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Environmental TechnologyPublication details, including instructions for authors and subscription information:http://www.tandfonline.com/loi/tent20

Effets chocs hydrauliques des eaux usées deruissellement pluvial urbain sur un système detraitement des eauxD. Couillard a & R.D. Tyagi aa Institut national de la recherche scientifique (INRS‐Eau) , Université du Québec , 2700, rueEinstein ‐ C.P. 7500, Sainte‐Foy, Québec, G1V 4C7, CanadaPublished online: 17 Dec 2008.

To cite this article: D. Couillard & R.D. Tyagi (1990) Effets chocs hydrauliques des eaux usées de ruissellement pluvial urbainsur un système de traitement des eaux, Environmental Technology, 11:7, 635-650, DOI: 10.1080/09593339009384906

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Environmental Technology, Vol. Il, pp. 635-650© Publications Division Sclpcr Ltd., 1990

EFFETS CHOCS HYDRAULIQUES DES EAUX USÉES DERUISSELLEMENT PLUVIAL URBAIN SUR UN

SYSTÈME DE TRAITEMENT DES EAUX

HYDRAULIC SHOCK LOADINGS OFWASTEWATER TREATMENT SYSTEM TO

URBAN RAINFALL-RUNOFFD. Couillard et R.D. Tyagi

Institut national de la recherche scientifique (INRS-Eau),Université du Québec,

2700, rue Einstein - C.P. 7500,Sainte-Foy (Québec), G1V 4C7 CANADA

(Received 18 May 1989; in final form 21 February 1990)

ABSTRACT

During rain events, run-off waters from urban areas are carried by combined sewersystems towards wastewater treatment facilities. The characteristics of these watersare different from those of usual wastewaters especially concerning flow. The dataobtained during the sampling programme compared with the knowledge found in theliterature review lead to the conclusion that the variations in flow and concentra-tions of nutrients measured during the sampling period would not have caused anyimportant changes in the operation of a biological wastewater treatment system.

INTRODUCTION

Plusieurs facteurs contribuent à perturber la qualité de 1'effluent d'une usined'épuration [l]î les plus importants sont les caractéristiques de l'alimentation(affluent), les conditions environnementales, les paramètres d'opération, lescaractéristiques de décantation, la grandeur et le type d'usine, les facteurs humainset les variables inhérentes au procédé. Les variations quantitatives et qualitatives,ainsi que la composition des eaux sanitaires sont des facteurs importants quiinfluencent l'efficacité d'un système biologique de traitement des eaux uséesmunicipales. Mis à part les fluctuations journalières normales des eaux sanitaires,deux types d'eau peuvent provoquer des problèmes de rendement des usines detraitement; il s'agit des eaux de ruissellement urbain, par leur grande variabilitéphysico-chimique [2, 3] et de débits et des eaux industrielles par leurs fortescharges organiques. Ces deux types d'eau se retrouvent très souvent dans les réseauxd'égout municipaux lorsque ceux-ci sont majoritairement de type unitaire.

L'objectif de ce travail est de caractériser les effets éventuels de l'augmentationdu débit (entraînant une variation de la concentration de substrat) due à l'arrivéedes eaux de ruissellement sur une chaîne de traitement, comportant un réacteur àboues activées, afin de déterminer si le système subira des dommages importants.Deux sections principales sont nécessaires à la réalisation de ce but. Lesperturbations hydrauliques susceptibles d'affecter l'opération d'une stationd'épuration font l'objet de la premíete section tandis que, dans la seconde section,les connaissances exposées dans les premiers paragraphes sont intégrées et mises enapplication par l'étude d'un cas pratique.

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REVUE BIBLIOGRAPHIQUE

La littérature spécialisée [̂ ~6] définit quatre catégories principales d'effets-chocs, soit les chocs qualitatifs [5-9], quantitatifs [5, 6, 10-14], hydrauliques ettoxiques [5, 15, 16]. Le choc hydraulique est un cas particulier du choc quantitatif[6]; il sera traité plus en détails dans les prochains paragraphes.

