Analyse des goulots d’étranglement et catalogue de mesures « réserves internes » d’une STEP
État le : 01.05.2025
1. Analyse des goulots d’étranglement pour déterminer les « réserves internes » d’une STEP
1.1 Introduction
L’analyse des goulots d’étranglement vise à déterminer les réserves internes de la STEP. Elle doit être réalisée aussi bien pour le procédé biologique que pour la capacité hydraulique. Les procédés d’épuration dans une STEP sont soumis à des effets physiques, hydrauliques et biochimiques, qui se déroulent au cours des quatre étapes d’épuration dans une STEP communale :
| Catégorisation | Étape du procédé | Effet |
| Première étape (épuration mécanique) | Épuration mécanique pour retenir les matières grossières | Hydraulique et physique |
| Deuxième étape (épuration biologique) | Épuration biologique pour éliminer les polluants dissouts (matières organiques, azote et une partie des micropolluants) | Hydraulique et biochimique |
| Troisième étape (épuration chimique), intégrée dans la deuxième étape | Épuration chimique pour éliminer le phosphore | Hydraulique et chimique |
| Quatrième étape (filtration et EMP) | Élimination approfondie des matières solides (par ex. filtration du sable) et / ou étape d’élimination des micropolluants (EMP) | Hydraulique et physique ou chimique |
La deuxième étape est l’élément central de l’épuration des eaux usées. Si le procédé biologique ne fonctionne pas, il n’est pas possible d’éliminer suffisamment les polluants dissous et la STEP ne peut pas remplir les exigences légales. En conséquence, l’analyse des goulots d’étranglement au niveau du procédé biologique est toujours prioritaire. Si elle fait ressortir des réserves permettant une augmentation dynamique du volume entrant, il faut ensuite procéder à l’analyse de la capacité hydraulique des autres étapes du traitement.
1.2 Procédure d’analyse des goulots d’étranglement
1.2.1 Différences entre les procédés
Différents procédés biologiques sont utilisés dans la pratique. Ils se distinguent par le mode de colonisation des bactéries (en suspension ou biomasse fixée), le nombre d’étapes du procédé d’épuration biologique ainsi que le type de séparation des matières solides. Ils ne présentent donc pas tous la même souplesse eu égard à l’augmentation dynamique du débit entrant de la STEP. Le tableau 2 donne un aperçu du potentiel que présentent les différents procédés :
| Procédé | Colonisation bactérienne / nombre de réacteurs à lit fixe du procédé d’épuration biologique | Potentiel / limite s’agissant de l’augmentation de la charge hydraulique maximale |
| Installation conventionnelle à boues activées | Boues activées, en suspension ; deux réacteurs (biologie et décantation des boues dans le décanteur secondaire découplé) | Séparation de la biologie et de la décantation secondaire, d’où un important potentiel (en réduisant la MS dans la biologie, l’hydraulique peut également être augmentée pour la décantation secondaire ; voir aussi tableau 4) |
| SBR (réacteur biologique séquentiel) | Boues activées, en suspension ; étape biologique et procédé de décantation dans un même réacteur, décalés et gérés dans le temps | Possibilité d’adapter la concentration des boues et la durée des cycles. Un passage rapide à des cycles plus courts entraîne une baisse du rendement d’épuration (nitrification/dénitrification). Le réservoir de compensation pour le remplissage du SBR a une capacité hydraulique limitée, tout comme le stockage avant rejet. Un potentiel existe éventuellement durant les mois estivaux ou en cas de faible charge de l’installation |
| Lit fluidisé hybride | Boues activités en suspension et biofilm fixé sur support ; deux étapes (biologie et décantation des boues dans le décanteur secondaire découplé) | La biologie et la décantation secondaire sont découplées, ce qui limite le potentiel en raison du lessivage des supports dans la partie nitrification ou de la capacité hydraulique du tamis de rétention (risque de colmatage). Risque : les pics de charge sont difficiles à gérer. Lit fluidisé pur : la floculation lors de la précipitation secondaire est moins bonne |
| Biofiltre | Biofilm fixé ; étape biologique et rétention des boues sont couplées dans un même réacteur. | Limitation hydraulique. Le dimensionnement maximal est fixe, temps de contact prédéfini. Pas de capacité tampon pour les pics de charge. La charge réduite n’est que partiellement exploitable en raison de la limitation hydraulique. |
| MBR (bioréacteur à membrane) | Boues activées, en suspension ; étape biologique et séparation des boues (membrane) découplées. | Limitation hydraulique en raison de la surface de la membrane et de la densité de l’eau. Une augmentation n’est envisageable que lorsque le volume au-dessus de la membrane est suffisant et éventuellement pendant la période estivale (meilleure perméabilité). Volume biologique plus petit, car concentration supérieure des boues -> capacité tampon inférieure pour des charges par impulsion |
Étant donné que la majorité des installations en Suisse (> 80 %) sont des installations conventionnelles à boues activées, les explications qui suivent se limitent à ce procédé, en mettant l’accent sur la partie eaux. L’augmentation dynamique du débit entrant de la STEP n’a généralement que des répercussions mineures sur le traitement des boues et des gaz.
