Eaux résiduaires urbaines

Chaque jour un européen produit 150 à 250 litres d'eau usée (pour atteindre jusqu'à 950 litres dans certaines régions des États-Unis).

Une fois l'eau sale traitée au sein de l'usine de dépollution, ce sont 5 litres de boues liquides que l'on récupère en sortie.

Sans traitements adaptés, une ville de 50 000 habitants pourrait remplir toutes les semaines l'équivalent d'une piscine olympique de boues !

C'est pour cela qu'une usine de dépollution ne se contente pas d'épurer l'eau, mais comprend systématiquement une filière de traitement spécifique aux boues, visant à en réduire le volume, à les éliminer et/ou les valoriser en agriculture.

En 2017, la France compte dans sa base de données 21 282 agglomérations d'assainissement comprenant 21 631 stations de traitement des eaux usées (STEU) qui représentaient une charge globale de 77 millions d'Equivalents-habitants (Eh) pour une capacité épuratoire de l'ensemble des STEU de 104 millions d'Eh. Les agglomérations de 2000 Eh et plus étaient au nombre de 3 740 pour 3 920 stations de traitement des eaux usées, en effet certaines agglomérations sont composites et comportent plusieurs stations. Elles représentent une charge polluante de 74 millions d'Eh.

Nota :
En juin 2018, la France a rapporté à la Commission européenne, conformément à l'article 17 de la directive du 21 mai 1991 relative au traitement des eaux urbaines résiduaires et au plan national d'action assainissement stipulé ci-dessus, une liste d'agglomérations de 2000 EH et plus dont les systèmes d'assainissement sont non conformes ou à saturation ou encore, tenus par l'échéance zones sensibles de 2017. Cette liste des agglomérations "dites" prioritaires a été établie par les services déconcentrés (niveau départemental et régional), sur la base du bilan de fonctionnement annuel de 2016 des systèmes d'assainissement (système de collecte et station de traitement des eaux usées).
Cette liste article 17-ERU est révisée et rapportée à la Commission européenne tous les 2 ans. Elle permet ainsi de suivre dans le temps l'évolution de la conformité des agglomérations.

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• par écoulement naturel, en utilisant la pente de l'égout ; en général des pentes trop faibles sont évitées( par exemple inférieures à 3 millimètres par mètre) pour éviter des ondulations dans le profil longitudinal de la conduite ;
• sous pression, lorsque le relief n'offre pas de pente naturelle importante ; dans ce cas, le réseau comporte des stations de pompage.
• sous dépression, en aspirant les eaux usées lorsque le relief est faible ; ce réseau est uniquement séparatif.

Les réseaux présentent des ramifications quand les pentes naturelles du réseau hydrographique sont importantes. Ils peuvent être maillés lorsque les pentes deviennent faibles. En fonction du niveau de l'eau dans les tuyaux, le sens d'écoulement peut s'inverser.
Lorsque la conduite d'écoulement n'est pas complétement remplie, on dit qu'elle est à surface libre.
Si la pente est grande, l'écoulement est dit torrentiel, sinon, il est fluvial.

En général, on cherche à conduire les eaux de ruissellement pluviales, de préférence traitées ou très diluées, le plus près possible de l'endroit où elles sont collectées, vers une voie d'eau de surface pour éviter des frais de construction d'égout trop élevé.
Toutefois, en faisant cela, on risque souvent d'aggraver la fréquence et l'importance des inondations de la voie d'eau elle-même, surtout s'il s'agit d'un ruisseau de peu d'importance par rapport à une grande surface imperméabilisée.
L'entretien des couloirs d'eaux de ruissellement branchés à un égout incombe au propriétaire ou au gestionnaire de la surface drainée par le ruissellement. L'entretien des égouts publics incombe à la commune qui les a créés.
Par ailleurs, la commune prévoit une taxe sur l'entretien des égouts (compris dans la Taxe d'Assainissement)
L'entretien d'un égout comporte les opérations :

• de curage et d'enlèvement des dépots,
• de contrôle de l'étanchéité par inspection interne.

Les réparations des défauts de stabilité et d'étanchéité peuvent être réalisées actuellement au moyen d'engins robotisés et/ou par des techniques de gainage ou d'injections localisées.

