Logiciel de diagnostic automatique pour le traitement primaire et les boues activées : vers une gestion intelligente des eaux usées au Maroc

INTRODUCTION

La crise de l’eau touche de nombreux pays, et le Maroc n’y échappe pas. Avec une population croissante et des activités économiques en expansion, la pression sur les ressources naturelles en eau est de plus en plus forte [1,2]. Selon les dernières évaluations, le potentiel des ressources naturelles en eau au Maroc est estimé à près de 22 milliards de m3 / an [3,4], répartis en 18 milliards de m3 / an d’eaux de surface et 4 milliards de m3 /an d’eaux souterraines [5,6,7], soit l’équivalent de près de 606 m3 /habitant/an [8]. La durabilité des ressources en eau de l’eau et le stress hydrique sont devenus des défis majeurs pour de nombreux pays, en particulier les pays en développement, en raison de l’expansion rapide des activités agricoles et industrielles [9,10]. 

Le Maroc est confronté à un défi croissant en matière de traitement des eaux usées. Parmi les nombreuses stratégies possibles pour lutter contre la crise de l’eau, la réutilisation des eaux usées représente une solution prometteuse et largement étudiée: elle fournit un approvisionnement en eau fiable en période de pénurie régionale, elle stimule la croissance économique locale, réduit le prélèvement d’eau dans les aquifères et les rivières, ainsi que la consommation d’engrais dans l’agriculture et elle réduit l’eutrophisation [11]. Les stations d’épuration, piliers de la protection de l’environnement et de la santé publique, sont confrontées à des dysfonctionnements récurrents qui menacent l’efficacité du traitement et impactent négativement les milieux naturels. 

Elles ont un impact important sur les eaux réceptrices, tant sur le plan environnemental qu’économique [12]. Les coûts globaux et la qualité des effluents obtenus dépendent principalement du type et des caractéristiques de l’eau entrante, de la technologie de traitement utilisée et de la qualité d’effluent souhaitée [9,13]. Cette étude vise à analyser les causes et les conséquences des dysfonctionnements afin d’identifier les faiblesses du système de traitement, d’évaluer l’impact environnemental et de proposer des solutions d’amélioration. Le traitement primaire constitue le fondement du processus d’épuration de l’eau. Il s’agit d’une étape mécanique qui vise à éliminer les matières en suspension grossières présentes dans les eaux usées, telles que les débris solides, les graisses et les huiles. 

Le processus de sédimentation, également appelé "décantation" ou "clarification", est utilisé dans les étapes de traitement primaire et secondaire de l’épuration des eaux usées. Les bassins de sédimentation peuvent être circulaires ou rectangulaires [14]. Le fonctionnement du décanteur primaire n’est considéré comme bon que s’il atteint une efficacité de plus de 30% en DBO5 [15,16] et de 50% en matières en suspension (MES) [17]. Après le traitement primaire, les eaux usées passent à l’étape suivante: le traitement secondaire. Cette étape cruciale s’appuie sur des processus biologiques pour éliminer la pollution organique restante et les nutriments présents dans l’eau. Au Maroc, la méthode la plus répandue pour le traitement secondaire est celle des boues activées. 

Ce procédé intensif met à profit des micro-organismes présents pour décomposer la matière organique en dioxyde de carbone et en eau. Dans le traitement par boues activées, la DBO5 (demande biologique en oxygène sur cinq jours) est réduite de 85 à 90%, améliorant ainsi la qualité des eaux avant leur rejet. De même, les matières en suspension (MES) sont généralement éliminées à hauteur de 85 à 95%. Le système de boues activées se compose de deux éléments principaux : un réacteur et clarificateur. Les réacteurs nécessitent une vérification et une optimisation de l’indice de Mohlman, charge massique, charge volumique, temps de rétention, âge des boues, besoin en oxygène et dimensions (hauteur, largeur, longueur). Pour les clarificateurs, il est essentiel de vérifier et d’optimiser la charge hydraulique, le débit massique, le temps de rétention des solides et la profondeur.