1.2.2. Paramètres importants
Le processus d’épuration biologique dépend des conditions environnementales ainsi que de différents paramètres :
- Température : efficacité de la biodégradation, densité de l’eau, vitesse de réaction, solubilité de l’oxygène
- Conflit d’objectifs : au fur et à mesure que la température augmente, la vitesse des actions biologiques croît, alors que la solubilité de l’oxygène diminue. Il peut en découler une pénurie d’oxygène pendant la période estivale (en particulier dans des situations à la limite de la capacité de charge).
- Teneur en sel de l’eau – en hiver : l’échange d’ions de NaCl avec Mg modifie la structure des boues
- Mélange et durée de séjour – contact entre les boues activées et les polluants
- État actuel du processus ; la matière sèche dans le bassin à boues activées (MSBBA) et l’indice du volume des boues (IVB) déterminent la capacité de charge de la décantation secondaire (DS) ; la masse des nitrifiants dépend de la charge en NH4 des derniers jours.
Outre les facteurs précités (conditions environnementales, paramètres clés et état actuel du processus), le taux de charge actuel de la STEP est important pour déterminer si les conditions de déversement peuvent être respectées même en augmentant la charge hydraulique.
1.2.3 Étapes critiques du procédé et facteurs de risque
Le tableau ci-dessous présente les étapes critiques du procédé pour les différents polluants ainsi que les facteurs de risque dans le cas d’une augmentation dynamique du débit entrant de la STEP et les répercussions sur les valeurs à la sortie.
| Polluant | Étape critique du procédé | Facteur de risque en cas d’augmentation de la charge hydraulique maximale | Conséquences pour les valeurs à la sortie |
| Substances organiques (COD, DCO) | Biologie : quantité de boues doit être suffisante pour la dégradation | Plus la quantité de boues dans le bassin biologique est importante, plus la capacité d’épuration biologique est grande (diversité des bactéries, contact, temps de réaction). | COD plus élevé, DCO dissous plus élevé / dépassements possibles |
| Azote (Ntot, NH4+, NO2–, NO3–, N2O) | Biologie : pour assurer la dégradation / atteindre un équilibre entre dénitrification et nitrification, il faut une quantité suffisante de boues, qui doivent être assez âgées, et il faut une biomasse adéquate de nitrifiants (volume suffisant). Décantation secondaire : décantation suffisante des boues | Comme ci-dessus ; la température joue un rôle plus grand pour la nitrification que pour la dégradation des substances organiques ; il faut de grands réacteurs aérés pour la nitrification, l’élément déterminant étant la composition de la biomasse de nitrifiants, laquelle s’est constituée sous l’effet de la charge en ammonium des jours précédents. Assurer en outre un volume non aéré pour la dénitrification. Prendre des mesures tranquillisantes pour éviter un apport excessif d’O2 par temps de pluie. Du fait de la concentration plus faible en DCO facilement dégradable, il faut s’attendre à une réduction de la dénitrification – conflit d’objectifs ! Les connaissances les plus récentes indiquent qu’une forte dégradation de l’azote réduit la production de gaz hilarant (ou protoxyde d’azote). Les risques existent surtout au printemps et dans le cas d’une mauvaise structure des boues (IVB élevé) | NO2– et NH4+ trop élevés ; élimination de l’azote total trop faible ; dépassements possibles ; formation de N2O possible pendant la période de transition |
