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Assainissement collectif

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Assainissement collectif

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L’objectif concernant l’assainissement qui figure dans le Plan de mise en oeuvre du Sommet mondial pour le développement durable ou le Plan de mise en oeuvre de Johannesburg reflète un fort engagement politique des gouvernements à réduire sensiblement, avec l’appui de la communauté internationale, la proportion de ersonnes qui n’ont pas accès à des services d’assainissement de base. L’assainissement commence à être considéré comme une priorité nationale en matière de développement, qui requiert des politiques et des crédits budgétaires adéquats. Il est indispensable de consacrer des investissements aux installations sanitaires et au traitement des eaux usées, ainsi qu’au renforcement des capacités et au transfert de technologies. Il faudra donc probablement mobiliser d’importantes ressources supplémentaires, qui devraient aussi permettre aux établissements chargés des eaux et des égouts d’améliorer leurs services et de les étendre aux populations non desservies. 

D’après les données les plus récentes, entre 1990 et 2002, le taux de couverture est passé de 49 % à 58 % de la population mondiale, plus d’un milliard de personnes ayant été raccordées pendant cette période. En dépit de ces progrès, plus de 2,6 milliards de personnes n’avaient toujours pas accès à des services d’assainissement de meilleure qualité, proportion qui était auparavant estimée à 2,4 milliards.

 


1. POURQUOI ASSAINIR?


L'urbanisation actuelle se traduit par une forte  concentration d'êtres vivants avec adduction d'eau et implantation d'entreprises agricoles et industrielles. De nombreuses substances sont déversées dans les eaux utilisées qui deviennent des eaux usées. Ces dernières doivent être éliminées de l'environnement urbainDe plus, les nombreuses surfaces imperméables (routes, toitures) des villes impêchent l'infiltration des précipitations. Ces eaux de ruissellement ou eaux pluviales doivent également être éliminées.

 

Les eaux usées  comprennent:

                        les eaux ménagères

                        les eaux vannes (W.C.)

                        les eaux d'arrosage, jardins,

                        les eaux industrielles

Elles doivent être traitées avant d'être rejetées dans le milieu naturel: rivières, mer, sols.


 

Caractères des eaux usées domestiques (non industrielles)


La pollution des eaux usées est produite par des matières minérales et organiques, indésirables ou toxiques qui sont en suspension, en solution, en émulsion.

           Les matières en suspension produisent un trouble: la turbidité.  Ce sont:

                        - des matières minérales : sables, argiles, particules solides insolubles

                        - des matières organiques : débris organiques divers, organismes et micro-organismes

           Les matières en solution et émulsion  sont:

                        - des sels de métaux (dont métaux lourds)

                        - des composés organiques: détergents, solvants, pesticides, matières grasses, hydrocarbures...

 

La charge polluante est importante dans les eaux usées, mais également  dans les eaux de ruissellement en ville (entrainement des débris de pneus et des hydrocarbures sur les chaussées, des débris accumulés sur les toitures...)  La pollution induite est de trois types:

    - Pollution physique: élévation de température

    - Pollution chimique:  composés chimiques indésirables

    - Pollution bactériologique: coliformes et streptocoques fécaux, micro-organismes pathogènes variés (dont virus).


Il faut donc traiter ces eaux  pour lutter contre la pollution des milieux naturels où elles sont déversées.


 

 

2. COMMENT ASSAINIR?

 

2.1. Les réseaux d'assainissement

    Les eaux usées sont collectées sur le lieu de leur production pour être acheminées par un réseau de conduites vers la station dépuration. Le réseau collecteur est dit séparatif quand il n'achemine que les eaux usées ou unitaire quand il achemine aussi les eaux pluviales.

      




Le cycle de l'eau en milieu urbain


2.2. Les Stations d'Epuration (STEP)

Une station d’épuration est installée généralement à l’extrémité d’un réseau de collecte. Elle rejette l'eau épurée dans le milieu naturel (trés souvent une rivière ou la mer). Elle rassemble une succession de dispositifs, empruntés tour à tour par les eaux usées. Chaque dispositif est conçu pour extraire au fur et à mesure les différents polluants contenus dans les eaux. L'élimination partielle ou totale de la charge polluante se fait généralement par traitement biologique, au besoin par traitement chimique pour les effluents industriels, souvent à la suite d'un  traitement biologique.