Les chocs hydrauliques sont produits par des variations du débit d'eaux uséesacheminées à la station d'épuration. Ce type de chocs est inclus dans la catégoriedes chocs quantitatifs parce qu'ils ont un effet sur la concentration de substrat àl'affluent ou sur la quantité totale de matière organique alimentée au réacteurbiologique. Par contre, les effets engendrés par les chocs hydrauliques sur lesystème de traitement diffèrent de ceux provoqués par des chocs purement quantitatifs[5, 6]. En effet, la variation du débit d'entrée impose non seulement des conditionstransitoires au réacteur biologique mais affecte aussi l'opération du décanteursecondaire. Ainsi, les chocs hydrauliques représentent un phénomène plus complexequ'une augmentation de la concentration survenant sans changement de débit [17].

De façon générale, les chocs hydrauliques n'ont pas fait l'objet de nombreusesrecherches approfondies. En effet, il existe peu d'études dans lesquelles le débitd'entrée a été systématiquement varié afin d'évaluer les effets engendrés sur letraitement des eaux usées. George et Gaudy [18] ont divisé les chocs hydrauliques endeux catégories, soit:

- les chocs hydrauliques à concentration constante, pour lesquels le changement dedébit ne s'accompagne pas d un changement de la concentration de substrat àl'entrée du réacteur;

- les chocs hydrauliques à charge organique journalière constante, pour lesquels lechangement de débit est' accompagné par un changement compensatoire dans laconcentration de substrat à l'entrée de façon à ce que la charge organiquejournalière demeure constante.

Les situations réelles se retrouvent généralement quelque part entre ces deux casextrêmes. Ces auteurs [18] mentionnent aussi que les réponses des systèmes aux chocshydrauliques dépendent de leur "histoire", soit de la façon dont ils opéraient avantle choc. Des critères tels que le taux de dilution, l'âge des boues et laconcentration de la biomasse [13] peuvent influencer les résultats obtenus.

L'étude de George et Gaudy [18] rapporte des résultats intéressants; ceux-ci sontprésentés en détails dans les paragraphes qui suivent. Dans ces expériences, lesauteurs ont fait varier les débits de dilution tout en suivant l'évolution des autresparamètres. Ils ont travaillé sur un système sans recirculation opérant avec untemps de rétention hydraulique de huit heures. Ils ont choisi d'effectuer leur étudesur un réacteur sans recirculation car les réponses biochimiques et écologiques deces systèmes sont plus éloquentes que celles des réacteurs avec recirculation.Ainsi, ils obtiennent des estimations conservatrices des limites de changements dedébit qu'un système de boues activées peut supporter avec succès. Les résultatsobtenus sont les suivants :

Chocs hydrauliques à concentration constante

a) Diminution de débit

Le système supporte bien une diminution de l'ordre de 100% (figure 1A). Par contre,des diminutions plus importantes, par exemple 200%, occasionnent un certain lessivagede la biomasse (figure IB). Le système parvient toutefois à récupérer.

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A: Diminution du taux dedilution de 0.125 heu-re~l â 0.062 heure"1

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B: Diminution du taux dedilut ion de 0.125 heu-re-1 â 0.031 heure"!

160

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D 300

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COURBE OE OILUTIONOU SUBSTRAT

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SOLIOESBIOLOGIQUES

PROTÉINESOES CELLULES

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0 10TEMPS ( h )

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-10 0 10 20TEMPS ( h ) .

C: Augmentation du taux dedilution de 0.125 heu-re"l â 0.25 heure"!

T-OCO: DCO totaleA-DCO: Concentration totale des

hydrates de carbone (test"anthrone") exprimée sousforme de DCO.

Figure 1: Réponse à des chocs hydrauliques à concentration constante(Concentration de substrat dans l'alimentation = 1 000 mg/1glucose) [18].

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b) Augmentation de débit

La réponse du système à une augmentation de débit de 100% (figure 1C) est considéréesatisfaisante car celui-ci atteint un nouvel équilibre en deçà de huit heures(période égale au temps de rétention hydraulique). Pour des augmentations plusfortes, soit 150%, le système ne retrouve pas son efficacité antérieure lorsqu'ilatteint un autre état de régime permanent (figure ID).

