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Traitement des eaux usées

Traitement des eaux usées : critères de gestion et conception de stations d’épuration avec un logiciel BIM

Gestion et traitement des eaux usées dès la conception du système d’évacuation avec un logiciel BIM pour les installations MEP


Le traitement et la réutilisation des eaux usées représentent un défi incontournable dans une perspective de durabilité environnementale et d’optimisation de l’utilisation des ressources naturelles. Gérer l’ensemble du cycle de l’eau permet certainement de restituer à l’utilisation une ressource précieuse qui serait autrement gaspillée.

Le cycle de l’eau commence par la collecte des eaux usées ; commençons donc par là et voyons ce que sont les eaux usées, comment elles sont traitées et quels outils utiliser pour concevoir correctement un système d’évacuation.

Que sont les eaux usées

Dans le domaine de l’ingénierie environnementale et chimique, les eaux usées désignent toutes les eaux qui, après utilisation, nécessitent un traitement de purification avant d’être rejetées dans l’environnement naturel ou réutilisées.
Selon leur origine, on distingue : 

  • eaux usées domestiques, provenant de zones résidentielles et de services, principalement issues du métabolisme humain et des activités domestiques (tels que les hôtels, les écoles, les casernes, les bureaux publics et privés, les installations sportives et récréatives, les commerces de détail et de gros, et les bars). Elles contiennent principalement de la cellulose, des lipides, des substances protéiques, de l’urée, de l’acide urique et des glucides ;
  • eaux usées industrielles, tout type d’eau provenant de bâtiments où des activités commerciales ou de production de biens ont lieu. Les caractéristiques de ces effluents varient en fonction du type d’activité industrielle et sont classées comme dangereuses ou non dangereuses pour l’environnement ;
  • eaux usées urbaines, le mélange d’eaux usées domestiques, industrielles et/ou de ruissellement (eaux météoriques de lavage des rues, etc.) acheminé dans les réseaux d’assainissement, provenant d’un agglomérat et destiné au traitement dans une station d’épuration urbaine.
Propriété des objets MEP issu du logiciel Edificius MEP

Propriété des objets MEP issu du logiciel Edificius MEP

Ces eaux sont également caractérisées par une série de paramètres physiques, chimiques et biologiques présents dans les eaux usées.

Les paramètres utilisés pour caractériser une eau usée sont : 

  • paramètres physiques
    • température
    • conductivité électrique
    • solides
    • couleur
    • odeur
  • paramètres chimiques
    • pH
    • alcalinité
    • demande en oxygène (chimique et biochimique), demande totale en oxygène
    • carbone organique total
    • azote (ammoniacal, organique, nitrites, nitrates)
    • phosphore (orthophosphates, polyphosphates, organique)
    • huiles et graisses
    • huiles minérales
    • agents tensioactifs
    • substances toxiques
    • oxygène dissous
  • paramètres biologiques
    • coliformes totaux
    • coliformes fécaux
    • streptocoques fécaux
    • Escherichia coli
    • salmonelles.

Traitement des eaux usées

Les activités sociales, productives et récréatives, surtout dans des contextes urbains, nécessitent une quantité considérable d’eau. L’utilisation de l’eau génère inévitablement des déchets qui doivent subir un traitement épuratif avant d’être restitués à l’environnement. Les eaux usées urbaines, autrefois principalement composées de substances biodégradables, présentent aujourd’hui des défis croissants en raison de la présence répandue de composés chimiques d’origine synthétique, particulièrement utilisés dans l’industrie.
Les mers, les rivières et les lacs ne peuvent supporter une augmentation des substances polluantes au-delà de leur capacité autonettoyante sans compromettre la qualité de l’eau et les équilibres de l’écosystème. Par conséquent, la nécessité de traiter les eaux usées à travers des systèmes simulant les processus biologiques naturels se fait évidente. Le traitement des effluents est particulièrement intensifié lorsque les corps d’eau récepteurs (mers, rivières, lacs, etc.) sont menacés par une pollution permanente.

Les processus de purification par des traitements biologiques reposent sur des phénomènes naturels recréés artificiellement, permettant un contrôle optimal des paramètres régulant ces processus. La purification biologique implique des communautés d’organismes vivants tels que des bactéries, des algues et de la microfaune, qui dégradent les substances polluantes par des processus de minéralisation et d’accumulation dans des boues séparables des eaux par sédimentation.

Indépendamment de l’impact environnemental, la gestion correcte du cycle de l’eau implique la réutilisation des eaux usées épurées comme alternative pour une utilisation plus rationnelle de la ressource hydrique. Cette approche offre des avantages sociaux et économiques tels que la protection des corps d’eau et une gestion appropriée de la ressource hydrique. La réutilisation des eaux usées peut être considérée comme une innovation dans l’utilisation durable des réserves d’eau, offrant un approvisionnement en eau à moindre coût par rapport à l’élimination.