| Phosphore (Ptot) | Décantation secondaire : décantation suffisante des boues / Filtration : refoulement | Liaison aux boues et au précipitant évt trop faible ; le dosage de précipitant peut être réglé en fonction de la quantité ; évt contourner la filtration lorsque la charge hydraulique est trop élevée | Augmentation de P dissout et particulaire / dépassements possibles |
| Matières en suspension (MES) et DCO particulaire | Décantation secondaire : décantation insuffisante des boues / Filtration : refoulement | Vu l’augmentation de la charge volumique des boues dans la décantation secondaire, les substances non dissoutes peuvent être lessivées dans le cas d’une poussée hydraulique. Évt contourner la filtration lorsque la charge hydraulique est trop élevée | Augmentation MES / évt DCO particulaire / dépassements possibles / trop grande perte de boues peut entraîner des problèmes |
| Micropolluants | Les facteurs déterminants pour l’élimination des micropolluants sont le mélange idéal, le temps de contact et de réaction. Cela vaut pour les procédés à charbon actif en poudre ou en granulés ainsi que pour l’ozonation. L’âge des boues est important pour la biologie | Limitation biochimique et hydraulique : réactifs et / ou temps de contact insuffisants pour la charge à traiter (charbon actif ou ozone). Difficulté à atteindre le rendement d’élimination en raison du décalage temporel et du gradient de concentration négatif à l’entrée et à la sortie par temps de pluie ainsi que de la détection plus difficile en cas de faibles concentrations. Rétention par le charbon actif de > 95 % est techniquement faisable, mais elle est difficile à contrôler. Mesure : mesures en ligne des MES et de la turbidité | Rendement d’élimination insuffisant, CAP trop élevé, perte d’ozone |
1.2.4 Conséquences au niveau du procédé d’élimination des micropolluants organiques
Dans sa publication « Volume d’eaux usées à traiter et redondance des étapes de traitement des micropolluants », le VSA recommande que la totalité du volume sortant de l’épuration biologique passe par l’EMP (traitement du flux global). Les écarts ne sont possibles que dans des cas justifiés et dûment documentés. Lorsque l’hydraulique dépasse Qdim, l’exigence concernant le traitement du flux global n’est pas applicable (voir chapitre 1.2 de la présente directive et article 6 alinéa 4 de l’Ordonnance fédérale sur la protection des eaux).
1.3 Analyse des goulots d’étranglement dans l’hydraulique
Le facteur déterminant pour l’augmentation de la charge hydraulique au-delà du débit de dimensionnement (Qdim) est la capacité hydraulique tout au long de la partie eaux. L’augmentation du débit entrant de la STEP ne doit pas entraîner de débordement d’une quelconque partie de l’installation, à un refoulement interdit ni à des déversements.
Tous les chenaux, canalisations, déversoirs intermédiaires et dispositifs de relevage ainsi que les étapes mécaniques et physiques doivent être vérifiés hydrauliquement selon des normes standardisées. Cet examen se fait d’abord sur la base des plans actuels, mais inclut également une analyse des données d’exploitation (sur une période de 2 à 4 ans) et du profil en long hydraulique. Par ailleurs, l’entretien avec l’exploitant constitue un élément important lorsqu’il s’agit d’envisager une augmentation du volume d’eau dans l’ensemble de l’installation. Toutefois, seul un plan détaillé du pilotage pourra confirmer qu’une augmentation du volume d’eau est possible.