Chocs hydrauliques à charge organique journalière constante

a) Diminution de débit

La figure 2A présente les résultats d'une diminution de débit de 100%. Celle-ci estqualifiée d'acceptable car la concentration de substrat dans 1'effluent évoluegraduellement vers un nouvel état d'équilibre sans qu'il n'y ait de pertesconsidérables de substrat au milieu récepteur; ce qui n'est pas le cas pour desdiminutions plus importantes (figure 2B).

b) Augmentation de débit

Une augmentation de débit de 100% produit une diminution de la concentration debiomasse dans le réacteur. Après . une certaine période de transition, laconcentration de substrat dans 1'effluent revient essentiellement au niveau d'avantle choc (figure 2C). Les auteurs [18] ne présentent pas de résultats obtenus avecdes augmentations plus considérables, étant donné qu'elles produisent le même type deréponse et que la concentration de 1'effluent est grandement déterminée par le faitque le système approche l'état de lessivage.

A la suite de ces études expérimentales, George et Gaudy [18] concluent que dessystèmes de boues activées ayant un temps de rétention hydraulique de huit heurespeuvent supporter des augmentations ou des diminutions de débit de 100% quel que soitle type de choc hydraulique considéré, sans que la qualité de 1'effluent ne soitaffectée significativement.

Thérien et Perdrieux [13] ont aussi effectué une étude dans laquelle les réactions dusystème à deux types de perturbations hydrauliques ont été examinées soit un choccourt de forte amplitude (945% pendant 20 minutes) et un choc long mais de plusfaible amplitude (77% pendant 2 heures). Dans le premier cas, la concentration desubstrat dans 1'effluent a augmenté et un effet de lessivage a été observé tandis quepour le deuxième cas, aucune réponse significative n'a été enregistrée. Tel que pourles chocs quantitatifs purs, les auteurs ont expliqué ces résultats par le concept du"potentiel de réaction" développé par McLellan et Busch [19]. Selon cette théorie,les microorganismes ont une réserve significative de potentiel disponible pour"combattre" les chocs quantitatifs. Ce concept suggère que dans une usine detraitement des eaux usées fonctionnant en continu et en régime permanent, lesmicroorganismes opèrent généralement à des charges inférieures à leur potentiel deréaction. Ainsi lorsqu'il y a des variations de charge, et si la croissance desmicroorganismes dans le temps de rétention hydraulique est telle que le potentiel deréaction n'est pas dépassé, il ne devrait pas y avoir d'augmentation de laconcentration du carbone organique soluble dans le réacteur. Les auteurs se serventde ce principe pour expliquer les réponses obtenues suite à des perturbations sousforme d'ondes carrées de différentes amplitudes appliquées au système.

En plus de leur influence sur le réacteur biologique, les chocs hydrauliquesaffectent la performance du décanteur secondaire. Manickam et Gaudy [20] mentionnentque selon les conditions d'opération, la géométrie et la dimension du décanteur etprobablement d'autres facteurs présentement non-identifiés, les chocs hydrauliquescausent généralement une plus grande turbidité des effluents du décanteurcomparativement aux chocs quantitatifs purs [6]. Ils notent cependant que ce

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1200 _l000mq/L 4000mq/L O O

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A: Diminution du taux de dilutionde 0.125 heure-! (Si-1000 mg/1)& 0.062 heure"1 (Si-2000 mg/1)

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B: Diminution du taux de dilutionde 0.125 heure-1 (Si-1000 mg/1)a 0.031 heure-1 (Si-4000 mg/1 )

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a^J»«OTElNES OES

CELLULES

*»—=î===rVCAR8OHY0RATES OES

T-DCO: DCO tota leA-DCO: Concentration tota le des

hydrates de carbone (test"anthrone") exprimée sousforme de DCO.

Si: concentration de substrat

dans l'alimentation

-20 "10 0TEMPS

10 20( h )

30' 40

C: Augmentation du taux de di lut ionde 0.125 heure"1 (Si 1000 mg/1)a 0.25 heure-1 (Si 500 mg/1)

Figure 2: Réponse à des chocs hydrauliques à charge organique journalière

constante [18].