Sous-produits des réseaux :
Les matières de curage des réseaux d’assainissement sont des graviers, des sables, des matières organiques et des détritus divers qui s’accumulent dans les réseaux à tous les endroits où la vitesse d’écoulement des eaux est ralentie.
Pour la région parisienne, par exemple, cela représente plus de 100 000 m3/an de boues de curage.
En moyenne, les boues de curage représentent 18 kg/habitant/an de matières brutes (données ASTEE).
Les graisses des bacs à graisses des artisans, restaurateurs, cantines, industriels, …

Nota : une "mise en conformité" des réseaux hydrauliques est exigée par la Commission Europeènne (investissement 2008 : env.13 M.EUR).







Composition.
Les impuretés contenues dans les eaux usées urbaines comprennent des matières minérales et des matières organiques qui sont entraînées par le courant liquide sous forme de matières en suspension (décantables, flottantes et colloïdales), ou, en proportion plus ou moins grande, dissoutes dans l'eau.
A ces matières s'ajoutent des microorganismes, susceptibles de dégrader les matières organiques et de provoquer des fermentations putrides.
Dans des eaux usées domestiques types, la matière organique est constituée approximativement de 50 p. 100 de glucides, 40 p. 100 de protéines et 10 p. 100 de graisse.
Un des principaux critères d'une eau usée urbaine est sa biodégradabilité (possibilité d'épuration par des traitements biologiques), rendue possible par l'existence d'une alimentation équilibrée pour les bactéries (azote et phosphore).
Il est souhaitable que les eaux usées arrivent à la station de traitement dans un état de « fraîcheur » suffisante. Une eau nauséabonde est toxique pour le traitement et devrait subir une préoxydation avant décantation (préaération ou pré-chloration).
Le pH peut s'échelonner de 6,5 à 8,0.

NOTA :

• La mesure de la demande chimique en oxygène (DCO) représente tout ce qui est susceptible d'utiliser de l'oxygène : sels minéraux oxydables, composés organiques biodégradables;
• La mesure de la demande biologique en oxygène (DBO₅) représente la quantité d'oxygène consommée par la voie biologique, pendant 5 jours d'incubation (correspond normalement à la pollution organique carbonée biodégradable);
• La mesure de la DBO ultime représente la quantité d'oxygène complète, consommée par la voie biologique, (un temps de 21 à 28 jours est considéré comme suffisant : DBO₂₁, DBO₂₈);
  ..................................................................

et, également :

• La mesure de l'azote ammoniacal représente l'ion ammonium NH₄+;
• La mesure de l'azote nitreux correspond à l'ion NO₂ (nitrites);
• La mesure de l'azote nitrique correspond à l'ion NO₃ (nitrates);
• La mesure de l'azote KJELDAHL ou N Total Kjeldahl (NTK) représente l'azote réduit, c'est-à-dire les composés non oxydés de l'azote, et partiellement les composés nitrés et nitrosés, et pas ou peu les substances azoïques et diazoïques, oximes, hydrazines et dérivés, hétérocycles azotés;

L'azote organique (N_organique) est égal à l'azote déterminé par la méthode Kjeldahl moins l'azote ammoniacal.

L'azote total (N total) au sens large, représente la quantité totale d'azote, présent sous forme liée, soit en général :

Autres composés azotés :
Dans les eaux résiduaires peuvent exister diverses substances azotées, azote protéique, acides aminés, urée, cyanures, dérives nitrosés...
Le dosage de ces molécules requièrent des analyses spéciales qui ne sont réalisées que dans des cas précis.

• pour moins de 10 000 usagers : 150 litres (l)
• de 10 000 à 50 000 usagers : 200 l
• plus de 50 000 usagers : 250 à 500 l

- le débit varie au cours de la journée et l'on observe une ou plusieurs pointes. On peut définir, en appelant Qj le débit journalier :

• Débit moyen diurne (horaire) : Qmd = Qj / 14
• Débit moyen journalier (horaire) : Qmj = Qj / 24
  
  Nota : Qmd peut varier entre Qj/12 et Qj/18 suivant les conditions et l'importance des rejets industriels.
  