Le tableau ci-après indique les effets et les risques pour les différentes étapes.
| Étape de traitement | Étape | Effet | Risque |
| Caniveaux / canalisations | Toute l’installation, toutes les étapes | Hydraulique | Débordement et / ou déversement supplémentaire par refoulement |
| Déversoirs intermédiaires | Toute l’installation, toutes les étapes | Hydraulique | Refoulement et / ou débordement |
| Zone de mesure avant la mesure du débit | Toute l’installation, toutes les étapes | Hydraulique | Refoulement et / ou débordement -> erreurs de mesure possibles |
| Dispositifs de relevage / pompes | Toute l’installation, toutes les étapes | Hydraulique | Retenue, refoulement et / ou débordement |
| Dégraveur / désableur | Première étape, mécanique | Hydraulique | Davantage de pierres et de gravier avant le dégrilleur |
| Dégrilleur | Première étape, mécanique | Hydraulique | Refoulement et / ou débordement, augmentation de la vitesse dans l’agrégat et réduction de la rétention des matériaux. Dépôts en cas de basses eaux (si réduction de Q) |
| Dessablage et déshuilage | Première étape, mécanique | Hydraulique | Refoulement, séparation réduite, plus de sable dans les bassins suivants / boues (plus d’abrasion, sable dans le digesteur), court-circuit hydraulique, montée du niveau d’eau, débordement des racleurs |
| Décanteur primaire | Première étape, mécanique | Hydraulique | Réduction de la durée de séjour et de la durée de sédimentation, augmentation de la charge superficielle, court-circuit hydraulique, baisse du taux d’élimination et donc accroissement de la charge sur la biologie (MES, DCO, DBO5, Ptot et Ntot), production de biogaz réduite |
| Caniveaux de boues flottantes, DP et DS | Première étape mécanique et deuxième étape biologique | Hydraulique | Refoulement, débordement, boues flottantes ne peuvent plus être enlevées |
| Bassin biologique | 2, biologique | Biochimique | Réduction de la durée de séjour hydraulique, augmentation des charges à traiter, multiplication des charges d’impulsion, augmentation de la concentration d’oxygène dans la canalisation d’entrée, risque de déroulement incomplet du processus, réduction de la température à l’entrée, insuffisance de la puissance de la soufflerie ou de l’apport d’air |
| Décanteur secondaire | Deuxième étape, biologique | Hydraulique | Augmentation du lessivage des boues, augmentation du niveau des boues, réduction de la durée de séjour, réduction de la capacité d’élimination des substances non dissoutes (MES, DCO, DBO5, Ptot et Ntot), augmentation de la charge superficielle, court-circuit hydraulique |
| Précipitation | Troisième étape, chimique | Hydraulique | Raccourcissement de la durée de mélange et de réaction, modification de la turbulence |
| EMP | Quatrième étape, étape supplémentaire | Hydraulique et biochimique | Réduction de la durée de séjour hydraulique, de la durée de contact et du rendement d’élimination ; l’augmentation des concentrations en nitrites en en COD requiert davantage d’ozone, teneur en ozone résiduel ou augmentation des pertes de CAP/micro-CAG, filtration CAG : blocage, expansion du lit fluidisé micro-CAG |
| Filtration sur sable | Quatrième étape, phase supplémentaire | Hydraulique | Refoulement, bouchement, débordement et donc rétention réduite des MES |
Le risque de goulots d’étranglement augmente avec le volume de l’écoulement Q, en raison des pertes d’énergie croissantes H :
- Ce risque est élevé pour les conduites de refoulement, siphons, ouvertures des vannes et chenaux fermés.
- Il est faible pour les déversoirs des bassins et les caniveaux d’évacuation des boues.
- Il est moyen pour les déviations, les répartitions, les confluences, les chenaux ouverts, les canaux Venturi, les dispositifs de relevage, les pompes et les dégrilleurs.
2. Catalogue de mesures pour activer les « réserves internes » d’une STEP
2.1 Remarques préliminaires
Les expériences en Suisse dans le domaine de l’analyse des goulots d’étranglement sont clairsemées. Le catalogue de mesures qui suit n’est par conséquent pas exhaustif et sera actualisé périodiquement en ligne sur la base des nouvelles expériences. Les utilisateurs sont invités à communiquer au VSA les éventuelles incohérences ou les nouveaux enseignements tirés des projets de référence qu’ils auront réalisés.