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raisonnement peut être une simplification excessive car d'autres recherches [12]indiquent que l'augmentation de turbidité résulte d'une augmentation de la chargeorganique journalière plutôt que du choc hydraulique. Selon Olsson et al. [21], lechoc hydraulique se répercute rapidement de l'entrée vers la sortie de l'usine.L'amortissement de la forme et de la vitesse de répercussion sont fonction du type dedéversoir utilisé (figure 3). Suite à une étude expérimentale, Chapman [22] rapportedes résultats intéressants sur l'effet des chocs hydrauliques sur le décanteursecondaire. Il conclut que:

- la concentration et la variabilité des matières en suspension dans 1'effluent dudécanteur diminuent de façon exponentielle vers un nouvel état d'équilibre, à lasuite d'une diminution brusque du débit. Une courbe typique est présentée à lafigure 4A. La diminution moyenne enregistrée a été de 6.1 mg/1 par 10 m3/m2>j dediminution de débit.

- la concentration et la variabilité des matières en suspension dans 1'effluentaugmentent à la suite d'une augmentation de débit (figure 4B) et quelques résultatsd'essais démontrent un dépassement (figure 4C) : valeurs transitoires desconcentrations dans 1'effluent qui sont plus élevées que celles obtenues à l'étatd'équilibre. L'augmentation moyenne obtenue a été de 5.4 mg/1 par 10m3/mz-jd'augmentation.

L'auteur [22] ajoute que l'aspect non-linéaire ou asymétrique des réponses suggèreque les perturbations sont générées plus rapidement qu'elles ne se résorbent.

MATÉRIEL ET MÉTHODES

Les données utilisées dans cette publication proviennent d'un territoire bien définide la Communauté urbaine de Québec (Canada): les émissaires drainant les bassinsSE-10 et SE-13 de la ville de Québec. Les caractéristiques de ces bassins, laméthodologie d'échantillonnage pour obtenir des résultats représentatifs des deuxsites, les paramètres évalués pour chaque échantillon et la procédure suivie poureffectuer les analyses sont décrits dans une publication précédente [6].

Les données qui servent à l'étude du cas pratique proviennent de la dernière d'unesérie de quatre campagnes d'échantillonnage rapportées dans le rapport sur lacaractérisation des eaux de la Communauté urbaine de Québec [23]. Les résultats de lacampagne de juin 1985 sont les plus complets et valables, en raison:

- du grand nombre d'échantillons et de leur représentativité;- d'une bonne détermination des échantillons-témoins par le laboratoire;- du respect du délai analytique de 24 heures;- de la performance au niveau de la collecte des échantillons sur le terrain;- de la constance dans les rapports entre paramètres;- des données complètes pour tous les paramètres étudiés;- des données de débits validées.

Pour ces raisons, on peut considérer que les valeurs rapportées représententfidèlement la réalité.

RÉSULTATS EXPERIMENTAUX

Les résultats expérimentaux. obtenus sont présentés à la figure 5. Les valeursmoyennes de temps sec de chaque paramètre pour les périodes de 0:00 à 8:00, de 8:00 à16:00 et de 16:00 à 24:00 heures pendant la campagne de mesures ont été établies etapparaissent sur cette figure. On y retrouve aussi les périodes qui ont étéutilisées pour le calcul des moyennes de temps sec. Les valeurs moyennes de débit detemps sec pour la période considérée sont les suivantes:

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DEVERSOIR SUTRO

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TEMPS (minutes)

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(1) variation hydraulique à l'alimentation,

(2) débit à la sortie du décanteur primaire,

(3) débit à la sortie du réacteur,

(4) débit à la sortie du décanteur secondaire.

Figure 3: Propagation simulée d'une variation de débit à l'usine de

Kirkeskoven (Danemark) pour deux types de déversoirs [21].

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TEMPS (heures)

TEMPS (heures)

A: Diminution de débit

10 20 30 40 30 60 7G 10 90

0 10 20 30 40 SC 60 70 SO 90

TEMPS (heures)

B: Augmentation de débit(pas de dépassement)

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TEMPS (heures)'

C: Augmentation de débit(dépassement)

Figure 4: Réponse d'un décanteur secondaire â des variations de débits

[22].

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T-DCOT-DBO5MES

VALEURS MOYENNES DE TEMPS SECVALEURS MOYENNES DE NUITVALEURS MOYENNES DE JOURVALEURS MOYENNES DE SOIR

_. PERIODES UTILISEES POUR LECALCUL DES MOYENNES

DCO.totaleDBO5 totalematières en suspension

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VALEURS « m VALISEES (SAur

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Figure 5: Résultats (concentrations après décantation) de la campagne

d'échantillonnage (6-22 juin 1985).