La pointe de temps sec peut être calculée par la formule :

avec Qp et Qm exprimés en litre/seconde, dans la limite d'un coefficient de pointe de 3 au maximum.

Pointe de temps de pluie :
En dehors des problèmes d'inondation, par temps de fortes pluies les villes subissent ce que l'on pourrait comparer à "une véritable douche". Chargées de la pollution accumulée dans l'atmosphère, les eaux pluviales ruissellent sur les surfaces imperméabilisées (chaussées, toitures, parkings...) et "nettoient" les villes entraînant avec elles hydrocarbures, métaux lourds, déchets végétaux et animaux... De nature particulière, ces eaux usées s'ajoutent alors aux effluents domestiques et les usines de dépollution doivent être capables de réagir rapidement à ces charges supplémentaires. Si la prise en compte des eaux de temps de pluie est une nécessité pour protéger les milieux aquatiques, son application sur le terrain pose encore des problèmes technico-économiques.
La pointe de temps de pluie (cas d'un réseau unitaire) est admise en général entre 3 et 5 fois le débit moyen Qmj.

- Le plus souvent la pointe de temps sec se produit une fois par jour. Plus le réseau est court, et la population desservie faible, plus la pointe est relativement importante.

- Si les eaux brutes comportent une fraction non négligeable d'eaux résiduaires industrielles (abattoirs, laiteries, etc.) les variations de pollution peuvent être beaucoup plus brutales et importantes que pour des eaux urbaines seules. On doit alors en tenir compte dans le dimensionnement des ouvrages.

Charges en DBO₅.
En France, les charges (quantités) en DBO₅ apportées par les eaux brutes, par jour et par habitant, sont habituellement estimées comme suit :

• réseau séparatif .............................. 60 à 70 g
• réseau unitaire ................................ 70 à 80 g

Les nombres inférieurs correspondent à des populations jusqu'à 5 000 hab., et les nombres supérieurs à plus de 20 000 hab.

A niveau de vie croissant, on constate une augmentation de la charge de pollution par usager et, également, du volume d'eau usée (le débit d'eau croît d'ailleurs plus vite que la charge, de sorte que les eaux usées tendent à devenir plus abondantes et moins concentrées).

La concentration en DBO₅ varie durant la journée.
La pointe horaire de pollution peut alors atteindre jusqu'à 10 fois la pollution horaire moyenne.

Charges en matières en suspension (MES).

Les charges en matières solides apportées par les eaux brutes, par jour et par habitant, sont généralement estimées comme suit :

• réseau séparatif........... 70 g dont 70 % de matières volatiles
• réseau unitaire ............ 80 g dont 66 % de matières volatiles

Ces apports de MES s'entendent après dégrillage et dessablage et ne tiennent pas compte des produits recueillis au prétraitement qui sont de l'ordre de :
>dégrillage :

• 2 à 5 dm3 de matières dégrillées par usager et par an, pour un dégrillage à espacement
  de 35 mm à 50 mm environ
• 5 à 10 dm3 de matières dégrillées par usager et par an pour un dégrillage à espacement
  de 15 à 25 mm environ.

La teneur en eau de ces matières est de l'ordre de 70 à 80 % après égouttage

>dessablage :

• volume de sable par habitant et par an, de l'ordre de 5 dm3 (pour une urbanisation dense)
  à 12 dm3 (pour une urbanisation faible)

- le volume de déchets retenus par les grilles s'accroît avec le niveau de vie des habitants raccordés, du fait, en particulier, de l'augmentation de la proportion de matières fibreuses,

- lorsque les déchets ménagers (relevant des ordures ménagères) sont broyés sur évier, et évacués à l'égout (pratique proscrite en France), ces matières ne sont plus arrêtées par les grilles et la charge introduite à la station de traitement peut alors être considérablement augmentée (dans certaines villes des USA, DBO₅ et MES sont pratiquement doublées).

Exemples de charges dans divers pays :

Pays..............................Débit l/hab.jour.................DBO₅ g/hab.jour.............. MES g/hab.jour

Italie..............................150 à 350......................... 70 - 60............................. 80 - 70

Canada, USA (1970).....400 - 500........................ 80 -100.............................100 - 120

Japon.............................300 à 500........................ 64 à 84.............................58 à 76