2.2 Aperçu
Si les analyses des goulots d’étranglement réalisées pour le procédé et pour l’hydraulique révèlent des réserves internes, il est possible d’augmenter le débit entrant de la STEP (voir tableau ci-dessous).
| Catégorisation | Analyse des goulots d’étranglement | Réserves internes | Augmentation du débit |
| Première étape (épuration mécanique) | Hydraulique | Réserves de capacité | Possible toute l’année |
| Deuxième étape (épuration biologique) | Procédé et hydraulique | Saisonnières Réserves de capacité Dynamiques | Possible durant les mois d’été Toujours possible ou en fonction de l’état du procédé Seulement après modélisation et extension de la technique de mesure |
| Troisième étape (épuration chimique), intégrée dans la deuxième étape | Procédé et hydraulique | Toujours veiller à une capacité suffisante au niveau des pompes de dosage des précipitants | |
| Quatrième étape (filtration et EMP) | Procédé et hydraulique | Réserves de capacité | Toujours |
2.3. Mesures envisageables pour les différentes étapes de traitement
En cas d’augmentation du volume d’eau, il convient de prendre les mesures qui s’imposent pour chaque étape de traitement afin d’assurer la capacité hydraulique nécessaire. Le tableau ci-dessous propose des solutions envisageables pour augmenter la capacité des différentes étapes de traitement :
| Étape de traitement | Vérification | Solutions envisageables pour augmenter la capacité |
| Caniveaux / canalisations | Capacité hydraulique | Évt élargir si les goulots sont courts ou ouvrir si les caniveaux sont couverts |
| Déversoirs intermédiaires | Capacité hydraulique | Évt les fermer |
| Zone de mesure avant la mesure du débit | Capacité hydraulique | Évt adaptations des constructions |
| Dispositifs de relevage / pompes | Capacité hydraulique | Exploiter le système au maximum de sa capacité, évt étendre l’installation et l’adapter sur le plan de la construction, prévoir un contournement |
| Dégraveur / dessableur | Capacité de rétention / matériaux charriés avant le dégrilleur | Multiplier les nettoyages |
| Dégrilleur | Largeur des chenaux, écart entre les lames / répartition de la charge | Augmenter l’intensité du nettoyage et/ou multiplier les nettoyages |
| Dessablage et déshuilage | Durée de séjour (> 5 min), charge superficielle (< 20 m/h) | Risque de dépôts de sable aux étapes suivantes (aspirer plus souvent), assurer une redondance, adapter les racleurs aux nouveaux niveaux d’eau, optimiser la distribution, installer des freins hydrauliques, éviter les dépôts pendant le minimum nocturne |
| Décanteur primaire | Durée de séjour (> 30 min à Qts ou > 45 min à Qts – si boues en excès dans le décanteur primaire) / charge superficielle 2,5 à 4 m/h (flux horizontal) | Augmenter la charge organique dans la biologie – envisager une précipitation préalable, ajouter évt des lamelles, optimiser la répartition, installer des freins hydrauliques |
| Caniveaux de boues flottantes, DP et DS | Capacité hydraulique | Capacité du séparateur insuffisante par moments – il est rarement possible d’adapter les mesures en place |
| Bassin biologique | Concentration et âge des boues, capacité pour des charges d’impulsion (pics d’ammonium) | Exploiter la capacité biologique maximale – limiter selon l’heure, contrôler régulièrement l’âge des boues, valeurs NH4 et NO2 (évt plus souvent que l’échantillon sur 24 h ou même en ligne) – intensifier l’aération en fonction de la situation, mais uniquement en assurant un volume de dénitrification suffisant en raison du problème du gaz hilarant. |
| Décanteur secondaire | Durée de séjour ou charge volumique des boues (500 à 650 l/m2/h au max) et charge superficielle (1,6 m/h) (flux horizontal) ou 2 m/h (flux vertical) | Réduire la concentration des boues dans la biologie, optimiser la répartition, installer des freins hydrauliques (par ex. tôles de séparation) ou rallonger les tronçons de tranquillisation – Analyser les données d’exploitation selon l’illustration ci-dessous et contrôler régulièrement les valeurs MES (évt plus souvent que l’échantillon sur 24 h ou même suivi de la turbidité en ligne). Faire des perforations supplémentaires dans les tuyaux de sortie immergés des bassins de décantation secondaire ; mesurer le niveau des boues. Réduire la charge volumique des boues par une réduction de la concentration dans le bassin biologique. Empêcher les court-circuits hydrauliques. Empêcher le lessivage des boues ! |
| Précipitation | Respecter le temps de mélange / turbulence / durée de séjour / temps de sédimentation | Adapter le dosage à la situation |
| EMP | Respecter le temps de mélange / turbulence / durée de contact réduite | Traiter des débits partiels, exploiter les capacités maximales, prévoir un contournement. Une décharge de l’étape EMP n’est possible qu’avec une autorisation cantonale. |
| Filtration sur sable | Capacité hydraulique | Respecter la vitesse de filtration maximale. Augmenter le nombre de cycles de rétrolavage Prévoir un trop-plein de secours et un contournement – Contournement uniquement si Q > Qdim et si cette mesure n’a pas d’effet négatif sur le milieu récepteur. |
Attention : si une STEP réagit de manière sensible aux pics hydrauliques ou aux pics de polluants, il peut être judicieux de n’augmenter que progressivement le débit entrant par temps de pluie. Il convient de tenir compte de ce facteur lors de la mise en œuvre des mesures.
