Les chemins de l'eau

3 - Comment fonctionne une station d'épuration ?
Auteurs : Michel Lardé(plus d'infos)
Résumé :
La visite de l'usine permettra d'identifier les usages du traitement effectué par cette station et les techniques assurant chaque fonction de service, en faisant s'exprimer les élèves sur ce qu'ils voient. Sur place, la succession des étapes du traitement de l’eau sera à repérer. Le contrôle de qualité pourra aussi être évoqué avec les élèves.
Publication : 30 Mai 2013
Matériel :

La sortie dure une demi-journée. Cette visite peut-être remplacée par le diaporama proposé dans ce module.

Avant-propos

La visite de l'usine sera préparée en vue d'identifier l'usage (ou les usages) du traitement effectué par cette station et les techniques assurant chaque fonction de service, en faisant s'exprimer les élèves sur ce qu'ils voient. Un tableau les incitant à situer ce qui leur sera dit sur le plan de l’usage, des services, des techniques peut-être construit avec les élèves.

Sur place, la succession des étapes du traitement de l’eau sera à repérer. Le contrôle de qualité pourra aussi être évoqué avec les élèves en relation à des événements exceptionnels (inondations) ou plus fréquents (pollution des nappes phréatiques par les nitrates des engrais) de façon à préparer des questions.

De retour en classe, les informations recueillies devront être analysées et reconstruites sous forme de schémas permettant de repérer le chemin de l'eau dans l'usine, son devenir à la sortie de l'usine. Les chemins de l'eau dessinés dans la première séquence pourront être repris compte tenu de l'avancée des connaissances acquises.

Cité de l’eau et de l’assainissement à Colombes
en région parisienne 

Il est essentiel pour la santé des individus de disposer d’eau potable. Rendre de l'eau propre après usage est indispensable pour la protection de l'environnement et donc, à terme, pour nous aussi.

La station d’épuration est chargée de rendre l’eau propre dans la nature après nos usages.

Il s'agit dans cette séquence de comprendre le fonctionnement d'une station d’épuration, mais aussi de le modéliser dans un cadre technologique.

Introduction de termes technologiques : fonction d'usage, fonction de service, solution technique

Les réponses aux questions  « À quoi sert une station d’épuration ? », « Qu’exigeons-nous d’elle ? » relèvent du point de vue de l'usager, ici la nature. Qui a besoin d'une eau « propre » ? La station d'épuration doit répondre le mieux possible à ce besoin, c'est ce qu'on appelle sa « fonction d'usage ».

La station d'épuration assure sa fonction d'usage par la mise en œuvre de toute une série d'opérations : c'est ce qu'on appelle les « fonctions de service ». 

Chaque « fonction de service » peut être assurée de différentes façons. C'est ce qu'on appelle les « solutions techniques ».

Présentons tout d'abord quelques exemples d'utilisation de ces concepts pas toujours faciles à utiliser. Il s'agit pour les élèves d'une première approche. Il  sera utile de les faire s'exercer à l'utilisation de ce vocabulaire.

Quelques définitions du vocabulaire de l’analyse fonctionnelle d’objets techniques

  • Le produit rend service au client en agissant sur la matière d’œuvre pour satisfaire le besoin.
  • Le milieu extérieur d'un produit est l'ensemble des composantes en relation avec le produit au cours de son cycle de vie (matière d'œuvre, utilisateur, dépanneur, énergie, etc.).
  • Une fonction de service est l'action d'un produit pour répondre au besoin de l'utilisateur ; on les classe en fonction d'usage (principales et complémentaires) et fonction d'estime.
  • Les contraintes sont des limitations de la liberté du concepteur-réalisateur du produit.
  • Une fonction technique est une action interne entre les constituants d'un produit défini par le concepteur-réalisateur du produit dans le cadre d'une solution technique pour assurer les fonctions de service.

Quelques exemples...

A - Exemple du couteau multi-fonctions
Besoin : l'utilisateur doit pouvoir disposer d'un ensemble compact d'outils pour pouvoir agir sur son milieu de vie en l'absence de tout autre moyen pour en tirer profit.
Client : n'importe quel utilisateur potentiel.
Milieu extérieur : main, la matière d'oeuvre, normes et réglementations  en vigueur (sécurité,  interdictions, matériaux, etc.).
Matière d’œuvre : toute matière sur quoi l'objet peut agir : bois, cuir, viande, papier, terre, fruits.
Fonctions d'usage : couper des branchages, tailler du bois, extraire les bouchons des bouteilles, ôter des capsules de bouteilles, découper des aliments, visser et dévisser des vis à têtes fendues, visser et dévisser des vis à têtes cruciformes, perforer des matériaux tendres, etc.
Fonction d'estime : s'identifier comme porteur de telle ou telle marque.
Contraintes : être actionné  à la main,  se glisser dans la poche du pantalon, s'ouvrir facilement, respecter les normes en vigueur.
Solutions techniques : articulation manche outil sur axe de rotation assurant le pliable, rainures de rangement dans l'épaisseur du manche.