Les traitements biologiques  sont indispensables pour extraire des eaux usées les polluants dissous, essentiellement les matières organiques.
Ils utilisent l’action de micro-organismes capables d’absorber ces matières. La sélection naturelle des espèces et leur concentration dans un bassin permet d’accélérer et de contrôler un phénomène qui se produit communément en milieu naturel. Dans le cas des eaux usées urbaines, on favorise le développement de bactéries aérobies, c’est-à-dire, qui utilisent l’oxygène pour se développer. 


 Les différents types de stations  d'épuration dépendent du procédé d'épuration principal utilisé et des dispositifs mis en oeuvre. Pour traiter de grands volumes d'eaux usées, les plus répandues sont les stations à boues activées et les stations à biofiltres ou à  lits bactériens.  Les stations phusico-chimiques sont surtout utilisées pour épurer des eaux de sites industriels.

              

 

Les stations à boues activées



Les principales étapes sont les suivantes.


Principe de fonctionnement d'une station d'épuration à boues activées.


Principe des traitements dans une STEP à boues activées.




STEP à boues activées en milieu rural (à gauche le bassin d'aération, à droite le clarificateur). Les eaux traitées sont infiltrées dans les deux bassins d'infiltration (au fond, à droite).


   


Le relevage

On se sert de pompe de relevage pour le transport des eaux usées vers la station d'épuration, lorsque ces dernières arrivent à un niveau plus bas que les installations de dépollutions. On peut également trouver des vis d'Archimède.

Vis d’Archimède pour relevage

Les prétraitements

Les prétraitements servent à éliminer les éléments les plus grossiers, qui pourraient gêner les traitements ultérieurs et endommager les équipements. 

Le dégrillage consiste à faire passer les eaux usées au travers d’une grille dont les barreaux  retiennent les éléments les plus grossiers. Après nettoyage des grilles par des moyens mécaniques, manuels ou automatiques, les déchets sont évacués avec les ordures ménagères. Il peut être suivi d'un tamisage qui sépare les débris plus fins.


     

 

Dégrillage dans une petite station (500 équivalents habitants)  et une grande station (1 million  équivalents habitants).

 

Le dessablage débarrasse les eaux usées des sables par sédimentation.

Le dégraissage ( ou déshuilage) élimine la présence de graisses  qui pourraient gêner l'efficacité des traitements biologiques qui interviennent ensuite. Le dégraissage s'effectue par flottation.  Les graisses sont raclées à la surface, puis stockées avant d'être éliminées (mise en décharge ou incinération). Elles peuvent aussi faire l'objet d'un traitement biologique spécifique au sein de la station d'épuration.

On enlève ainsi de l’eau les éléments grossiers et les sables de dimension supérieure à 200 microns ainsi que 80 à 90 % des graisses et matières flottantes (soit 30 à 40 % des graisses totales).

      
Bassin de dessablage-dégraissage  et   décanteur lamellaire.


Le traitement biologique

Les principes de fonctionnement diffèrent suivant que l’objectif est de traiter le carbone ou le carbone et l’azote et/ou le phosphore : en pratique, il s’agit de permettre la sélection des espèces de bactéries capables soit de transformer le carbone en CO2, soit de transformer l’azote en nitrates puis les nitrates en azote gaz (N2), soit de stocker le phosphore. Les bactéries ne sont pas fixées sur un support mais elles sont dispersées dans l'eau usées: on parle de cultures libres.

L'élimination du carbone des matières organiques se fait dans un bassin d'aération.  Les bactéries se multiplient dans des bassins alimentés d’une part en eaux usées à traiter et d’autre part en oxygène par des apports d’air. Les bactéries, en suspension dans l’eau des bassins, sont donc en contact permanent avec les matières polluantes dont elles se nourrissent et avec l’oxygène nécessaire à leur assimilation. