This article was downloaded by: [University of Waterloo]On: 09 October 2014, At: 12:20Publisher: Taylor & FrancisInforma Ltd Registered in England and Wales Registered Number: 1072954 Registered office: Mortimer House,37-41 Mortimer Street, London W1T 3JH, UK

Environmental Technology LettersPublication details, including instructions for authors and subscription information:http://www.tandfonline.com/loi/tent19

Étude des chocs qualitatifs et quantitatifs des eaux deruissellement urbain sur un système de traitement àboues activéesD. Couillard a & R.D. Tyagi aa Institut National de la Recherche Scientifique (INRS‐Eau) , Université du Québec , CP. 7500 ‐2700, rue Einstein, Sainte‐Foy, Québec, Canada , G1V 4C7Published online: 17 Dec 2008.

To cite this article: D. Couillard & R.D. Tyagi (1988) Étude des chocs qualitatifs et quantitatifs des eaux de ruissellementurbain sur un système de traitement à boues activées, Environmental Technology Letters, 9:12, 1327-1342, DOI:10.1080/09593338809384698

To link to this article: http://dx.doi.org/10.1080/09593338809384698

PLEASE SCROLL DOWN FOR ARTICLE

Taylor & Francis makes every effort to ensure the accuracy of all the information (the “Content”) contained in thepublications on our platform. However, Taylor & Francis, our agents, and our licensors make no representationsor warranties whatsoever as to the accuracy, completeness, or suitability for any purpose of the Content. Anyopinions and views expressed in this publication are the opinions and views of the authors, and are not theviews of or endorsed by Taylor & Francis. The accuracy of the Content should not be relied upon and should beindependently verified with primary sources of information. Taylor and Francis shall not be liable for any losses,actions, claims, proceedings, demands, costs, expenses, damages, and other liabilities whatsoever or howsoevercaused arising directly or indirectly in connection with, in relation to or arising out of the use of the Content.

This article may be used for research, teaching, and private study purposes. Any substantial or systematicreproduction, redistribution, reselling, loan, sub-licensing, systematic supply, or distribution in anyform to anyone is expressly forbidden. Terms & Conditions of access and use can be found at http://www.tandfonline.com/page/terms-and-conditions

Environmental Technology Letters, Vol. 9, pp. 1327-1342© Publications Division Selper Ltd., 1988

ÉTUDE DES CHOCS QUALITATIFS ET QUANTITATIFSDES EAUX DE RUISSELLEMENT URBAIN SUR UNSYSTÈME DE TRAITEMENT À BOUES ACTIVÉES

STUDY OF QUALITATIVE AND QUANTITATIVE SHOCKLOADING OF ACTIVATED SLUDGE PLANTS TO URBAN

LAND RUNOFF

D. Couillard et R.D. TyagiInstitut National de la Recherche Scientifique (INRS-Eau),

Université du Québec,CP. 7500 - 2700, rue Einstein,Sainte-Foy (Québec), Canada

G1V 4C7

(Received 1 March 1988; in final form 4 November 1988)

ABSTRACT

This study aims to assess the potential effects of urban run-off waters on awastewater treatment system in order to determine if it will be subjected toimportant damage. To achieve this goal, a literature review was accomplished onshock loads (qualitative and quantitative). These concepts were integrated andapplied to a case study based on data collected on the Québec Urban Community area(Canada) in June 1985.

CARACTÉRISATION DES EFFETS-CHOCS

L'efficacité des installations d'épuration des eaux varie grandement en fonction deplusieurs facteurs dont les caractéristiques de l'affluent [l]. De façon générale,on peut qualifier d'effet-choc, tout changement se produisant rapidement ouimmédiatement dans les conditions environnementales, chimiques ou physiques dusystème. Ces modifications sont susceptibles d'affecter significativement les voiesmétaboliques établies dans le réacteur ainsi que les caractéristiques de floculationet de décantation du système [2].

Grady [3] définit deux catégories principales d'effets-chocs soit les chocsqualitatifs et quantitatifs. Gaudy et Engelbrecht [2] et Tyagi et al. [4]mentionnent l'existence d'un troisième groupe: les chocs toxiques. Ces variationssoudaines sur une chaîne de traitement des eaux usées sont définies dans lesparagraphes suivants et une brève revue de la littérature est présentée pour les deuxpremiers types d'effets-chocs.

CHOCS QUALITATIFS

Le choc qualitatif est caractérisé par un changement soudain de la structure chimiquedu substrat dans l'affluent. Cela implique que la configuration structurale de lasource de carbone ou d'une partie importante de celle-ci diffère de celle à laquellela biomasse est normalement adaptée [2]. Ainsi, la concentration de matièreorganique n'est pas modifiée et le nouveau substrat n'est pas une substance toxique;c'est seulement la structure des molécules du substrat organique qui changet

1327

Dow

nloa

ded

by [

Uni

vers

ity o

f W

ater

loo]

at 1

2:20

09

Oct

ober

201

4

Selon la nature du changement de structure du substrat, le choc qualitatif peutcauser des perturbations importantes au système de boues activées [5]. De façongénérale, il existe trois moyens par lesquels une population hétérogène peut répondreavec succès à un choc qualitatif [2].

- par sélection ou par changement de prédominance des espèces de micro-organismes;- par changement vers une voie métabolique alternative;- par induction des enzymes nécessaires pour intégrer le nouveau composé dans lesvoies métaboliques établies.

Dans la réalité, c'est habituellement par une combinaison de ces moyens que lapopulation microbienne réagit à une modification de la structure chimique dusubstrat carboné. Gaudy et Engelbrecht [2] ont déterminé que la réponse à un chocqualitatif est dépendante de la présence d une source extracellulaire d'azote. Cetélément est nécessaire à l'induction de nouveaux enzymes et pour la multiplicationrapide des cellules.

