Étude de la variabilité des eaux résiduaires urbaines

La conception et le dimensionnement d'une installation de traitement d'eaux résiduaires urbaines requièrent une connaissance approfondie des effluents en termes de débits, de concentrations des divers constituants et de charges polluantes. Ces différents éléments se caractérisent toutefois par une forte variabilité au cours du temps.

Dans un système de collecte séparatif, les principaux facteurs responsables de cette variabilité sont essentiellement : les habitudes de la population et la taille de l'agglomération, qui conduisent à des variations à court terme (horaire, journalière et hebdomadaire), les fluctuations saisonnières, sources de variations à plus long terme, et les activités industrielles, sources de variations à court ou long terme.

Dans un système de collecte unitaire, cette variabilité est amplifiée par l'apport de pollution en temps de pluie. Cet apport est fonction des précipitations (intensité et durée de l’événement pluvieux), des caractéristiques du bassin versant et de la configuration du réseau de collecte (longueur, pente).

L'objectif global d'un système de traitement des eaux usées est de mettre à disposition de la collectivité un outil capable de faire face à une large gamme de conditions hydrauliques et de charges polluantes, tout en produisant un rejet conforme aux règles de conformité et de tolérance imposées.

Lors du dimensionnement d'une station d'épuration, ces règles de conformité et de tolérance sont à utiliser en étroite liaison avec les débits et charges de pollution dits « nominaux », définis par le Cahier des Charges ou le Dossier de Consultation. Or, ces paramètres varient sensiblement d'un pays à l'autre, ce qui, selon l'interprétation qui en est faite, peut conduire à des dimensionnements fort différents.

Selon la Directive européenne du 21 mai 1991 (91/271/CEE), la charge brute de pollution (organique) à prendre en compte est définie par la quantité de DBO₅ calculée sur la base de la charge journalière moyenne de la semaine la plus chargée au cours d'une année donnée. Les prescriptions techniques relatives aux rejets sont clairement définies selon la capacité de l'installation et selon que les rejets aient lieu ou non dans des zones sensibles à l'eutrophisation (tableau 1).

Pour la France, l'Arrêté du 22 décembre 1994 fixant les prescriptions techniques relatives aux ouvrages de collecte et de traitement des eaux usées reprend des termes très semblables.

En Allemagne, les recommandations de l'ATV conduisent à considérer comme débits et charges polluantes nominaux les valeurs non dépassées 85 % du temps.

Tableau 1 : Prescriptions relatives aux rejets provenant des stations d’épuration des eaux résiduaires urbaines

Directive européenne 91/271/CEE

Valeurs (85 %ile). Par contre, les normes de rejet doivent généralement être respectées sur des échantillons moyens 2 heures, ce qui est nettement plus contraignant que sur des échantillons moyens journaliers.

Dans les pays anglo-saxons les débits et charges de pollution considérés comme nominaux sont souvent des valeurs moyennes annuelles, alors que les normes de rejet, hors azote et phosphore, sont à respecter 95 % du temps.

Cette approche rend difficile le dimensionnement des paramètres à calculer pour les conditions de pointe.

Compte tenu de la diversité de ces approches, on conçoit l’importance de disposer d’un maximum de données concernant les variations au cours du temps des débits et des caractéristiques de la pollution. C’est l’objet de la présente étude.

Modalités de l’étude

Caractéristiques des stations d’épuration

Afin d’observer la variabilité des effluents, nous avons compilé, dans le cadre de l’étude, les résultats d’autosurveillance de douze stations d’épuration. À dominante urbaine, de capacités variables et situées essentiellement en France, les stations étudiées présentent les caractéristiques indiquées dans le tableau 2.

Analyses statistiques

La qualité et la quantité des pollutions étant variables, l’utilisation des statistiques est nécessaire, notamment en termes de fréquence d’apparition, de pourcentile et de fréquence cumulée.

Une première analyse de la variabilité peut être effectuée sous forme de fréquence d’apparition des valeurs observées sur la station (débit, flux…) par rapport à l’ensemble des valeurs sur une base temps, généralement d’une année (cf. figure 1).