B - Exemple du bip de voiture
Besoin : l'utilisateur doit pouvoir déverrouiller les ouvrants d'une voiture à distance - identifier son emplacement sur un parking.
Client : celui  qui possède une  voiture.
Milieu extérieur : le dispositif de déverrouillage des portes, la main, le dépanneur, la source d'énergie, les normes.
Matière d’œuvre : le dispositif de déverrouillage des portes et les feux du véhicule.
Fonction principale : transmettre l'ordre de déverrouillage à la voiture.
Fonction secondaire : allumer les feux de la voiture.
Fonctions techniques : identifier l'ordre, identifier le véhicule, communiquer avec le dispositif du véhicule qui gère l'ouverture des portes et les feux (on pourrait également dire qu'il faut : testeur de pression du doigt, envoi d'un message de reconnaissance du véhicule par onde radiofréquence, réception du message retour, ordre de déverrouillage par onde radiofréquence, feedback de bon déroulement à l'utilisateur).

C - Exemple du casse noix
Besoin : ouvrir la  coquille d'un fruit à coque ou la carapace d'un crustacé pour en extraire le contenu et pouvoir le manger ou le stocker.
Client : utilisateur potentiel.
Milieu extérieur : la main (ou ce qui peut remplacer si personne handicapée, actionneur à la voix par exemple), les normes de sécurité , norme d'ergonomie, coquille de noix ou de noisette, carapace de crustacés.
Matière d'œuvre : coquille de noix ou de noisette, carapace de crustacés.
Fonction d'usage : exercer une pression, éventuellement réguler la pression en fonction de l'enfoncement de la coquille pour ne pas l'écraser.
Solutions techniques : pince ou pressoir, vérin commandé électroniquement, test de déplacement de la surface pressée.

D - Exemple de la station d'épuration
Besoin : rendre l'eau de collecte des égouts suffisamment propre pour un retour au milieu naturel.
Client : la communauté urbaine (qui paye).
Milieu extérieur : les différents bassins fonctionnels, le réseau d'égouts, la rivière, les marchands de matériaux consommables, l'environnement (odeurs), les normes, l'énergie.
Matière d’œuvre : l'eau des égouts.
Fonctions de service : retenir les solides, rendre l'eau limpide et non polluée, réoxygéner l'eau pour permettre la vie aquatique.
Fonctions techniques : grillages, décantation, filtrage, traitement biologique, introduction de dioxygène.

 

Visite de la station d'épuration

La visite qui a eu lieu lors du test de cette séquence a bénéficié d'une présentation par une animatrice avec présentation du site, des expériences proposées aux élèves, puis une visite du site.

 

 

 

Prétraitement 1 : le dégrillage

Prétraitement 2 : le dessablage

 

 

Prétraitement 3 : le dégraissage ou déshuilage

Décantation : décantation primaire

 

 

Épuration biologique 1

Épuration biologique 2

 

 

Rejet vers la rivière

 

 

Les questions listées dans la séquence précédente sont réparties entre différents groupes qui devront prendre des notes sur les réponses en vue d'une mise en commun ultérieure. On peut prévoir une présentation par un petit groupe d'élèves de ce qu'ils ont fait en classe pour nettoyer des eaux sales.

Après la visite, une synthèse en référence aux questions qui étaient listées ainsi qu'un retour au schéma des chemins de l'eau devraient maintenant permettre de construire un schéma convenable.

Retour sur la question de qualité de l'eau traitée : elle est propre pour la nature, mais pas potable.

Structuration des connaissances

Après la visite de la station d’épuration, le professeur peut proposer aux élèves un schéma fonctionnel à remplir qui distingue  fonction de service et solution technique (la version corrigée se trouve ici).

Sur le document, les élèves doivent expliquer par une seule phrase chaque traitement et justifier l’ordre des étapes. Le schéma fonctionnel représente la chaîne de traitement des eaux usées répartie en fonctions de services/solutions techniques, par exemple :

  • Fonction de service : éliminer les déchets solides  (ceux qui flottent, ceux qui coulent ou ceux qui sont en suspension).
  • Solutions techniques :
    • Le dégrillage permet de retenir les débris les plus volumineux à l’aide de grilles mécaniques de plus en plus fines.
    • Le dessablage permet d’éliminer les sables et les graviers qui se déposent au fond du bassin.
    • La décantation permet de recueillir les particules solides au fond du bassin.

Les solutions techniques à mettre en œuvre sont à organiser en étapes successives dans un ordre réfléchi pour assurer l'efficacité maximale du système, en relation aux différentes fonctions de service identifiées pour répondre au besoin « avoir de l'eau  suffisamment propre » affiché par le client (la municipalité).