Le choc qualitatif a été l'objet de nombreuses études dans les laboratoires dirigéspar Gaudy. Les conclusions de ces travaux démontrent que pour des populationshétérogènes, les différents substrats peuvent être éliminés de façon séquentielle.Ainsi, par exemple, lorsque du glucose est alimenté dans un réacteur où lesmicroorganismes sont adaptés au glycérol, la dégradation du glycérol est bloquéejusqu'à ce que tout le glucose ait été éliminé [5, 6]. La figure 1 illustre unexemple typique de ce phénomène. Elle représente l'évolution de l'enlèvement dusubstrat dans un système glycérol-glucose et dans des échantillons de contrôle. Onremarque que le glucose est utilisé plus rapidement même si les cellules étaientparfaitement adaptées au glycérol. Les résultats démontrent que le glucose a étéenlevé essentiellement au même rythme dans le contrôle que dans le système contenantles deux sources de carbone. Par contre, le métabolisme du glycérol a été bloquéjusqu'à ce que le glucose ait été utilisé. Ces résultats ont été obtenus pour desréacteurs opérant de manière discontinue et continue.

Komolrit et Gaudy [7] ont déterminé que l'enlèvement séquentiel peut se produire peuimporte que le choc qualitatif soit graduel ou instantané. L'enlèvement séquentielest fonction des types de substrats en présence. Bien que ce phénomène ait étéobservé pour de nombreuses combinaisons de substrats [7], il existe quand même descas où l'enlèvement séquentiel n'intervient pas. Le paramètre le plus important estla structure du composé et non pas sa complexité ou la longueur de la chaîne [2].Des modifications mineures dans la structure du composé entraînent un changementradical dans la réponse immédiate du système. L'enlèvement séquentiel dépend ausside l'âge des cellules. En effet, pour un même type de changement, soit du sorbitolvers le glucose, les cellules jeunes ont éliminé séquentiellement les substrats alorsque les cellules plus vieilles les ont éliminés de façon concomitante. Les auteursont émis plusieurs hypothèses pour expliquer les processus responsables del'enlèvement séquentiel. Dans cette étude, il n'est pas justifié de les examiner enprofondeur. Il est cependant utile de mentionner que les chercheurs ont attribué cephénomène à l'inhibition immédiate de l'activité des enzymes existantes par lenouveau substrat ou par un produit métabolique de ce substrat [6].

CHOCS QUANTITATIFS

Le choc quantitatif est généralement décrit comme étant une augmentation ou unediminution rapide de la charge organique acheminée au réacteur biologique. Lechangement porte sur la concentration ou la charge de substrat et non pasnécessairement sur la nature chimique du substrat. Si un tel changement se produit,le nouveau substrat doit être rapidement métabolisé selon la même voie que la sourcede carbone habituelle [2]. Le choc hydraulique est un cas particulier du chocquantitatif.

1328

Dow

nloa

ded

by [

Uni

vers

ity o

f W

ater

loo]

at 1

2:20

09

Oct

ober

201

4

1100

1000 SOLIDES BIOLOGIQUES INITIAUX =78 mj/1

2 3 4 3TEMPS ( heures)

6 * G: système glycérol-glucose

FIGURE 1: Enlèvement du substrat sous des conditions decroissance dans un système glucose-glycérol parde jeunes cellules adaptées au glycérol[5]

Des recherches se poursuivent depuis plusieurs années sur les chocs quantitatifs. Audébut, les travaux ont surtout porté sur l'influence de ces chocs sur le foisonnementdes boues. Au cours des années subséquentes, les recherches ont graduellement évoluévers^ l'influence des chocs quantitatifs sur l'efficacité du traitement. Lesconséquences typiques d'un tel choc sur un réacteur biologique sont présentées à lafigure 2. Comme on peut le constater, une augmentation de la concentration desubstrat provoque une augmentation de la concentration de la biomasse dans leréacteur. Dans le cas présenté, la concentration de biomasse dans le recyclage estconstante. Ainsi, l'augmentation de la concentration de biomasse dans le réacteur setraduit en une augmentation de la quantité de boues vidangées. Selon le cas étudié,il peut y avoir OÙ non une augmentation de la concentration de substrat dans1 effluent. On considère qu'un système répond avec succès à un choc quantitatif sicette concentration à 1'effluent ne subit peu ou pas de changement ou si lesvariations sont de courte durée.

X /XKrishnan et Gaudy [8] ont démontré qu'un réacteur biologique avec recyclage (C= constante) peut s'accommoder d'une augmentation de substrat dans l'affluent de 200pour cent avec peu ou pas de perte de substrat à 1'effluent pendant la périodetransitoire. Ces résultats ont aussi été obtenus avec des systèmes opérant à Xconstant [9]. De plus, ces auteurs ont déterminé qu'un tel système peut supporterdes variations journalières représentant un changement de 200 pour cent de laconcentration de substrat dans l'affluent et après une courte période de perturbationminimale, présenter un effluent ayant les mêmes caractéristiques qu'un effluentobtenu avec une concentration de substrat à l'entrée stable et moins élevé. Unexemple de ces résultats est présenté à la figure 3. Pour leur part, Adams etEckenfelder [10], en travaillant sur des eaux usées synthétiques, ont évalué qu'unsystème de boues activées peut tolérer des chocs quantitatifs atteignant trois fois

1329

Dow

nloa

ded

by [

Uni

vers

ity o

f W

ater

loo]

at 1

2:20

09

Oct

ober

201

4

S5O0|

JOOC

«WO

|• «UUJ

* 1900

woe

CARACTERISTIQUES

— — — — —

DE

—i

L AFFLUENT S

-1-

i• • •• ; . 1 • i < • ; . * i i

__ -J

-

: :

' 1 !

— j • •

•fi-f-

!