MATÉRIELS ET MÉTHODES

Le taux d’élimination de la DBO5 et des MES seront calculés à la fois en traitement primaire (décanteur primaire) et en traitement secondaire (boues activées). Pour la DBO5, le taux d’élimination se calcule comme suit:

Avec: DBO5 influente: Concentration en DBO5 de l’eau brute entrante en (mg/L) DBO5 effluent: Concentration en DBO5 de l’eau sortante en (mg/L). De même, le taux d’élimination des MES se calcule selon:

Avec: MES influente: Concentration en MES de l’eau entrante en (mg/L)

MES effluent: Concentration en MES de l’eau sortante en (mg/L)

Paramètres clés de vérification et de dimensionnement 
Traitement primaire:

Les clarificateurs primaires dépendent de deux paramètres cruciaux: le taux de débordement (Td) qui est le débit en fonction de la surface, et le temps de rétention (Tr) qui est le volume du clarificateur en fonction du débit, qui peut également être évalué par le rapport entre la hauteur d’eau et le taux de débordement. Le tableau ci-dessous présente les valeurs du taux de débordement et du temps de rétention en fonction du processus de traitement secondaire: Le choix entre un décanteur primaire rectangulaire ou circulaire dépend de plusieurs facteurs. Les dimensions et les pentes spécifiques varient ensuite en fonction de l’installation et des besoins. Pour les clarificateurs rectangulaires, la longueur (L) doit être comprise entre 3 et 100 mètres, la largeur (l) supérieure à 7,5 mètres, et la profondeur (H) entre 2,5 et 4 mètres. Le rapport L/l doit être compris entre 3 et 6, et la pente du fond doit varier de 1 à 3%. En revanche, pour les clarificateurs circulaires, la profondeur (H) doit être comprise entre 2 et 3,5 mètres, le diamètre (ϕ) inférieur à 30 mètres, et la pente du fond doit se situer entre 4 et 10%.

Traitement secondaire : réacteur de boues activées

Les paramètres clés de vérification dans le réacteur se présentent comme suit: 

Charge massique Cm et charge volumique Cv : 

La charge massique est définie comme étant le rapport entre la pollution journalière entrante en DBO5 et la masse bactérienne contenue dans la totalité des aérateurs [18]. Elle s’exprime généralement comme suit:

Où: Cm: Charge massique exprimée en kg DBO5/kg MESV/j

DBO5 influente: Concentration en DBO5 de l’eau brute à traiter (mg/L) Débit influent: Débit d’eau brute entrant dans le système (m³/j)

MESV: Concentration en matières en suspension volatiles (MESV) dans le bassin d’aération (mg/L)

Volume aérateur Vr : Volume du bassin d’aération (m³) 

A cette charge massique on associe habituellement une charge volumique qui représente le rapport entre le flux journalier de la pollution entrante et le volume de l’aérateur [19, 20]. Elle est donnée par l’expression suivante:

Où: 

Cv: Charge volumique exprimée en kg DBO5/m³.j 

DBO5 influente: Concentration en DBO5 de l’eau brute à traiter (mg/L) Débit influent: Débit d’eau brute entrant dans le système (m³/jour) Volume aérateur 

Vr : Volume du bassin d’aération (m³)

Indice de Mohlman (IM) 

Il mesure la décantabilité de la boue. Il est défini comme étant le rapport entre le volume de boue activée décanté en 1/2 heure par rapport à la masse de résidu sec de cette boue [22]. 

• IM < 50 ml/g: Mauvaise décantation 

• 50 ml/g < IM < 150 ml/g: Bonne décantation 

• IM > 150 ml/g: Phénomène de Bulking

Age de boues : 

L’âge des boues fait référence à la durée pendant laquelle les micro-organismes présents dans le système de traitement sont maintenus dans l’aérateur. C’est le rapport entre la production journalière de boues et la masse bactérienne contenue dans l’aérateur. Cette durée dépend de la charge:

Oxygénation: 

Afin de favoriser la réaction aérobie, qui est plus rapide que la fermentation anaérobie, il est nécessaire que le milieu contienne une concentration adéquate en oxygène. Il est communément admis que les micro-organismes aérobies ne consomment pas directement l’oxygène, mais celui-ci doit être dissous dans l’eau pour être utilisé. Le besoin en oxygène correspond essentiellement à la synthèse bactérienne, ainsi qu’à la respiration endogène de la biomasse. Les besoins journaliers en oxygène sont calculés par la formule suivante:

DJO = DO Mat Org + DO endogène = a’Le + b’Sv

• DJO: Demande journalière en oxygène (kg O2/j) 

• Le: DBO ultime éliminée (Kg DBO5/j) 

• Sv: Masse de matière vivante dans le bassin biologique (Kg MVS/j) 

• a’: coefficient métabolitique (fabrication de matière vivante) ou la quantité oxygène nécessaire pour oxyder 1 Kg de DBO5. 

• b’ : coefficient endogène ou quantité oxygène nécessaire au métabolisme endogène (minéralisation de la biomasse) de 1 Kg de matières volatiles en suspension (M.V.S) par jour. 

