comportement épuratoire du réacteur et des besoins d’apport en oxygène.
Enfin il faut retenir que la gestion des petites stations d’épuration s’effectue au moyen de systèmes simples où l’expérience acquise sur le procédé est prépondérante et est largement intégrée. On peut parler, dans ce cas, plus de conduite que de commande de procédé.
● L’augmentation du débit de recyclage permet de délocaliser temporairement les boues accumulées dans le décanteur vers le bassin d’aération. Ce type de commande est un élément clé particulièrement en périodes de pluie, lorsque d’importantes quantités de boues sont stockées dans le décanteur et menacent de se déverser dans le milieu naturel (Rouleau, 1997). Peu d’applications pratiques ont cependant été réalisées à grande échelle et, en pratique, les boues sont également recyclées à débit constant.
● Le processus d’extraction des boues permet de contrôler l’âge et la concentration des boues dans le système. Pour les STEP de petites tailles, des prélèvements hebdomadaires (ou bimensuels) sont effectués dans la plupart des cas, ce qui nécessite l’intervention d’un agent extérieur. Sur certaines STEP de tailles plus importantes, l’extraction est plus régulière et les boues sont soit stockées temporairement dans une fosse, soit envoyées, le cas échéant, vers la filière boues et traitées directement sur site. En pratique, la fréquence et la quantité des prélèvements sont généralement basés sur des règles empiriques afin de maintenir une concentration en boues dans le bassin d’aération de l’ordre de 3 à 5 g.m-3 et un âge de boues compris entre 10 et 20 jours (Boutin et al., 1998).
● Le séquençage de l’aération est particulièrement important dans la mesure où il conditionne directement l’élimination des composés organiques et azotés. Pour une grande partie des stations d’épuration, les stratégies d’aération appliquées sont identiques d’un jour à l’autre. Si ce mode de gestion reste envisageable lorsque les variations de débit et de charge sont faibles (cas de réseaux séparatifs notamment), il apparaît en revanche clairement inadapté pour faire face aux fortes perturbations incidentes (cas des réseaux unitaires).
● L’utilisation de méthodes d’asservissement de l’aérateur à la concentration en oxygène dissous, et mieux au potentiel redox, est à l’étude depuis plusieurs années et a débouché sur de nombreuses applications pratiques. La détection des instants de fin de nitrification et dénitrification par la mesure en ligne des concentrations en ammoniaque et en nitrate respectivement, ou encore par l’utilisation de respiromètres, a également été proposée.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Protocole de modélisation des stations d’épuration à boues activées
1.1. Généralités sur le traitement biologique
1.2. La modélisation des stations d’épuration à boues activées
1.2.1. Présentation des principaux modèles biologiques
1.2.2. Modèle ASM1
1.2.2.1. Unité de mesure de concentration utilisée
1.2.2.2. Processus mis en jeu
1.2.2.3. Variables d’état prise en compte dans le modèle ASM1
1.2.2.4. Cinétiques des réactions mises en jeu
1.2.2.5. Taux de conversion et valeurs des parameters
1.2.2.5.1. Taux de conversion
1.2.2.5.1. Valeurs des paramètres biologiques
1.2.2.6. Bilan de matière dans le réacteur
1.2.2.7. Bilan de matière dans le décanteur
1.2.2.7.1 Modèle réaliste (à couches)
1.2.2.7.2 Modèle simplifié
1.3. Simulation par les codes de calcul CFD
1.3.1. Présentation du protocole pour la modélisation CFD en épuration des eaux usées
1.3.2. Hypothèses de base du modèle
1.3.2.1. Dimensions du modèle
1.3.2.2. Régime permanent ou transitoire
1.3.2.3. Description des différentes phases
1.3.2.3.1. Propriétés des phases
1.3.2.3.1. Modèle multiphasique
1.3.3. Développement du modèle
1.3.3.1. Définition de la géométrie
1.3.3.2. Maillage
1.3.3.3. Configuration du solveur
1.3.3.4. Modèles de turbulence
1.3.3.5. Conditions aux limites
1.3.3.6. Convergence
1.3.4. Calage et validation
1.3.5. Présentation du code de calcul FLUENT
1.3.5.1. Architecture du logiciel
1.3.5.2. Etapes de calcul
Chapitre 2 : Présentation des STEP et évaluation des performances épuratoires
2.1. Présentation de la région de Souk-Ahras
2.2. Aperçu climatique
2.3. Estimation du volume d’eau usée épurée
2.4. Stations d’épuration de la région de Souk-Ahras
2.4.1. Présentation de la STEP de Souk-Ahras et évaluation des performances épuratoires
2.4.1.1. Les matières en suspension MES
2.4.1.2. La demande chimique en oxygène (DCO)
2.4.1.3. La demande biochimique en oxygène (DBO5)
2.4.1.4. Le rapport DCO/DBO
2.4.1.5. Le rapport MES/DBO5
2.4.1.6. Le rapport MVS/MES
2.4.1.7. Ammonium (NH4+)
2.4.1.8. Nitrates (NO–3)
2.4.1.9. Nitrites (NO-2)
2.4.1.10. Constat sur la consommation énergétique
2.4.2. Présentation de la STEP de Sedrata et évaluation des performances épuratoires
2.4.2.1. Les matières en suspension MES
2.4.2.2. La demande chimique en oxygène (DCO)
2.4.2.3. La demande biochimique en oxygène (DBO5)
2.4.2.4. Le rapport DCO/DBO5
Chapitre 3 : Simulation et optimisation des stations d’épuration à boues activées
3.1. Introduction
3.2. Modélisation du procédé à boue activée
3.2.1. Présentation du logiciel GPS-X
3.2.2. Les modèles employés dans l’étude
3.3. Caractéristiques de l’effluent d’entrée
3.4. Configuration des STEP et mode opératoire
3.5. Résultats et discutions
3.5.1. Calage et validation du modèle
3.5.2. Optimisation du fonctionnement des STEP
3.5.2.1. STEP Sedrata
3.5.2.1.1. Projet de transfert des EU de M’Daourouch vers la STEP de Sedrata
3.5.2.1.2. Estimation de la capacité réelle de la STEP
3.5.2.2. STEP Souk-Ahras
3.5.2.2.1. Gestion de la production des boues
3.5.2.2.2. L’influence du débit d’extraction sur les performances opératoires
3.5.2.2.3. Estimation de la capacité réelle de la STEP
3.6. Conclusion
Chapitre 4 : Gestion de la consommation énergétique
4.1. Introduction
4.2. Méthodologie de simulation adoptée
4.3. Calage et validation
4.3.1. Calage de la nitrification
4.3.2. Calage de la dénitrification
4.4. Résultats du calage
4.5. Analyse des résultats de simulation
4.5.1. L’évolution de la biomasse dans le réacteur
4.5.2. La charge azotée
4.5.3. Le temps de résidence hydraulique
4.5.4. Transfert d’oxygène dans le réacteur biologique
4.6. L’optimisation de la consommation énergétique en utilisant l’OD
4.6.1. Evaluation et analyse du coût
4.6.2. Dysfonctionnement du procédé à boues activée
4.7. Conclusion
Conclusion générale