• ;

1 !

j ;

• * • ; •

H i '

r 1

300

20C

IOU

CARACTERISTIQUES

— • -

nf 3 1 }

DE L' EFFLUENT

i f ! ft

)C0 TOTALE 'S, i |

,—SOLIDES BIOLOGIQUES Xt

k | 1 1 ' !

j 1- ! ! I! ! « i !j^-DCO FILTREE St

i !i

i

SOLIDES 3IQL0GIQUES

f R6GIU6

iT

>t

<\ : |

J REGIME , '-/-«TRANSITOIfC I

t . - !

" i • " r *

i

! ^ ~ ^ r "1 1

PgRMaWENI ' '. j \P R O T E G E - . . - . . . . . . ;

. ! • *

! ^^» " -CAHBCHÏUHAIt

,< • ! . i REGIMEj IHAUIIUIH

i1 !i i

RtCUM!PERMAFCNT

• i

!I

;

—r*

BOUES RECYCLEES

* wok ÎAo-Li-^V-' JVYTTI

*r

s i 1 ^ !i i T f~1

A" ; i i i

., U 1 ! ÀI TTT i

1 ;

: !

PCP FILTREE DANS L'AERATEUR No. 2 , S R 2

Ita ~- ' i i ; ! u n T

PRODUCTION CE BOUES EN EXCES X,

•oooi

• : ! / i~1 I/ . i l l

' / ! ' !

J > • • ' • ,

oi~^ : • : —i : i i • '. r-i-

! ^ _ <! • .

i ji !

i

i

|I(1

i!

iii

1\i

rr i !i ! \

1 \

! i 1 ''! i ! i

! |

i :1 J

; V

f

1

1

1

!

I

1

i

i ;

i |

i

TEMPS (JOURS)

Référence: Saleh et Gaudy, 1978[9J

FIGURE 2: Réponse d'un système de boues activées fonctionnantà Xr constant à une augmentation de la concentrationde substrat â l'entrée de 500 à 3000 mg/1.

1330

Dow

nloa

ded

by [

Uni

vers

ity o

f W

ater

loo]

at 1

2:20

09

Oct

ober

201

4

0

* / / \ / \ 1CARACTERISTIQUES DE L'AFFLUENT SI

.CARACTERISTIQUES DE L'EFFLUENTi / ' i 0 0 T 0 I / U"E ,-~SOLIDES BIOLOGIQUES X ,

-G: ! J * OCO FILTREE

..SOLIDES BIOLOGIQUES X

i JSOO

BOUES RECYCLEES X»

f.oc

. PRODUCTION DE BOUES EN EXCES

f »<>«»•

i t *

TEMPS (JOURS)

10 II 12 il i l i l

Référence: Saleh et Gaudy, 1978[9]

FIGURE 3: Réponse d'un système de boues activées opérant àXr constant à un changement cyclique de la concen-tration de substrat â l'entrée de 500 à 1500 mg/1.

Dow

nloa

ded

by [

Uni

vers

ity o

f W

ater

loo]

at 1

2:20

09

Oct

ober

201

4

la charge normale pour douze heures par jour sans montrer d'augmentation significa-tive de matière organique dans 1'effluent.

Par leurs travaux de recherche, Selna et Schroeder [il] montrent que la réponse desorganismes à un choc quantitatif sous forme d'onde carrée est presque immédiate tellequ'indiquée par les changements soudains des différents paramètres (concentration dela liqueur mixte, taux de croissance, taux d'utilisation du substrat, coefficient derendement, concentration en oxygène dissous). Ils ont noté des variations faiblesmais perceptibles de la concentration de substrat dans 1'effluent pour des ondescarrées transitoires d'une amplitude de 2.84 fois la concentration initiale desubstrat dans l'affluent (2.84 x). Des augmentations significatives ont étéobservées pour des charges transitoires ayant une amplitude supérieure à 4x.

Thérien et Perdrieux [12] ont effectué une étude pour évaluer le comportement d'unréacteur biologique lors des conditions transitoires. Ils ont appliqué différentstypes de perturbations à l'entrée du système. Pour une variation de la concentrationde substrat à l'entrée égale à huit fois la concentration originale, aucun changementn'a été enregistré dans la concentration de sortie. Les auteurs expliquent cesrésultats en se référant au concept du "potentiel de réaction" développé par McLellanet Busch [13]- Selon cette théorie, les microorganismes ont une réserve de potentielsignificative disponible pour "combattre" les chocs quantitatifs. Ce concept suggèreque dans une usine de traitement des eaux usées fonctionnant en continu et en régimepermanent, les microorganismes opèrent généralement à des charges inférieures à leurpotentiel de réaction. Ainsi lorsqu'il y a des variations de charge, et si lacroissance des microorganismes dans le temps de rétention hydraulique est telle quele potentiel de réaction n'est pas dépassé, il ne devrait pas y avoir d'augmentationde la concentration du carbone organique soluble dans le réacteur. Les auteurs seservent de ce principe pour expliquer les réponses obtenues suite à des perturbationssous forme d'ondes carrées de différentes amplitudes appliquées au système.

Il est intéressant de noter qu'à la suite de leurs travaux, Thabaraj et Gaudy [14]ont conclu qu'en plus de la réponse transitoire et de l'obtention subséquente d'unnouvel état d'équilibre, une augmentation de la concentration de substrat dansl'affluent peut aussi engendrer une réponse secondaire de nature écologique qui seraplus dommageable que la réponse immédiate de la biomasse. Finalement, il fautsouligner que les chocs hydrauliques qui sont occasionnés par des variations du débitd'eaux usées acheminées à la station d'épuration, sont inclus dans la catégorie deschocs 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[15-18].