Traitement secondaire : clarificateur de boues activées

Le bon fonctionnement d’un clarificateur repose sur trois paramètres clés et des contraintes géométriques. Le premier paramètre est la charge hydraulique (CH), maintenue entre 0,8 et 1,2 m³/m².h, qui contrôle le flux d’eau dans le clarificateur et empêche son colmatage. 

Le deuxième paramètre est le flux massique (fm), maintenu entre 2 et 6 kg MES/m².h, qui gère la concentration de boues dans le clarificateur et facilite leur séparation de l’eau clarifiée. Enfin, le temps de rétention, maintenu entre 1,5 et 2,5 heures, permet aux boues de sédimenter efficacement avant le rejet de l’eau traitée. En plus de ces paramètres, les contraintes géométriques jouent un rôle crucial. 

La vérification de ces contraintes repose sur deux aspects : le respect des limites des paramètres géométriques et la cohérence entre ces paramètres. Le choix entre un clarificateur rectangulaire et circulaire dépend de divers facteurs tels que l’espace disponible, le débit souhaité et les exigences spécifiques du traitement. Les clarificateurs rectangulaires peuvent être plus économes en espace dans certaines situations, tandis que les clarificateurs circulaires peuvent offrir de meilleures performances hydrauliques. 

Les dimensions typiques des clarificateurs rectangulaires et circulaires utilisés dans le traitement des eaux usées varient selon des plages spécifiques. Pour les clarificateurs rectangulaires, la longueur (L) est définie par 15 à 20 mètres lorsque la profondeur (H) est supérieure à 2 mètres, et par 20 à 50 mètres lorsque la profondeur (H) se situe entre 3 et 5 mètres. 

Pour les clarificateurs circulaires, le diamètre (φ) varie de 15 à 20 mètres lorsque la profondeur (H) est supérieure à 2 mètres, et de 20 à 50 mètres lorsque la profondeur (H) est comprise entre 3 et 5 mètres.

RÉSULTATS ET DISCUSSION Organigrammes de diagnostic

Ces organigrammes présentent une approche méthodique pour la séquence des paramètres à examiner lors du diagnostic, ainsi qu’une série d’instructions et de solutions à mettre en œuvre en cas de détection d’anomalies.

Organigramme du traitement primaire :

L’organigramme suivant détaille la méthodologie pour identifier et résoudre les pannes potentielles des tamis dans une station de traitement des eaux usées.

Organigramme du traitement secondaire :

Boues activées (réacteur): Augmenter la fréquence d’extraction des boues Cet organigramme illustre les étapes principales du processus de traitement des eaux usées par réacteur à boues activées.

Boues activées (clarificateur):

Le clarificateur des boues activées représente le processus crucial de séparation des eaux clarifiées des boues après le traitement biologique, les principaux paramètres de vérification et de dimensionnement sont contrôlés par l’organigramme suivant:

Autres problèmes liés aux boues activées :

Les traitements primaire et secondaire reposent sur le taux d’élimination de la DBO5 et des matières en suspension. Ces derniers constituent le premier paramètre à vérifier, car leur respect conduit au diagnostic de l’étape suivante. L’organigramme du réacteur comprend plusieurs paramètres à vérifier, nécessitant un contrôle précis de la charge massique et volumique, ainsi que la maîtrise d’une oxygénation adéquate et de la recirculation des boues. D’après l’organigramme représentant le clarificateur secondaire, les valeurs aberrantes sont rectifiées généralement en agissant sur le débit, la recirculation (r) ou par changement de paramètres géométriques. Les autres problèmes rencontrés au niveau des boues activées sont complémentaires et dépendent du réacteur et clarificateur.

UTILISATION DE VISUAL STUDIO DANS LE PROCESSUS DE DÉVELOPPEMENT

Visual Studio, un puissant outil de gestion de base de données, rationalise le flux de travail en vous permettant d’entrer des données, des instructions et de suivre la logique représentée dans les organigrammes. Une fois ces éléments saisis, Visual Studio effectue les diagnostics nécessaires pour garantir leur applicabilité. Si les conditions sont remplies, des instructions claires ou des mesures correctives sont ensuite affichées directement dans une boîte de dialogue conviviale.

Codes de base de données et d’application

Code d’application pour décanteur primaire

Visual Studio propose un environnement convivial pour le développement d’applications, en visant le diagnostic des stations d’épuration notamment la simulation de décanteurs primaires, se basant sur le raisonnement décrit dans les organigrammes. L’interface utilisateur intuitive facilite la saisie des paramètres opérationnels, tels que les caractéristiques de l’effluent et les exigences de performance. Cette approche permet de modéliser efficacement le comportement du décanteur et de prédire ses performances dans différentes conditions d’exploitation. Le code intègre des modules de visualisation permettant de suivre en temps réel les principaux paramètres de performance du décanteur primaire. Ces paramètres incluent le débit de l’effluent traité, les taux d’élimination de la DBO5 et des MES, le taux de débordement ainsi que le temps de rétention. Le décanteur primaire peut avoir une forme de bassin circulaire ou rectangulaire, avec des dimensions spécifiques adaptées à chaque clarificateur. Ces visualisations prennent la forme de tableaux de bord dynamiques, offrant ainsi à l’opérateur une meilleure visibilité sur le fonctionnement du système et facilitant la prise de décision pour optimiser la performance du décanteur.