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- 0:00 à 8:00 : 1 132 l/s- 8:00 à 16:00 : 1 548 1/s- 16:00 à 24:00 : 1 413 l/s

En effectuant une moyenne de ces valeurs, on obtient un débit moyen de temps sec de1 364 1/s pour la période du 6 au 22 juin 1985. Le débit moyen annuel de temps secde ces bassins, établi par les auteurs du rapport de caractérisation des eaux [23],se chiffre à 1 306 1/s. L'écart entre les deux valeurs n'étant que de 4.4%, on peutconsidérer que les moyennes calculées sur la période du 6 au 22 juin 1985 sontsemblables aux moyennes annuelles.

Pour mettre en évidence le comportement du réseau en temps de pluie, les différencesentre les valeurs réelles et la valeur moyenne de temps sec ont été déterminées pourles quatre événements pluvieux. Ces différences ont été identifiées sur la figure 5.Pour les quatre événements pluvieux, on remarque une augmentation de débitsignificative. Les deux périodes de débit maximum (14 juin, soir et 18 juin, jour)surviennent pendant des pluies intenses. Les débits les plus élevés sont de l'ordrede deux fois le débit moyen de temps sec. On remarque aussi une augmentation desdébits pendant les jours qui ont suivi la pluie du 18 juin, probablement due à uneaugmentation de l'infiltration dans le réseau suite à la recharge de la nappephréatique.

DISCUSSION DES RESULTATS

Matières en suspension

La décantation primaire est une opération qui permet de concentrer et d'enlever lesmatières en suspension contenues dans les eaux usées. Elle favorise aussi laséparation des matières flottantes. Les substances décantées comprenant des solidesinertes, des formes particulaires, des éléments nutritifs et des substances toxiques,se retrouvent au bas du décanteur et forment les boues primaires. Ces boues sontvidangées périodiquement et leur volume dépend des caractéristiques des eaux usées.

Les particules en suspension peuvent être discrètes (grenues) ou floculées [24]. Lesparticules discrètes (sable et/ou limon) sédimentent à une vitesse constante et leurscaractéristiques ne sont pas modifiées au cours de la décantation. Les particules"floculées" sont celles qui tendent à s'agglutiner naturellement. Au cours duprocessus de décantation floculante, l'agglomération des particules est accompagnéepar des changements de densité et de vitesse de sédimentation. La matière organiqueest légèrement plus lourde que l'eau et sedimente lentement avec des vitesses del'ordre de 1.0 à 2.5 mètres/heure [25, 26].

La fraction des matières pouvant décanter est représentée par la différence entre lesvaleurs avant et après décantation pour chaque paramètre. Ainsi, le surnageant d'undécanteur idéal contiendrait des concentrations similaires à celles mesurées "aprèsdécantation" au laboratoire. Ces concentrations sont aussi présentées à la figure 5.

Afin de déterminer l'effet des eaux de ruissellement sur les concentrations "aprèsdécantation", les concentrations enregistrées en temps de pluie sont comparées avecla concentration moyenne de temps sec. Ces écarts sont représentés sur la figure 5.Les périodes utilisées pour le calcul des moyennes de temps sec "après décantation"sont les mêmes que celles utilisées pour obtenir les moyennes des concentrations detemps sec avant décantation.

Eléments nutritifs

L'étude traditionnelle des réacteurs biologiques présuppose que l'élément limitatifdu développement des microorganismes est le substrat carboné. Cette hypothèse estjustifiée si tous les autres éléments intervenant dans le processus de croissance

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bactérienne sont présents en quantité suffisante pour ne pas être épuisés avant lessources de carbone.

À cet égard, le phosphore et l'azote sont les éléments les plus susceptibles dedevenir limitatifs. De façon générale, on considère que les quantités minimalesrequises s'établissent selon le rapport suivant: DBOS/N/P = 100/5/1. Certains autreséléments tels que le potassium, le calcium, le soufre, le magnésium et desoligo-éléments: fer, manganèse, cuivre, zinc, etc. sont aussi indispensables à lacroissance des bactéries. Par contre, il est très peu probable que ces élémentsdeviennent limitatifs car les concentrations minimales requises sont généralementtrès basses [27].