ÉTUDE DE CAS

Méthodologie

Les données utilisées dans ce travail proviennent du rapport sur la caractérisationdes eaux usées de la communauté urbaine de Québec (Canada) [19] pour la période du 6au 22 juin 1985. Ces données proviennent des émissaires drainant les bassins SE-1Oet SE-13. L'échantillonnage des bassins a été combiné et mesuré au canal d'entrée duposte St-Pascal pour s'assurer d'obtenir des échantillons représentatifs des deuxsites. L'échantillonnage s'est déroulé en continu sur des périodes de huit heures(0:00 à 8:00, 8:00 à 16:00 et 16:00 à 24:00) selon une fréquence constante parrapport au temps. Pour chaque pluie, un total de 40 échantillons étaient recueillispour les deux bassins. De ce nombre, 15 étaient conservés pour analyse; les critèresde choix étant la position temporelle de l'échantillon en fonction de 1'hydrogrammeet l'apparence physique de l'échantillon (turbidité).

1332

Dow

nloa

ded

by [

Uni

vers

ity o

f W

ater

loo]

at 1

2:20

09

Oct

ober

201

4

L'échantillonnage des eaux du réseau unitaire en temps de pluie a été effectuémanuellement à l'aide de godets pivotants fixés sur des tiges de métal. Ce typed'échantillonnage a été préféré à un échantillonnage à l'aide d'appareilsautomatiques pour des raisons de fiabilité, de coûts et de courts délais de mise enplace et d'opération. Le débit dans le réseau a été mesuré par la méthode dedilution chimique (rhodamine WT). Cette méthode s'avère simple et efficace, nenécessite pas d'installation coûteuse, et est fiable à ± 5% [20], si on prend biensoin de s'assurer du bon mélange hydraulique du traceur. Le seul problème del'échantillonnage manuel est la prévision des événements pluvieux. Une entente a étéprise avec Environnement Canada (section météorologie) pour que les responsables desprévisions météorologiques à la station de l'aéroport de Sainte-Foy nous avertissent2 h avant toute précipitation.

Les paramètres évalués pour chaque échantillon ont été le débit, demande biologiqueen oxygène (DBO5) totale et soluble, matière en suspension (MES), matières volatilesen suspension (MVES), demande chimique en oxygène (DCO) totale et soluble, phosphoretotal (P-total), azote totale Kjeldahl (NTK) et l'azote ammoniacal (NH3). Cesanalyses ont été effectuées par les laboratoires Sodexen inc. de Ville de Laval(Québec, Canada). Un délai maximum de vingt-quatre (24) heures entre le prélèvementet le traitement de l'échantillon a été respecté tout au long de la campagne. Toutesles analyses ont été effectuées selon les procédures décrites dans Standard methods[2l] . Les concentrations "après décantation' (AP) ont été mesurées après unedécantation d'une heure dans un cylindre gradué (hauteur: 40 cm, diamètre: 10 cm).

Résultats expérimentaux

Les données recueillies sont présentées au tableau 1. Les valeurs moyennes de tempssec de chaque paramètre pour les périodes de 0:00 à 8:00, de 8:00 à 16:00 et de 16:00à 24:00 heures pendant la campagne de mesure ont été établies et tracées sur lafigure 4. Pendant la période étudiée, l'arrivée des eaux de ruissellement urbaincause, de façon générale, une augmentation de la concentration des matières ensuspension. L'amplitude des changements varie en fonction des pluies. Le phénomèneest important lors des pluies du 9 et du 14 juin pendant lesquelles les valeursmaximales de matières en suspension (MES), sont enregistrées. Le phénomène est moinsprononcé lors de la pluie du 13 juin et imperceptible pour celle du 18 juin. Lesvariations de concentrations notées sont cohérentes avec les résultats d'étudesprécédentes [22].

DISCUSSION DES RESULTATS

Effets sur le décanteur primaire

En considérant la partie décantable des composants des eaux usées en temps de pluie,le décanteur primaire permet une atténuation importante et souvent totale desvariations de concentrations des matières en suspension et de la matière organique.La fraction des matières pouvant décanter est représentée au tableau 1 par ladifférence entre les valeurs avant et après décantation pour chaque paramètre.Ainsi, le surnageant d'un décanteur idéal contiendrait des concentrations similairesà celles mesurées "après décantation" au laboratoire. Ces concentrations sontprésentées à la figure 4.

Jusqu'ici dans cette section, il a été question d'un décanteur "idéal". Or, dans laréalité, ces décanteurs parfaits sont rares. L'efficacité de la décantation estaffectée par de nombreux facteurs dont: la configuration des bassins, lescaractéristiques des eaux usées telles que la concentration et la fraîcheur des eauxusées, la granulométrie, la forme et la densité des particules ainsi que lespratiques d'exploitation [23]. Les dimensions du décanteur définissent le temps deséjour et la vitesse de déversement associés à tout débit entrant. Le temps deséjour, déterminé par la capacité du bassin divisée par le débit, se situegénéralement entre 1.5 et 2.5 heures. La vitesse de déversement est calculée en

1333

Dow

nloa

ded

by [

Uni

vers

ity o

f W

ater

loo]

at 1

2:20

09

Oct

ober

201

4

Tableau 1: Résultats de la campagne d'échantillonnage ( 6 - 2 2 juin 1985) (mg/1)

Date

6

7

8

9

10

n

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

N*JS

N.7S

NJS

N.7S

NJS

N.7S

NJS

NJS

NJS

NJS

NJS

NJS

NJS

NJS

NJS

NJS

NJS

Débit(1/s)