Code d’application pour les boues activées

L’application développée dans Visual Studio pour le traitement des boues activées est dotée d’une interface utilisateur conviviale. Cette interface simplifie la saisie des paramètres opérationnels propres au processus. La figure suivante illustre le tableau de bord intégrant l’application dédiée au réacteur des boues activées. L’algorithme de base utilise les paramètres définis par l’utilisateur en conjonction avec un organigramme préétabli pour simuler le processus dans le réacteur. Cette simulation prend en compte plusieurs caractéristiques de l’effluent, telles que le débit d’entrée et de sortie, les taux d’élimination de la DBO5 et de MES, ainsi que la charge massique et volumique pour chaque type de charge (forte, moyenne, faible, aération prolongée). 

Le contrôle de l’oxygénation, l’indice de Mohlman et l’âge des boues sont gérés simultanément dans ce processus. La saisie des données pour les paramètres du clarificateur a été effectuée aussi sur la même plateforme. En utilisant cet outil, nous avons pu non seulement entrer les valeurs nécessaires, mais aussi bénéficier d’outils de débogage et de validation pour assurer l’exactitude des données saisies. Cette approche a non seulement simplifié le processus de configuration, mais a également renforcé la fiabilité et les performances du système de clarificateur dans son ensemble. La figure ci-dessus présente le codage appliqué au niveau du clarificateur, couvrant une gamme complète de paramètres incluant le débit de l’effluent et du recirculé, les taux d’élimination de la DBO5 et de la MES, la charge hydraulique, le flux massique, le temps de rétention, ainsi que les paramètres de dimensionnement qui dépendent de la forme du décanteur (circulaire ou rectangulaire). Le code suivant est conçu pour être une liste d’options comprenant les autres problèmes identifiés.

Tests et débogage de l’application :

L’interface développée pour la saisie des données joue un rôle crucial en permettant de tester, calculer et repérer les valeurs anormales pouvant entraîner des dysfonctionnements dans la station de traitement des eaux usées. Les figures suivantes illustrent une série de tests effectués afin de vérifier le bon fonctionnement de l’application. Les tests présentés dans les figures précédentes ont pour objectif de valider de manière approfondie la fonctionnalité de l’application et sa capacité à détecter avec précision les irrégularités au sein de la station de traitement des eaux usées. Ils sont structurés selon plusieurs critères principaux, évaluant l’exactitude de la détection des anomalies en les comparant aux valeurs prévues et aux seuils définis. Ces tests visent à confirmer la fiabilité du diagnostic de l’application et sa compétence à identifier les véritables causes des dysfonctionnements dans la station de traitement.

CONCLUSION

Les organigrammes détaillés, outils centraux de cette approche méthodique, s’avèrent indispensables pour décortiquer le processus de diagnostic du traitement primaire et des procédés intensifs comme les boues activées. Ces schémas précis permettent une analyse approfondie des paramètres critiques de chaque composant, du décanteur primaire au décanteur secondaire en passant par le réacteur. Ils constituent une référence solide pour l’application Visual Studio, garantissant une collecte systématique des données et un calcul précis des équations. L’intégration de cette application va bien au-delà de la simple analyse, elle permet une détection proactive des dysfonctionnements grâce à des vérifications rigoureuses des paramètres de contrôle et de dimensionnement. 

Cette approche proactive assure un examen minutieux à chaque étape, permettant d’identifier, de corriger et même d’anticiper d’éventuelles défaillances. Cette vigilance proactive garantit un fonctionnement optimal et continu des installations, assurant ainsi un traitement efficace des eaux usées sur le long terme. Cette méthodologie offre des avantages étendus au-delà de l’efficacité du traitement. Elle entraîne une diminution notable des frais d’exploitation en raison de la détection anticipée des dysfonctionnements, minimisant ainsi les temps d’arrêt non planifiés et les réparations coûteuses. De plus, en assurant un fonctionnement optimal des installations, elle améliore la durabilité en réduisant la consommation d’énergie et la production de boues, favorisant ainsi un traitement plus respectueux de l’environnement.