Le traitement des eaux usées est donc un processus fondamental pour éliminer les contaminants et les polluants avant de restituer l’eau à l’environnement ou de la réutiliser en toute sécurité, généralement divisé en trois phases principales : 

  • traitement primaire
    • sédimentation : les eaux usées passent par une phase de décantation dans de grandes cuves pour séparer les particules les plus grosses. Pendant ce processus, des sédiments se forment et se déposent au fond des cuves, formant la boue primaire ;
    • élimination des solides en suspension : par des processus physiques tels que la sédimentation, les solides en suspension les plus gros sont éliminés ;
  • traitement secondaire
    • processus biologique : les eaux usées entrent en contact avec des bactéries et d’autres micro-organismes qui décomposent la matière organique en substances plus stables, telles que le dioxyde de carbone et l’eau ;
    • aération : l’oxygène est souvent fourni aux eaux usées pour soutenir l’activité des bactéries aérobies accélérant la décomposition de la matière organique ;
  • traitement tertiaire
    • élimination des nutriments : dans certaines situations, il est nécessaire de retirer des nutriments supplémentaires tels que l’azote et le phosphore, qui peuvent causer des problèmes environnementaux tels que l’eutrophisation ;
    • filtration avancée : l’eau peut passer à travers des filtres supplémentaires pour éliminer les particules plus petites et les impuretés résiduelles ;
    • désinfection : pour garantir la sécurité microbiologique, l’eau peut être soumise à des processus de désinfection tels que l’ajout de chlore ou l’irradiation par des rayons ultraviolets.

Les eaux usées traitées peuvent être réutilisées dans diverses applications telles que l’irrigation, le refroidissement industriel ou la recharge des nappes phréatiques.
Il est important de noter que le processus de traitement des eaux usées peut varier en fonction des caractéristiques des eaux usées d’entrée, des réglementations locales et des ressources disponibles.
De plus, les installations de traitement des eaux usées peuvent varier en taille et en complexité en fonction des besoins de la communauté ou de l’industrie desservie.

Le traitement des eaux usées est essentiel pour préserver la qualité de l’eau, prévenir la pollution environnementale et protéger la santé publique.

Projet d’installation d’évacuation

Par installation d’évacuation, on entend l’ensemble des tuyaux, raccords et équipements nécessaires pour recevoir, acheminer et éliminer les eaux usées provenant des équipements sanitaires domestiques (lavabos, toilettes, douches, lave-linge, etc.).
Les eaux usées domestiques peuvent être classées en : 

  • eaux grises : eaux usées provenant des lavages (savonneuses) ;
  • eaux noires : eaux usées provenant du métabolisme humain ;
  • eaux blanches ou pluviales : eaux provenant des précipitations naturelles et collectées par des gouttières et des descentes pluviales.

Les eaux blanches sont généralement séparées des effluents domestiques et acheminées directement dans le sol. Les réseaux d’évacuation doivent faciliter un écoulement rapide des eaux usées vers le système d’élimination externe, évitant les accumulations stagnantes. Pour garantir cela, il est essentiel de créer les bonnes pentes et de sélectionner des diamètres appropriés pour les tuyaux. Les canalisations doivent également résister aux contraintes mécaniques, thermiques et à l’action corrosive des liquides. Il est également recommandé d’utiliser des tuyaux et des dispositifs avec isolation acoustique pour prévenir les bruits indésirables.

Il existe différents types de systèmes d’évacuation des eaux usées actuellement en usage. En Europe, la pratique courante consiste à dimensionner les branchements d’évacuation (connectés aux équipements sanitaires) en tenant compte d’un taux de remplissage de 50%, avec la connexion à une seule colonne d’évacuation. Cette solution technique vise à réduire les niveaux de bruit et à prévenir efficacement la perte du siphon hydraulique.

 

À l’intérieur d’un bâtiment, un système d’évacuation est composé des composants principaux suivants:

  • siphon : un dispositif installé directement sur les équipements sanitaires dans le but d’empêcher le passage des mauvaises odeurs en créant une étanchéité hydraulique ;
  • branchement d’évacuation : un tuyau, généralement orienté de manière prédominante horizontalement, qui relie les équipements sanitaires à une colonne d’évacuation ou à un collecteur d’évacuation ;
  • colonne d’évacuation : un tuyau principalement vertical qui achemine les eaux usées provenant des équipements sanitaires vers le système d’évacuation ;
  • collecteur d’évacuation : un tuyau sub-horizontal, installé en vue à l’intérieur du bâtiment ou enterré, auquel sont raccordées les colonnes d’évacuation ou les équipements sanitaires du rez-de-chaussée ;
  • colonne de ventilation : un tuyau principalement vertical relié à une colonne d’évacuation, dont le but est de limiter les variations de pression à l’intérieur de la colonne d’évacuation elle-même.