En utilisant les valeurs rapportées au tableau 1, il est possible de calculer lerapport T-DB05/NTK/P total obtenu en temps de pluie, après décantation (AP). Pourtoutes les données disponibles, temps sec et temps de pluie, le rapport obtenu esttoujours supérieur à 100/5/1. Cette analyse permet de conclure que c'est le substratcarboné qui sera l'élément limitatif de la croissance des microorganismes en touttemps. L'hypothèse nécessaire à l'application de la théorie de l'épuration biolo-gique des eaux usées est donc respectée.

Choc hydraulique

En consultant les résultats de la figure 5, le choc hydraulique en présence peut êtreclassé parmi les chocs hydrauliques à concentration constante. De plus, le chochydraulique produit par le ruissellement urbain peut être divisé en deux composantessoit premièrement une augmentation de débit suivie, après un certain temps, d'unediminution.

Tableau

Date

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N*JSNJS

NJSNJS

NJS

NJS

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NJS

1: Résultats expérimantaux permettant d

Débit(1/s)

11

11

112

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111

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487809875

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44151126

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2910188

397284•10090

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•*133

5584105

44106132

7811092

•93111

AP173530

224634

124329

184640•3726

16

30

574610•3521

évaluer

MVESAV52•94

579596

5010589

••79

3?6983

3386104

616271

327681

AP1726•

223024

103112

•3317

122221

132825

.343210

8•18

le rapport

T-DCOAV•Z59253

139318360

140280228

68216260

80176198

96222248

164199166

63245•

AP•125124

6017?.250

50138120

44128168

569890

50106108

72102104

3213564

DBOj/N/P (12-19

D-O30AV•8972

44123184

246488

32•128

4262•

308476

587974

2111242

AP•8669

41120175

226186

32•122

4060•

287872

557372

1911142

P totalAV1.63.13.2

1.33.42.5

1.23.42.4

1.82.72.0

0.932.42.0

1.23.52.8

1.61.22.0

0.722.81.5

AP0.982.62.5

0.982.42.0

0.92.41.4

0.87•1.5

0.731.71.6

0.833.02.0

0.8.50.R51.4

0.51.21.2

juini 1985) (mg/1)

NECAV172023

282521

154010

61313

19•21

132331

101211

81916

AP141«20

707716

147«7••10

162219

152029

81010

6.7•13

NH-,AV5.77.59.0

6.67.86.9

5.48.03.7

3.86.04.7

5.37.17.4

5.09.29.2

4.63.74.0

365

AP7.510 49.3

9.3148.2

6.8133.7

4.36.94.5

5.98.66.1

5.09.27.0

4.04.56.0

47.16

* N: moyenna de nuit, J: moyenne de jour, S: moyenne de soir, T-DB05: DB05 totale, D-DBO5: DBOc dissoute,MES: matières en suspension, MVES: matières volatiles en suspension, T-DCO: DCO totale, D-ÜCÖ: DCOdissoute, P total: phosphore total, NIK: azote total Kjeldahl, NH3: azote amoniacal, AV: avantdécantation, AP: après décantation.

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Au cours des pluies du 14 et du 18 juin, l'amplitude du choc hydraulique a atteintune valeur égale à deux fois le débit moyen en temps sec. Les résultats de George etGaudy [18] présentés à la section "Revue bibliographique" démontrent que la réponsedu système à une augmentation ou à une diminution de 100% du débit est considéréesatisfaisante. Il y a donc lieu de croire que suite à l'augmentation de débit causéepar l'arrivée du ruissellement urbain, le système biologique subirait une période deperturbation, mais atteindrait un nouvel équilibre et retrouverait son efficacitéantérieure après une certaine période de temps. Lors des essais représentés à lafigure 1C, le système prenait environ huit heures avant d'atteindre un nouveléquilibre. Lors de la diminution de débit qui suit, le système tendraitgraduellement vers un nouvel état d'équilibre sans que son efficacité ne soitaffectée de façon significative.