111

111

J.11

11

111

111

11

11

112

111

111

111

121

111

111

iî1iii

391690422

176653416

085454378

055366502

681553392

2031?1047

9752.96275

971817672

067923665

264606976

197496417

171658477

618715992

487809875

425787639

313819579

24869ô496

DBO«totaleAV

107108

•171102

44123105

48144154

75•

141

7?S745

••106

44151126

3816785

2910188

397284

•10090

8112381

2311780

33117•

•12963

3315078

AP

•49

2411149

206655

207044

30••

393128

31•54

185968

195536

135251

164545

18•39

223151

126039

1552•

•6334

146945

DissouteAVc.m

24

127229

93630

Q

3626

194752

231716

112131

74134

122826

103040

82625

94425

102029

64625

93722

1045•

•4525

AP5•25

117431

3731

3525

184552

201518

111828

63834

122625

72837

72421

94024

101926

64224

83720

943•

84424

MESAV«7

107116

99161136

91136119

fn123173

154113137

978158

57119120

72131115

57147173

••133

5584105

44106132

7811092

•93111

569977

53110102

548284

AP153744'

294233

283726

17

3928

163145

262318

173530

224634

124329

184640

•3726

16•30

524610

•3521

173523

113624

•5623

MVESAV

7994

7011097

56110100

102129

7892107

755344

52•94

579596

5010589

••79

326983

3386104

616271

327681

357665

468682

•6669

AP

112729

192923

1429•

3024

112142

262318

1726•

223024

103112

•3317

122221

132825

343210

8•18

••23

102422

134817

ECOTotaleAV19ft

328•

•408232

19(1

248240

^ff\

280300

248264260

160152132

•259253

139318360

140280228

68216260

80176198

96222248

164199166

63245•

107244196

84262183

107300242

AP76•128

64276136

fSK152132

128110

106168148

1089275

•125124

60172250

50138120

44128168

569890

50106108

72102104

3213564

58124107

48160120

6719680

DissouteAV

w12092

4421680

U\11664

8378

8811677

684248

•8972

44123184

246488

32•128

4262•

308476

587974

2111242

2610067

3610060

5613254

APV)12091

4521681

11661ce

8074

9311077

654048

•8669

41120175

226186

32•122

4060•

287872

557372

1911142

249664

3597•

5312754

F1 totaleAV

133

132

132

1.2.2.

0.2.2.

1.3.2.

1.1.2.

0.2.1.

__—

_

—

—

.6

.1

.2

.3

.4

.5

.2

.4

.4

.8

.7

.0

,9340

,258

620

7285

AP

022

022

021

0.t

1.

0.1.1.

0.3.2.

0.0.1.

0.1.1.

—

_——

—

—

_—

.98

.6

.5

.98

.4

.0

.9

.4

.4

.87

.5

,73.76

.830,0

85854

522

NIKAV

—_——

_—

—

_-—

——17?023

282521

154010

61313

19•21

13?331

101211

81916

——

_—

——

AP

—

_—

—

—

—

_—141820

20

16

14287

•10

162?19

15?029

81010

6.7•13

—

_—

—

NH-,AV

579.

fi.7,6.

5.fl.3.

3.6.4.

57.7.

5.99.

4,1.4.

365

.75.0

,6,8,9

407

807

14

0?2

670

AP

—

—

—

—

_—

_—7.510.49.3

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*: moyenne de nuit , J : moyenne de jour, S: moyenne de soir

1334

Dow

nloa

ded

by [

Uni

vers

ity o

f W

ater

loo]

at 1

2:20

09

Oct

ober

201

4

STATION SE- 10/13

VALEURS MOYENNES DE TEMPS SEC- • VALEURS MOYENNES DE NUIT

VALEURS MOYENNES DE JOURVALEURS MOYENNES DE SOIR

, PERIODES UTILISEES POUR LECALCUL DES MOYENNES

N

J

S

NUIT

JOUR

SOIR

0-81)

B-I6h

I6-24H

AUGMENTATION PA« «APPOTÏ* IA HOYEWIE M TEHPS SEC

SIM1NUTI0N PAD UWJHTA IA HOYMNE DC TEW5 SEC

VALEURS «OH VALIDES (SAUFMCC1P1TATI0N |

FIGURE 4 : Résultats (concentrations après décantation)de la campagne d'échantillonnage(6-22 juin 1985)

1335

Dow

nloa

ded

by [

Uni

vers

ity o

f W

ater

loo]

at 1

2:20

09

Oct

ober

201

4

divisant le débit par la superficie du décanteur. Des vitesses de déversement de 32à 48 mètres cubes/mètre carré-jour (débit moyen) et de 80 à 120 mètres cubes/mètrecarré-jour (débit de pointe) sont recommandées pour les décanteurs primaires [24].

Environnement Canada [25] mentionne qu'un réacteur primaire bien conçu, fonctionnantconvenablement et traitant des eaux usées domestiques, permet d'atteindre despourcentages d'élimination de 25 à 40 pour la DBO et de 50 à 60 pour les matières ensuspension. De façon générale, cet énoncé est corroboré par les résultats présentéspar Peavy et al. [26] et illustrés par les courbes A et B de la figure 5. Cettefigure représente l'efficacité d'un décanteur primaire bien dimensionné en fonctionde la vitesse de déversement.

En ce qui concerne l'enlèvement de la DBO, Clark et al. [27] ont obtenu des résultats(courbe C) similaires à ceux de Peavy et al. [26]. Il est à noter que les tauxd'enlèvement de la DBO sont uniquement reliés à la DBO des solides enlevés, puisqueles matières organiques dissoutes ne sont pas éliminées par la décantation et que labiooxydation dans le décanteur primaire est négligeable. Les courbes obtenues parHeinke et al. [28] (courbes D et E), qui travaillaient avec un décanteur réel ontaussi été ajoutées sur la figure 5. Elles indiquent des efficacités généralementinférieures à celles de Peavy et al. [26]. De plus, les résultats de leursexpériences démontrent que le temps de résidence dans le décanteur influencel'efficacité d'enlèvement des solides.

Ainsi, l'efficacité du décanteur sera affectée par une augmentation de débit. Enutilisant la courbe proposée par Peavy et al. [26] pour déterminer le pourcentaged'enlèvement des MES et de la DBO en fonction de la vitesse de déversement, onobtient qu'une augmentation de débit de l'ordre de 100% tel que rencontré à deuxoccasions entre le 6 et le 22 juin entraînerait une baisse d'efficacité du décanteurprimaire de l'ordre de 17 à 32%.