Calcul et dimensionnement

Les systèmes d’évacuation doivent garantir un écoulement correct des eaux et les diriger vers le réseau d’assainissement. Ces systèmes doivent assurer différentes performances, notamment la rapidité d’évacuation, l’absence de résidus, l’étanchéité hydraulique et des gaz, le réintégration de l’air poussé pendant l’écoulement et, surtout, le bon diamètre des tuyaux permettant l’évacuation des effluents en évitant le remplissage de toute la section.
La conception d’un système d’évacuation nécessite la connaissance des quantités maximales d’eaux pouvant être évacuées par les équipements sanitaires individuels. La réglementation fournit généralement les critères de dimensionnement des branchements d’évacuation, des colonnes d’évacuation et des collecteurs en fonction des débits à évacuer dans chaque tronçon du système. Le dimensionnement des branchements d’évacuation est basé sur un taux de remplissage de 0,5 avec la connexion à une seule colonne d’évacuation.

La méthode de calcul, valable pour tous les systèmes d’évacuation par gravité pour l’élimination des eaux usées domestiques, prévoit le dimensionnement des tuyaux en fonction des usages et des équipements sanitaires à desservir. Le diamètre des tuyaux dépend du débit des eaux usées (Qww) à assurer, exprimé en litres/seconde, et est obtenu en ajoutant les « unités de décharge » caractéristiques des appareils, multipliées par un coefficient de fréquence (K) relatif à l’utilisation (pour les habitations, il est égal à 0,5).

La conception du système d’évacuation comprend les phases suivantes:

  • calcul de la charge totale (débit moyen en l/s) sur chaque branchement d’évacuation, en additionnant les contributions de débit de chaque raccordement et en tenant compte de la simultanéité ;
  • détermination de la charge totale (débit moyen en l/s) sur chaque colonne d’évacuation, en additionnant les contributions de débit de chaque raccordement et en tenant compte de la simultanéité ;
  • calcul de la charge totale (débit moyen en l/s) acheminée vers le collecteur d’évacuation, en ajoutant progressivement les valeurs totales de tous les raccordements, des colonnes qui y convergent et en tenant compte de la simultanéité.
Modèle 3D des installations issu du logiciel Edificius MEP

Modèle 3D des installations issu du logiciel Edificius MEP

Il est essentiel de connaître le débit moyen d’évacuation (l/s) des équipements sanitaires présents dans le bâtiment, afin de dimensionner correctement les tuyaux du système d’évacuation.

La capacité maximale autorisée pour les tuyaux (Qmax) doit correspondre au minimum admissible, déterminé par la valeur la plus élevée entre le débit maximum d’eaux usées calculé (Qwwmax) ou le débit total. De plus, il convient de prendre en compte le débit de l’appareil avec l’unité de décharge (DU) la plus grande.

L’écoulement de l’eau dans le système se fait par gravité atmosphérique, car les eaux usées descendent par leur propre poids. Par conséquent, toutes les branchements non verticaux doivent être inclinées vers l’effluent. La p

ente des collecteurs devrait être aussi uniforme que possible et comprise entre 1% et 5%, avec une pente recommandée de 2%, pour favoriser le nettoyage automatique des conduits.

Le dimensionnement des conduites doit être effectué avec soin pour éviter les obstructions, les émissions d’odeurs indésirables dans les espaces habités, le bruit élevé de l’écoulement et le retour de la mousse. Une section sous-dimensionnée entrave l’écoulement, tandis qu’une section excessive favorise la formation de dépôts et de sédiments, avec une réduction progressive de la section et un risque d’obstruction. Il est donc fondamental d’adopter un diamètre approprié pour assurer un écoulement et un drainage réguliers des eaux, permettant un nettoyage automatique des parois internes des conduits.

Avec un logiciel BIM pour les installations MEP, vous pouvez créer le modèle 3D de l’installation. Le modèle 3D de l’installation sera extrêmement utile à la fois lors de la phase de conception, pour vous assurer d’éviter les interférences avec le modèle structurel, architectural et d’autres installations (chauffage, gaz, électrique, etc.), et lors de la maintenance et gestion.

Imaginez avoir une fuite, devoir remplacer une canalisation existante ou avoir besoin d’effectuer des démolitions. Pour localiser précisément les tuyaux et les autres éléments de l’installation, avoir le modèle 3D du projet est d’une grande aide et permet d’agir sans problème et en toute sécurité.

Ce ne sont là que quelques-uns des nombreux avantages de la modélisation 3D BIM de l’installation MEP que vous concevez. Lisez ces articles pour en savoir plus : 

 

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