2.3.1 Digression : limitation de la biologie et de la décantation secondaire liée au procédé
Une augmentation de la charge hydraulique dans la biologie et la décantation secondaire se traduit par un accroissement des MES dans le rejet. Pour remédier au problème des MES, la concentration des boues dans la biologie peut être réduite, ce qui permet simultanément de diminuer la charge volumique des boues dans la décantation secondaire. Une concentration plus faible et un âge inférieur des boues réduisent l’activité microbienne et la diversité. Selon l’âge des boues, la dégradation de la DCO, de l’ammonium et des micropolluants organiques s’en trouve diminuée. La figure ci-après illustre ces effets.
Selon les normes de dimensionnement, l’indice de volumes des boues (IVB) est déterminant pour le rendement de séparation dans la décantation secondaire. L’expérience montre qu’il faut souvent vérifier la construction des décanteurs secondaires et adapter le système aux conditions cadres actuelles. Les bassins sont parfois dimensionnés très généreusement ; ils peuvent donc souvent être chargés davantage que ce que prévoyait le dimensionnement standard initial, à condition toutefois que leur profondeur soit suffisante. La figure ci-dessous illustre une analyse d’exploitation possible, où 2 QTS,max correspondent au Qdim effectif. La saisonnalité de l’IVB est évidente.
Les connaissances acquises indiquent que les valeurs MES à la sortie sont fortement corrélées avec la température. Les hypothèses ci-dessous doivent encore être confirmées (source : « Optimierung der Abwasserbehandlung unter Einbezug von ARA und Netz » (optimisation du traitement des eaux usées en tenant compte de la STEP et du réseau). Hunziker Betatech AG, juillet 2018) :
- Les flocs de boues activées plus fins en hiver sont la cause d’une moins bonne sédimentation. Il est possible que les fortes concentrations en sel influent sur la structure des flocs.
- Les éventuels courants de densité peuvent entraîner une élévation du lit de boues et à de plus fortes concentrations en MES dans le rejet.
2.3.2 Digression : limitation de l’EMP liée au procédé
L’élimination des micropolluants est limitée hydrauliquement en raison du temps de contact entre ces substances et l’ozone ou le charbon actif adsorbant.
Les problèmes suivants peuvent survenir en cas d’augmentation de la charge hydraulique à l’étape EMP :
- dosage accru des réactifs (charbon actif en poudre ou ozone / en remplacement du charbon actif en grains)
- Il est difficile de déterminer la performance d’élimination (entrée/sortie STEP), vu que la concentration des micropolluants diminue rapidement à l’entrée de la STEP par temps de pluie ; peut-être qu’un pilotage par le biais d’un capteur CAS (coefficient d’absorption spectral) pourrait constituer une solution. Dans certains cas, un procédé mixte pourrait remédier au problème de la dilution (le rôle moteur de la concentration s’en trouve nettement réduit dans les installations à charbon actif).
- Rétention du charbon actif (techniquement > 95 % possibles, en tenant compte des inexactitudes de mesure). En l’occurrence, le document de juin 2019 accessible sur la plateforme Micropoll (en allemand) recommande une surveillance consistant à mesurer les MES et la turbidité ou à mesurer directement la perte de charbon actif.