Choc qualitatif-

Les eaux de temps de pluie contiennent du substrat en quantité appréciable (tableau1). De façon intuitive, il est justifié de croire que la nature de ce substratdiffère de celui d'une eau usée domestique. De plus, suite à une étude réalisée enFrance, Ranchet et Philippe [29] affirment que le rapport des concentrations DCO/DBO5lors des pluies varie de 2.9 à 6.3 '(valeur moyenne = 4.1), alors qu'il n'est enmoyenne que de 1.9 par temps sec. • Ils ajoutent que ce résultat confirme bien que labiodégradabilité des effluents unitaires lors des pluies est moins bonne que partemps sec. Cependant, au cours de la réalisation du présent travail, aucune étudeindiquant la composition détaillée du substrat en temps de pluie n'a pu êtrerépertoriée pour corroborer cette hypothèse.

Les résultats permettent de constater que la caractéristique principale du chocqualitatif, soit le changement de nature du substrat, est présente. Par contre, lorsdes études citées dans la section: CHOCS QUALITATIFS, les populations hétérogènesétaient adaptées à un seul substrat alors que les boues activées sont, pour leurpart, adaptées à une grande variété de substances. Il est donc possible qu'ellessoient moins affectées par le choc qualitatif.

De plus, un point, important doit être souligné concernant l'influence du chocqualitatif sur l'efficacité du traitement. En effet, même lors de la manifestationde l'enlèvement séquentiel dans le cas d'un choc qualitatif marqué, l'efficacitéglobale du système n'est pas toujours affectée de façon significative. La figure 1est un exemple de cette situation.

Ainsi, il existe des raisons qui portent à croire que le choc qualitatif produit parl'arrivée des eaux de ruissellement ne devrait pas perturber significativement lefonctionnement et l'efficacité du réacteur biologique. Cependant, de plus amplesrecherches seront nécessaires avant de pouvoir exprimer ce fait avec certitude.

1336

Dow

nloa

ded

by [

Uni

vers

ity o

f W

ater

loo]

at 1

2:20

09

Oct

ober

201

4

80

•£ 70

C0)

ffi

ra"caok_

oa.

60

50

40

30

20

10

\ ASolides en suspension

( 60 minuitt)

(30 minuits)

0 20 40 50 80 100

Vitesse de déversement (mètres/jour)

A: Peavy et al., 1985B: Peavy et al., 1985C: Clark et al., 1977D: Heinke et al., 1977E: Heinke et al., 1977 IS]Figure 5:

Choc quantitatif

Enlèvement des matières en suspension et de la DBO en fonction de lavitesse de déversement.

Le choc quantitatif subit par le système sera majoritairement causé par la portionhydraulique des variations enregistrées. Ce choc, occasionné par le ruissellementurbain, peut être divisé en deux composantes: soit premièrement une augmentation dedébit suivie, après un certain temps, d'une diminution de débit. Au cours des pluiesdu 14 et du 18 juin, l'amplitude du choc a atteint une valeur égale à deux fois ledébit moyen en temps sec. Les résultats présentés à la section: CHOCS QUANTITATIFSdémontrent que le réacteur biologique avec recyclage peut s'accommoder d'unchangement de 200% de la concentration de substrat dans l'affluent. Il y a donc lieude croire que suite à l'augmentation de débit causée par l'arrivée du ruissellementurbain, le système biologique subirait une période de perturbation, mais atteindraitun nouvel équilibre et retrouverait son efficacité antérieure après une certainepériode de temps.

1337

Dow

nloa

ded

by [

Uni

vers

ity o

f W

ater

loo]

at 1

2:20

09

Oct

ober

201

4

CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS

L'originalité de ce travail repose sur l'intégration de connaissances appartenant auxdomaines de la caractérisation du ruissellement urbain, des systèmes de traitementdes eaux et des effets-chocs pour les appliquer à un cas particulier soit celui deseffets causés par l'arrivée des eaux de ruissellement à une station d'épuration.L'étude a permis de mettre en évidence les conclusions suivantes:

Eaux de ruissellement

• Les eaux de ruissellement affectent les caractéristiques des eaux usées véhiculéesdans les réseaux unitaires: elles causent des augmentations de débit et de laquantité de contaminants transportés. De façon générale, ce sont les matières ensuspension et les métaux qui constituent les polluants principaux des eaux deruissellement.

Chaîne de traitement

• L'efficacité du décanteur primaire est influencée par de nombreux facteurs dont lavitesse de déversement et le temps de séjour qui sont reliés au débit des eauxusées.

• Le débit d'alimentation est l'un des trois principaux facteurs qui influencentl'efficacité du décanteur secondaire.

Effets-chocs:

• Les chocs qualitatifs sont susceptibles de provoquer•1'enlèvement séquentiel dessubstrats. L'importance de ce phénomène est fonction du type de substrat enprésence et de l'âge des cellules.

• Les réacteurs biologiques peuvent s'accommoder d'une augmentation de substrat dansl'affluent de 200 pour cent avec peu ou pas de perte de substrat à 1'effluentpendant la période transitoire.

• Les systèmes de boues activées ayant un temps de résidence hydraulique de huitheures peuvent supporter des augmentations ou des diminutions de débit de 100 pourcent sans que la qualité de 1'effluent ne soit significativement affectée.

L'étude du cas pratique, basée sur des données recueillies lors de la campagne decaractérisation des eaux usées de la communauté urbaine de Québec entre le 6 et le 22juin 1985, mène aux conclusions suivantes:

• Des augmentations de débit (jusqu'à deux fois le débit moyen de temps sec) ainsique des concentrations de matières solides en suspension avant décantation sontassociées aux événements pluvieux analysés.