Une note de prudence s'impose cependant lors de l'utilisation des résultats de Georgeet Gaudy [18]. En effet, ils ont effectués leurs expériences en utilisant desconcentrations de substrat à l'entrée très élevées soit de 1 000 mg/1 de glucose.Dans le cas pratique analysé, les concentrations de substrat à l'entrée sont plus devingt fois moins élevées. Cette situation pourrait peut-être influencer lecomportement du réacteur face au choc hydraulique. Cependant, en l'absence derésultats plus détaillés, les données de George et Gaudy [18] doivent être utiliséescomme base de référence.

Ainsi, on peut conclure que, du point de vue choc hydraulique, l'arrivée des eaux deruissellement peut avoir un effet néfaste pendant une courte période transitoire maisn'entraînera pas de perturbation importante du fonctionnement du réacteur biologiqueà moyen et long terme.

Paramètres du réacteur biologique influencés

Cependant, même si le choc hydraulique, étudié précédemment, ne semble pas provoquerde dommages irréversibles au réacteur biologique, il n'en demeure pas moins quecertaines variables du système seront affectées.

a) Temps de rétention hydraulique

Le temps de rétention hydraulique (0) (ou le temps de séjour hydraulique) correspondau temps pendant lequel les eaux usées demeurent dans le réacteur. Dans la pratique,les temps de rétention hydraulique se situent entre 4 et 8 heures avec une moyenneautour de 6 heures [28]. La valeur de 6 utilisée varie habituellement selon:

- le degré de traitement désiré;- les caractéristiques et le degré de contamination des eaux usées et;- le degré de protection contre les effets-chocs désiré.

Au début du développement de la théorie du traitement des eaux usées, le temps derétention hydraulique était considéré comme un des plus importants facteurs deconception. Cependant, au cours des années, l'attention qu'on y porte tend àdiminuer. Dans une revue de littérature, Grady [4] mentionne que des travaux ontdémontré qu'en régime permanent, le temps de rétention hydraulique est un facteursecondaire pour déterminer la qualité de l'effluent. Il rapporte aussi que lacroyance populaire veut qu'un long temps de rétention hydraulique serve de tampon oude protection contre les effets-chocs.

A la suite de ces travaux, Grady [4] a cependant conclu que la réponse biologique àun choc est relativement indépendante de la valeur de G avant le choc. Des résultatscontradictoires, soit qu'un temps de rétention plus long améliore la réponse dusystème à un effet-choc important, ont été obtenus par d'autres auteurs [il]. Pourleur part, Sherrard et Laurence [29] estiment que 0 est un paramètre secondaire pourdéterminer la qualité de l'effluent en période de chocs.

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Finalement, on peut dire que l'importance accordée au temps de rétention hydrauliquea diminué à mesure que la théorie du traitement des eaux s'est développée. Ii n'endemeure pas moins un paramètre utilisé et reconnu. Cependant, comme les résultatsexpérimentaux sont peu abondants et plutôt contradictoires, l'utilisation de 0 reposeprincipalement sur des bases empiriques ou intuitives plutôt que sur desconsidérations rationnelles [28].

Lors du choc hydraulique, le débit d'entrée augmente jusqu'au double du débit moyende temps sec (figure 5), ainsi le temps de rétention hydraulique diminue de moitié.Cependant, comme il a été mentionné précédemment (section revue bibliographique),cette diminution du temps de rétention hydraulique influence peu la qualité del'effluent du réacteur. En effet, George et Gaudy [18] démontrent que lors del'établissement d'un nouvel état d'équilibre suite à un choc hydraulique, la mêmeefficacité de traitement peut être atteinte même si le temps de rétention hydrauliquediminue de moitié.

b) Âge des boues

L'âge des boues est défini comme étant la quantité de biomasse dans le réacteurdivisée par le taux net de génération de la biomasse. Ce paramètre peut être contrôlépar la vidange des boues. Ainsi, même lors de l'arrivée des eaux de ruissellementurbain dans le réacteur, il est possible de maintenir un âge de boues à peu prèsconstant. La plupart des auteurs s'entendent pour dire que l'âge des boues est unparamètre très important, sinon le plus important d'un système biologique detraitement des eaux usées. Ainsi, par le contrôle de l'âge des boues, il est possibled'aider le système à maintenir une bonne efficacité de traitement.