2.3.3 Traitement de débits partiels
En Allemagne, l’option du traitement de débits partiels est de plus en plus débattue. Dans le cadre de la présente directive, le VSA s’est penché sur cette solution et a étudié les possibilités de contournement de la décantation primaire ou de la biologie. Considérées comme des interventions drastiques dans la STEP, ces deux mesures comportent des risques.
Un contournement partiel du décanteur primaire vise, en cas de pluie, à atténuer le pic de charge d’eaux usées concentrées provenant du décanteur primaire qui parviennent dans la biologie. Cette solution suppose toutefois l’existence de réserves hydrauliques correspondantes à l’étape de la décantation secondaire ainsi que, idéalement, une technique de mesure étendue, par exemple un capteur d’ammonium à l’entrée, de manière que le contournement partiel puisse être déclenché ou stoppé au bon moment. Dans les installations avec épaississement des boues excédentaires par le biais de la décantation primaire, l’élimination du phosphore peut être réduite passagèrement.
Le dessableur ne doit en revanche pas être contourné, mais « temporairement surchargé ».
Le VSA déconseille le contournement partiel de la biologie. Cette mesure ne produit qu’un effet modeste, difficile à quantifier (faible élimination du phosphore et de la DCO, de la DBO et des MES), avec en plus une augmentation du risque de perte de boues par la décantation secondaire et donc de réduction de l’âge des boues en raison de l’accroissement de la charge hydraulique.
Utilisation des réserves saisonnières. Durant les mois d’été, le procédé à boues activées (et d’une manière générale tous les procédés utilisant une biomasse en suspension) dispose en règle générale de réserves du fait de l’accroissement de l’activité biologique sous l’effet de des températures accrues, ce qui permet de diminuer le temps de contact ou l’âge des boues. En conséquence, la possibilité d’augmenter la charge hydraulique sera examinée surtout pour la période estivale. Cet examen doit se faire individuellement pour chaque STEP. La figure ci-après montre la saisonnalité de tous les effets susmentionnés. Les nitrates peuvent être problématiques tout au long de l’année dans certains cas, s’il s’agit d’atteindre un taux d’élimination annuel.
Si Qmax, STEP doit être augmenté au-delà de Qdim pendant la période estivale, le fonctionnement de l’installation doit être réglé en conséquence sur le plan du procédé. Dans un premier temps, il faut faire une exploitation pilote planifiée et suivie. L’exploitant doit en effet connaître en détail le comportement de son installation, car l’utilisation des réserves réduit la marge de sécurité s’agissant du respect des valeurs à la sortie exigée par la loi. Idéalement, la phase d’exploitation pilote est accompagnée par des spécialistes.
Ce faisant, il convient de tenir compte de deux conflits d’objectifs :
- L’adoption de la motion sur l’élimination de l’azote entraîne un nouveau conflit d’objectifs, car pendant la période estivale les réserves existantes devront éventuellement être utilisées pour éliminer davantage d’azote.
- Un autre conflit d’objectifs existe en rapport avec la formation de gaz hilarant. Les résultats de recherche actuels indiquent qu’une nitrification stable et une dénitrification tout au long de l’année pourraient réduire les émissions de ce gaz. Une concentration élevée de nitrites dans le bassin à boues activées ou dans le rejet peut être le signe d’une production accrue de gaz hilarant. À noter que ces émissions se produisent surtout pendant la période de transition (mars/avril).
L’optimisation devra par conséquent être mise en œuvre en tenant compte de ces conflits d’objectifs et de la situation concrète à la STEP et dans le milieu récepteur.
2.3.4 Utilisation de réserves à court terme
Si l’installation est exploitée dynamiquement et traite passagèrement davantage d’eaux usées, les valeurs des MES ou de l’ammonium peuvent augmenter. Pour diminuer le temps de réaction et contrôler le procédé, il est judicieux de mesurer en ligne la concentration en ammonium et la turbidité du rejet. Une analyse plus intensive (en ligne) des nitrites ainsi qu’une détermination plus fréquente de la structure des flocs de boues sont également utiles pour optimiser l’exploitation dynamique. L’extension des techniques de mesure à la STEP est un autre facteur favorable à l’exploitation dynamique. Pour ce mode d’exploitation, il faut raccourcir les temps de réaction de l’installation.