• Des augmentations de la charge de matière organique avant décantation sont aussi,généralement, enregistrées pendant les pluies.

• Considérant la partie décantable des composants des eaux usées en temps de pluie,le décanteur primaire permet une atténuation importante et, souvent totale desvariations de concentration des matières en suspension et de la matièreorganique.

• Bien que les données disponibles ne permettent qu'une analyse partielle du chocqualitatif produit par l'arrivée des eaux de ruissellement urbain, celui-ci nedevrait pas perturber significativement le fonctionnement du réacteur biologique.

1338

Dow

nloa

ded

by [

Uni

vers

ity o

f W

ater

loo]

at 1

2:20

09

Oct

ober

201

4

• Suite à l'augmentation de débit causée par l'arrivée du ruissellement, le systèmebiologique devrait subir une certaine période de perturbation puis atteindre unnouvel équilibre et retrouver sensiblement son efficacité antérieure. Lors de ladiminution de débit, le système devrait tendre vers un nouvel état d'équilibresans que son efficacité ne soit modifiée significativement.

Ainsi, l'analyse de la littérature et des données réalisée dans ce travail indiqueque les variations de débit et de la quantité des matières en suspension, de matièreorganique et d'éléments nutritifs, enregistrées dans le réseau unitaire d'une partiedu territoire de la communauté urbaine de Québec, suite aux événements pluvieuxsurvenus entre le 6 et le 22 juin 1985, n'auraient pas provoqué de changementdramatique dans le fonctionnement d'une chaîne de traitement.

Le choix des données pour l'étude du cas pratique a été compliqué par le faitqu'aucune source fiable disponible ne comportait une gamme complète d'analysesincluant les concentrations de métaux. Lors de futures campagnes de caractérisation,un soin particulier devrait être porté au choix des paramètres à analyser (avant etaprès décantation) afin de générer des informations et des banques de donnéescomplètes. '

La revue de la littérature et l'analyse du cas pratique ont permis d'identifier desdomaines de recherche nécessitant une plus grande attention de la part de lacommunauté scientifique. Ce sont:

• Une étude plus approfondie des répercussions des chocs hydrauliques à travers lesdifférentes composantes d'une chaîne de traitement permettrait une conception pluséclairée en vue d'une atténuation de l'onde de choc.

• Les effets du choc hydraulique sur l'ensemble réacteur-décanteur n'ont peu ou pasété étudiés. Cependant, ces connaissances sont d'un grand intérêt pour définird'une façon globale les réactions d'une chaîne de traitement aux augmentations dedébit.

• Les résultats concernant les concentrations ayant des effets inhibiteurs sur unsystème biologique sont pour la plupart rapportés de façon peu rigoureuse et ilexiste des différences importantes entre les diverses sources. Des étudesréalisées de façon systématique et précise sont requises pour clarifier etuniformiser ces données.

• L'impact résultant de concentrations supérieures à celles ayant des effetsinhibiteurs devrait être étudié pour mieux caractériser les niveaux de toxicitédes métaux associés aux eaux de ruissellement urbain.

• L'étude des variations de composition de substrat pendant les pluies permettraitde déterminer si un choc qualitatif accompagne l'arrivée des eaux de ruissellementurbain à la station d'épuration. Si tel est le cas, d'autres études devraientêtre menées pour identifier les différents mécanismes en jeu et les effetsconcrets sur l'efficacité d'enlèvement de la matière organique.

• Des recherches sont nécessaires afin d'adapter les connaissances acquises sur leseffets-chocs (qualitatif-toxique-quantitatif) aux conditions qui prévalent auQuébec, surtout en ce qui a trait au caractère dilué de ces eaux usées.

Finalement, dans cette étude, les effets du ruissellement urbain ont été examinés defaçon qualitative. La prochaine étape réside dans la vérification de ces résultatssur un modèle réduit de laboratoire (type usine-pilote). Par la suite, une étude àl'échelle réelle devrait être envisagée afin de corroborer les résultats précédents.

L'ensemble de ces informations auront des applications autant pour les eaux d'origineurbaine, qu'industrielle. Elles permettront de dimensionner et de concevoir des

1339

Dow

nloa

ded

by [

Uni

vers

ity o

f W

ater

loo]

at 1

2:20

09

Oct

ober

201

4

installations plus aptes à résister aux effets-chocs et contribueront à une gestionplus efficace des eaux usées. Un pas de plus sera alors réalisé vers le contrôle dela pollution.

REMERCIEMENTS

Les auteurs adressent leurs remerciements à madame D. Beaulieu pour les recherchesinitiales qui ont servi à écrire cet article. Ils remercient également le Conseil derecherches en sciences naturelles et en génie du Canada (subvention CRSNG OGP0003711)et le Fonds pour la Formation des Chercheurs et l'Aide à la Recherche (subventionsFCAR EQ-3029 et FCAR AS-2462) pour leurs participations financières.

BIBLIOGRAPHIE

[l] NIKU, S. & SCKROEDER, E.D. (1981). Factors affecting effluent variability fromactivated sludge processes. Journal Water Pollution Control Federation, 53(5):546-559.

[2] GAUDY, A.F. (Jr) & ENGELBRECHT, R.S. (1961). Quantitative and qualitative shockloading of activated sludge systems. Journal Water Pollution ControlFederation, 33(8): 800-816.

[3] GRADY, C.P.L. (Jr) (1971). A theoretical study of activated sludge transientresponse. Proceedings 26th Industrial Waste Conference, Purdue University,Lafayette, Indiana: 318-335.

[4] TYAGI, R.D., COUILLARD, D. & VILLENEUVE, J.P. (1986). Functional design ofactivated sludge processes with heavy metal inhibition. The Canadian Journal ofChemical Engineering, 64(4): 632-638.