Par ailleurs, il est possible de traduire cette courbe sous forme de fréquence cumulée où la valeur 100 %ile représente la valeur maximale de l’ensemble des données. Cette courbe exprime ainsi la notion de pourcentile.

Pour un pourcentile donné (P), la valeur P %ile correspond à une valeur X du paramètre considéré. Dans l’exemple de la figure 2 :

– 50 % des valeurs de débits sont inférieures à 302 000 m³/j. C’est la valeur médiane ; la valeur moyenne se situe à 310 000 m³/j. – 95 % des valeurs sont inférieures à 420 000 m³/j, et 5 % des valeurs de débits comprises entre 420 000 et 591 000 m³/j. – 100 % des valeurs sont inférieures au débit maximal de 591 000 m³/j.

Une approche complémentaire pour traduire la variabilité consiste à étudier le rapport entre les valeurs 95 %ile et les valeurs moyennes. Pour cela, est défini un ratio R :

          Valeur 95 %ile
R = —————————————
        Valeur moyenne annuelle

Ainsi, pour chaque station, il est possible de déterminer les ratios Rᵥ, Rᶜ et R????, correspondant respectivement aux ratios de débit, concentration et flux sur une année.

Variations de débits

D’une manière générale, les consommations …

Tableau 2 : Caractéristiques des stations étudiées

* faibles : inférieurs à 10 % – moyens : entre 10 % et 30 % – forts : supérieurs à 30 %

en eau sont très variables selon les modes de vie, au cours d’une journée, d’une saison à l’autre ou encore d’une région à l’autre. L’étude vise à dégager des tendances sur l’ensemble des stations étudiées.

Variations annuelles

À l’échelle de l’année, une grande variabilité du débit est constatée. Le ratio hydraulique RH = Débit 95 %ile / Débit moyen annuel varie de 1,2 à 1,7, avec un ratio moyen de 1,42. Cette valeur est toutefois affectée d’une forte incertitude sur la valeur du débit réel maximal reçu par la station en temps de pluie, notamment à cause de la possibilité de by-pass en amont.

Variations horaires

À l’échelle de la journée, la variation du débit peut suivre deux types de profils : profil à deux pointes horaires espacées et de courte durée ou profil à une seule pointe de longue durée. Les observations actuelles montrent que ce dernier type de profil semble prédominer. Le graphe de la figure 3 illustre le profil à une seule pointe.

Les variations de débit diffèrent d’une station à l’autre en fonction de l’activité humaine et industrielle, de la structure du réseau (longueur, pente et présence ou non de stations de pompage), des infiltrations.

Variations de flux

La charge polluante est un paramètre clé dans le dimensionnement d’une station. Il est donc primordial d’appréhender au mieux ses fluctuations.

Variations annuelles

L’illustration des variations du flux de DBO5 (kg/j) de la station « L » (figure 4) permet de recadrer les valeurs clés : flux moyen annuel, flux journalier maximal, flux hebdomadaire maximal.

Ainsi, le graphe illustre les différences significatives entre les flux de DBO5 : moyen annuel (67 700 kg/j), journalier maximal (133 600 kg/j) et hebdomadaire maximal (96 700 kg/j).

Le flux de DBO5, étant un paramètre prépondérant pour le dimensionnement, le choix de la valeur à considérer est donc important. Comme indiqué précédemment, la Directive Européenne impose le dimensionnement d’une station par rapport au flux de DBO5 de la semaine la plus chargée de l’année.

À quel %ile de flux peut-on associer un flux maximal hebdomadaire ?

Il est intéressant d’analyser ce flux maximal hebdomadaire par une étude statistique qui définira la pollution nominale à traiter.

Selon notre étude, le flux de pollution de la semaine la plus chargée représente en moyenne la valeur 94 %ile des flux journaliers pour les stations ayant une part faible à moyenne (10 à 30 %) d’effluents industriels (tableau 3).

Concernant les autres polluants :

• – la valeur de 94 %ile a été également vérifiée

pour les MES ;

• - les flux hebdomadaires maximum en termes d’azote Kjeldahl (NK) et de Phosphore (P) représentent quant à eux le 96%ile.

Tableau 3 : Pourcentile du flux hebdomadaire maximal de DBO5.