c) Quantité de biomasse et de substrat dans le réacteur

En effectuant les calculs selon les équations proposées par Manickam et Gaudy [20] eten supposant un régime permanent, on constate que suite à une augmentation de débit,la concentration de substrat tend à augmenter légèrement dans le réacteur. Cechangement a pour effet de modifier le taux de croissance spécifique. En effet, lemodèle de Monod définit que le taux de croissance spécifique de la biomasse estfonction de la concentration de substrat dans le réacteur [30]. Comme laconcentration de substrat augmente, le taux de croissance spécifique de la biomasseaugmente aussi. Ceci corrobore les observations de George et Gaudy [18] suite à leurétude sur les chocs hydrauliques.

En admettant que le taux de croissance spécifique augmente et que la concentration debiomasse dans le réacteur augmente aussi légèrement, une augmentation du taux decroissance est attendue. Le taux de diminution de la biomasse est, pour sa part,proportionnel à la concentration de biomasse dans le réacteur. Comme celle-ciaugmente légèrement, le taux de diminution devrait aussi augmenter faiblement lors duchoc hydraulique. Suite à cette discussion, le taux de réaction net de la biomassedevrait subir une légère hausse lors de l'arrivée "des eaux de ruissellement auréacteur.

d) Effets sur le décanteur secondaire

L'arrivée des eaux de ruissellement à la station d'épuration cause une augmentationde débit dans le décanteur secondaire. Cependant, les volumes considérables dudécanteur primaire et du réacteur peuvent agir comme tampons et réduire l'amplitudedes perturbations enregistrées à l'entrée du décanteur secondaire. De plus, les typesde déversoirs utilisés peuvent influencer sensiblement la répercussion du chochydraulique à travers les différentes composantes de la chaine de traitement (figure3).

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Afin d'examiner le cas le plus critique, il est considéré, dans un premier temps,qu'il n'y a pas d'atténuation du choc hydraulique. Ainsi, par exemple, pour undécanteur secondaire fonctionnant normalement avec une vitesse de déversement de20 m3/m2-j, cette vitesse pourrait atteindre 40 m3/m*-j pendant le choc hydraulique.

Tel que mentionné à la section "Revue bibliographique" très peu d'auteurs ont tentéde quantifier l'effet d'un choc hydraulique sur un décanteur secondaire. Lesrésultats disponibles sont ceux de Chapman [22]. Selon cet auteur, une hausse moyennede 5.4 mg/1 de matières en suspension peut être anticipée dans 1'effluent dudécanteur pour chaque augmentation de 10 m3/m2-j du débit. Considérant les hypothèsesémises au paragraphe précédent, une augmentation de 10.8 mg/1 de matières ensuspension peut être attendue à 1'effluent du décanteur.

Considérant que cette hausse correspond à une onde de choc non-atténuée, on peutaffirmer que dans la réalité, l'augmentation sera moindre et ne représentera pas unemodification inacceptable de l'opération de la chaîne de traitement.

CONCLUSION

L'analyse réalisée dans cette publication indique que les variations de débit et dela quantité des matières en suspension et d'éléments nutritifs, enregistrées dans leréseau unitaire d'une partie du territoire de la Communauté ubaine de Québec, suiteaux événement pluvieux survenus entre le 6 et le 22 juin 1985, n'auraient pasprovoqué de changement dramatique dans le fonctionnement d'une chaîne de traitement.

En effet, la comparaison des données réelles avec les connaissances contenues dansles références bibliographiques permet de conclure que l'arrivée des eaux deruissellement ne cause pas de choc hydraulique important; les variations de débitenregistrées demeurant dans la gamme des changements qu'un système biologique peutsupporter sans perturbation importante.

REMERCIEMENTS

L'auteur adresse ses remerciements à madame D. Beaulieu pour les recherches initialesqui ont servi à écrire cet article. Il remercie également le Conseil de recherchesen sciences naturelles et en génie du Canada (subvention CRSNG OBP0003711) et leFonds pour la Formation des Chercheurs et l'Aide à la Recherche (subvention FCAREQ-3029 et FCAR AS-2462) pour leurs participations financières.

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