[5] KRISHNAN, P. & GAUDY A.F. (Jr) (1965). Studies on the response of activatedsludge to shock-loadings. Biotechnology and Bioengineering, 7: 455-470.

[6] KOM0LRIT, K. & GAUDY, A.F. (Jr) (1966a). Biochemical response ofcontinuous-flow activated sludge processes to qualitative shock loadings.Journal Water Pollution Control Federation, 38(1): 85-101.

[7] K0M0LRIT, K. & GAUDY, A.F. (Jr) (1966b). Substrate interaction during shockloadings to biological treatment processes. Journal Water Pollution ControlFederation, 38: 1259-1272.

[8] KRISHNAN, P. & GAUDY, A.F. (Jr) (1976). Response of activated sludge toquantitative shock loading. Journal Water-Pollution Control Federation, 48(5):906-919.

[9] SALEH, N.M. & GAUDY A.F. (Jr) (1978). Shock load response of activated sludgewith constant recycle sludge concentration. Journal Water Pollution ControlFederation, 49(4): 764-774.

[10] ADAMS, C E . (Jr) & ECKENFELDER, W.W. (Jr) (1970). Response of activated sludgeto organic transient loadings. Journal Sanitary Engineering Division,Proceedings American Society of Civil Engineers, 96: 333-352.

[11] SELNA, M.W. & SCHROEDER, E.D. (1978). Response of activated sludge processes toorganic transients-kinetics. Journal Water Pollution Control Federation, 50(5):944-956.

[12] THERIEN, N. & PERDRIEUX, S. (1981). Dynamics of activated sludge in terms oforganic carbon. Journal Water Pollution Control Federation, 53(5): 576-586.

1340

Dow

nloa

ded

by [

Uni

vers

ity o

f W

ater

loo]

at 1

2:20

09

Oct

ober

201

4

[13] McLELLAN, J.C. & BUSCH, A.W. (1969). Hydraulic and process aspects of reactordesign II - Response to variations. Proceedings of the 24th IndustrialWaste Conference, Purdue University, Lafayette, Indiana: 493-506.

[14] THABARAJ, G.J. & GAUDY,' A.F. (Jr) (1969). Effects of dissolved oxygenconcentration on the metabolic response of completely mixed activated sludge.Journal Water Pollution Control Federation, 41(8): 322-335.

[15] GEORGE, T.K. & GAUDY, A.F. (Jr) (1973). Response of completely mixed systems tohydraulic shock loads. Journal Environmental Engineering Division, AmericanSociety of Civil Engineers, 99: 593-606.

[16] MANICKAM. T.S. & GAUDY, A.F. (Jr) (1985). Comparison of activated sludgeresponse to quantitative, hydraulic, and combined shock for the same increasesin mass loading. Journal Water Pollution Control Federation, 57(3): 241-252.

[17] OLSSON, G., STEPHENSON, J. & CHAPMAN, D. (1985). Hydraulic shocks and theirimpact on secondary settler performance, presented at the 57 t n AnnualConference, Water Pollution Control Federation, New Orleans, Louisiana, 30September - 4 October.

[18] CHAPMAN, D.T. (1983). The influence of process variables on secondaryclarification. Journal Water Pollution Control Federation, 55(12); 1425-1434.

[19] AIREAUTEC-SOHIER (1985). Caractérisation des eaux usées de la Communautéurbaine de Québec, volumes I (325 pages), II (540 pages) et III (16 annexes).(Four la Communauté urbaine de Québec dans le cadre du programmed'assainissement des eaux du Québec.)

[20] MARSALEK, J. (1973). Instrumentation for field studies on urban runoff.Rapport de recherche, accord Canada-Ontario sur la qualité des eaux des GrandsLacs, projet 73-3-12.

[21] APHA-AWWA-WPCF (1985). Standard methods for the examination of water andwastewater 16th ed. American Public Health Association - American Water WorksAssociation - Water Pollution Control Federation.

[22] LESSARD, P. & LAVALLÉE, P. (1985). Caractérisation des eaux usées dedébordements de réseau unitaire. Canadian Journal of Civil Engineering,12: 527-537.

[23] WATER POLLUTION CONTROL FEDERATION. (1985). Manuel de pratique no. 11.Exploitation des stations d'épuration des eaux usées. Water Pollution ControlFederation, Washington, D.C., 526 pages.

[24] METCALF & EDDY INC. (1972). Wastewater engineering: collection, treatment anddisposal. McGraw-Hill Inc., New York, N.Y., 782 pages.

[25] ENVIRONNEMENT CANADA. (1981). Conception et sélection de petits systèmesd'épuration des eaux usées, Rapport EPS-3-WP-80-3F, Direction générale de lalutte contre la pollution des eaux, Service de la protection de l'environnement,Environnement Canada, 325 pages.

[26] PEAVY, H.S., ROWE, D.R. & TCHOBANOGLOUS, G. (1985). Environmental engineering,McGraw-Hill Inc., 699 pages.

[27] CLARK, J.W., VIESSMAN, W. (Jr) & HAMMER, M.J. (1977). Water supply andpollution control. Harper Row Publishers, New-York, 857 pages.

1341

Dow

nloa

ded

by [

Uni

vers

ity o

f W

ater

loo]

at 1

2:20

09

Oct

ober

201

4

[28] HEINKE, G.W., QAZI, M.A. & TAY, A. (1977). Research Report No 56,Canada-Ontario Agreement on Great Lakes, Ottawa.

[29] RANCHET, J. & PHILIPPE, J.P. (1982). Pollution véhiculée par les eaux deruissellement en réseau unitaire: le bassin versant de Mantes-la- ville. Latechnique de l'eau et de l'assainissement, 432: 17-29.

1342

Dow

nloa

ded

by [

Uni

vers

ity o

f W

ater

loo]

at 1

2:20

09

Oct

ober

201

4