Stations avec faible présence d’ERI

Stations avec forte présence d’ERI

Par contre, les résultats obtenus sur les stations où la présence d’effluents industriels est plus marquée présentent une relation entre le %ile et la charge maximale hebdomadaire nettement plus variable.

En conclusion, pour les stations à caractère industriel non prédominant, l’étude a permis de mettre en évidence que les flux de pollution de la semaine la plus chargée correspondent approximativement à la valeur 95%ile des flux journaliers.

Quelles sont les variations annuelles des polluants MES, DBO5, NK et P ?

Pour traduire les variations annuelles d’un polluant, il est possible d’exprimer celui-ci en concentration (mg/l) ou en flux (kg/j). Comme définis précédemment, les ratios Rc et Rf ont été calculés pour les stations à dominante urbaine (tableau 4) :

• - Bilan inter-stations : Pour un même type de polluant, une valeur moyenne de Rc et Rf est ainsi déterminée avec une variabilité correcte.

Ces valeurs sont utilisables pour des stations classiques. Ainsi, pour des stations à forte dominante industrielle (supérieures à 30-40 %), les valeurs de ratios Rc et Rf varient trop largement pour avoir une moyenne significative : c’est le cas notamment de la station B avec Rc (MES) = 2,58 ; Rc (DBO5) = 1,92 ; Rc (NK) = 1,66 et Rc (P) = 1,81.

• - Bilan inter-polluants : Une différence existe entre les ratios des différents polluants. Ainsi, les ratios Rc et Rf en MES, et plus généralement des paramètres à forte composante particulaire, présentent des valeurs plus élevées. Ceci peut notamment s’expliquer par le rôle du réseau et le lessivage des canalisations lors d’événements pluvieux.

Existe-t-il des concomitances Débit-Flux et Concentrations ?

À l’échelle de l’année, la comparaison du produit des ratios Rc * Rf avec le ratio de flux Rf indique une non-concomitance entre les pointes de concentration et de flux. Pour illustrer ce phénomène, les flux et concentrations en DBO5 de la station T sont représentés en figure 5.

Deux types de pointes de flux peuvent avoir lieu :

• - en temps sec : faible débit associé à une forte concentration (ex du 23/02) ;
• - en temps de pluie : fort débit et dilution de la pollution (ex du 24/01 et du 03/02).

De ce type de graphique, il ressort que le débit maximal qui arrive sur la station n’est pas associé au flux maximum de pollution (cas d’un réseau unitaire).

Ainsi, en analysant les jours où le flux de pollution avoisine la valeur 95%ile, on observe que le débit moyen correspondant représente environ 80 % du débit 95%ile.

Variations horaires des charges polluantes

Une étude similaire est conduite à l’échelle de la journée. Les variations horaires de la station « C » sont représentées en figure 6.

Tableau 4 : Valeurs des ratios en concentration Rc et en flux Rf des polluants

Rc (Concentrations)

Rf (Flux)

Un décalage est observé entre les pointes de débit et de flux, et vérifié pour les stations « A » et « D ». Le débit de pointe horaire ne correspond pas systématiquement à un flux de pointe horaire et inversement : dans cet exemple, le flux de pointe a lieu à 15 h, période de forts débits et concentration, alors que la pointe de débit date de 11 h. Différents facteurs peuvent expliquer ce décalage : présence d’eaux parasites, taille de la ville (type et longueur du réseau), type de réseau (gravitaire faible ou forte pente, pompage), type d’industries.

Variations des différents constituants de la pollution

Le tableau synthétique 5 présente les ratios DCO/DBO₅, MES/DBO₅ et NK/DBO₅ obtenus sur les différentes stations. Ces ratios compilés sont classiquement utilisés dans le traitement des eaux résiduaires, notamment pour le dimensionnement. Nota : Les stations suivantes n’ont pas été prises en compte : « A » et « C », du fait de la fréquence des analyses (horaires) ; la station « E » pour le ratio NK/DBO₅, par absence d’analyses de l’azote Kjeldahl. Enfin, la STEP « B » est également écartée de l’étude pour la même raison que lors du calcul de Rc et Rp.