Les réactions des différentes étapes du procédé à une augmentation hydraulique passagère (pics dynamiques de quelques heures au début d’un événement pluvieux) peuvent en partie être évaluées à l’aide d’un modèle et d’essais pilotes. Le document DWA T3/2016 1 (en allemand) contient, à la page 27, un concept de réglage à titre de soutien.
2.3.5 Modélisation et simulation
Seule une simulation permet de déterminer de manière fiable s’il est possible d’augmenter la charge hydraulique de la STEP par le biais du débit entrant de dimensionnement (Qdim). De premières réflexions statiques permettent d’évaluer grossièrement la faisabilité. Les conditions dynamiques telles que les transitions entre temps sec et temps pluvieux requièrent en revanche une simulation dynamique en raison des interdépendances entre différents facteurs du procédé. C’est la biologie conventionnelle qui peut être modélisée de la manière la plus représentative (ammonium), tandis que les autres étapes et types de procédés ne peuvent pas encore l’être. La simulation apporte des résultats fiables pour l’essai d’exploitation.
2.3.6 Associer l’entreprise
Les mesures doivent toujours être planifiées et appliquées d’entente avec l’entreprise.
Le facteur de risque « gaz hilarant »
Le projet de recherche de l’Eawag mené par Wenzel Gruber, sous la direction d’Adriano Joss (jusqu’à fin 2021), montre qu’un bon équilibre entre nitrification et dénitrification réduit les émissions de gaz hilarant. Une concentration élevée de nitrites dans le bassin à boues activées ou dans le rejet peut être le signe d’une production accrue de gaz hilarant. Selon « N2O-emissions in full-scale WWTP2 », les émissions de ce gaz surviennent principalement pendant la période de transition (mars/avril). On suppose que les NOB (nitrobacters) sont lessivés et évacués pendant cette période de l’année. Il faut ensuite attendre deux à trois mois au moins jusqu’à ce qu’ils se soient reconstitués.
Les émissions de gaz hilarant se produisent surtout par temps sec, mais on a également détecté des augmentations après des jours de pluie, ce qui pourrait être la conséquence du lessivage des nitrobacters.
Au vu de ces connaissances, il devrait être possible de réduire la concentration et l’âge des boues pendant la période estivale afin d’augmenter la charge hydraulique de la STEP. Au début de la phase d’accroissement de la charge, il faut toutefois s’assurer que les concentrations en nitrites sont basses et que le volume de dénitrification ainsi que le substrat organique sont suffisants.
Pendant l’augmentation de la charge hydraulique, il faut procéder à des mesures supplémentaires des nitrites et surveiller attentivement la STEP, y compris la biomasse (structure des boues). Il est important de ne pas maintenir trop longtemps l’accroissement saisonnier de la charge de la STEP afin de ne pas risquer de commencer l’hiver avec des réserves trop basses.
Rapporté à la charge entrante annuelle, 0,1 % à 2,5 % de l’azote sont transformés en gaz hilarant. Sur la plupart des sites toutefois, ces émissions se produisent en l’espace de quelques semaines et dépendent largement du procédé. Vu l’importance du protoxyde d’azote (N2O) pour le climat, les conséquences de ces émissions doivent être dûment prises en compte dans une approche globale « réseau – STEP – milieu récepteur ».
- Publication DWA-Themen T3/2016 « Technische Massnahmen zur Behandlung von erhöhten Mischwasserabflüssen in der Kläranlage » (Mesures techniques pour traiter un débit supérieur d’eaux mixtes dans la station d’épuration), éditeur : DWA (Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall ; association allemande de gestion des eaux, des eaux usées et des déchets), août 2016 ↩︎
- Gruber W., Niderdorfer R., Bürgmann H., Joss A., von Känel L., Braun D., Mohn J., Morgenroth E., (2022), Lachgasemissionen aus ARA (Émissions de protoxyde d’azote dans les STEP), Aqua&Gas 1/2022 ↩︎
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