DCO/DBO₅ et MES/DBO₅ Les huit stations retenues ont des ratios DCO/DBO₅ et MES/DBO₅ relativement identiques, avec pour valeurs moyennes respectives 2,3 et 1,2.

NK/DBO₅ L’étude des variations des polluants DBO₅ et NK s’avère intéressante afin d’optimiser le dimensionnement et l’exploitation, notamment lors des calculs de besoins en oxygène en pointe. Un ratio moyen de 0,195 est déterminé sur les stations étudiées.

En conclusion, les valeurs de ratios indiquées sont relativement proches d’un site à l’autre, et typiques pour des pays européens. À partir de la définition de l’équivalent-habitant, qui considère 60 g DBO₅/j E.H (*), et des ratios moyens ci-dessus, il apparaît :

• 138 g DCO/j E.H
• 72 g MES/j E.H
• 12 g NK/j E.H

(*) Directive européenne du 21 mai 1991.

Tableau 5 : Rapports DCO/DBO₅, MES/DBO₅ et NK/DBO₅, des différentes stations

Cas particulier du Phosphore

Suite à l’évolution de la législation sur les détergents, une réduction régulière des pollutions en phosphates dans les eaux résiduaires urbaines se dessine.

À partir du ratio moyen DBO₅/P mesuré lors de l’étude et en considérant 60 g DBO₅ par E.H et par jour, la valeur moyenne du rejet en phosphore est de 2,0 g/j E.H (tableau 6). Ce chiffre peu élevé est sans doute affecté par la présence de rejets industriels.

Pour un effluent typiquement domestique, …

Tableau 6 : Estimation des rejets en phosphore en g/j.E.H

Le débit moyen annuel varie de 1,2 à 1,7 avec une moyenne de 1,42.

• La charge maximale hebdomadaire en DBO₅ reçue par une station d’épuration représente approximativement la charge non dépassée 95 % du temps (valeur 95 %ile). Dans le cas des effluents à dominante urbaine, cette observation s’applique également aux autres paramètres de pollution (MES, DCO, NK et P).

• Partant du principe que la charge en DBO₅ par équivalent-habitant (E.H) est de 60 g par jour, les charges équivalentes rejetées par E.H pour les autres paramètres sont de 138 g/j de DCO, 72 g/j de MES et 12 g/j de NK, proches des valeurs habituellement admises.

• À partir de l’observation du rapport moyen DBO₅/P, le rejet en phosphore par E.H apparaît très nettement inférieur à la valeur de 4 g/j.E.H souvent retenue en France dans les dossiers de consultation. Pour un effluent typiquement domestique, on peut l’estimer autour de 2,5 g/j.E.H, avec une tendance régulière à la baisse en raison de la législation relative aux détergents. Un ratio de 2,5 à 2,7 g/j.E.H apparaît plus réaliste.

À titre d’exemple, une analyse de cinq ans de données de la station « L » illustre, en figure 7, l’évolution du rejet en phosphore par équivalent-habitant :

Conclusion

L’analyse statistique des variations de débits et de charges polluantes observées sur une douzaine d’installations conduit aux conclusions suivantes :

• Le rapport entre le débit 95 %ile et le débit moyen annuel varie de 1,2 à 1,7 avec une moyenne de 1,42.

• La charge maximale hebdomadaire en DBO₅ reçue par une station d’épuration représente approximativement la charge non dépassée 95 % du temps (valeur 95 %ile). Dans le cas des effluents à dominante urbaine, cette observation s’applique également aux autres paramètres de pollution (MES, DCO, NK et P).

• Partant du principe que la charge en DBO₅ par équivalent-habitant (E.H) est de 60 g par jour, les charges équivalentes rejetées par E.H pour les autres paramètres sont de 138 g/j de DCO, 72 g/j de MES et 12 g/j de NK, proches des valeurs habituellement admises.

• À partir de l’observation du rapport moyen DBO₅/P, le rejet en phosphore par E.H apparaît très nettement inférieur à la valeur de 4 g/j.E.H. Pour un effluent typiquement domestique, on peut l’estimer autour de 2,5 g/j.E.H, avec une tendance régulière à la baisse en raison de la législation relative aux détergents. Un ratio de 2,5 à 2,7 g/j.E.H apparaît plus réaliste.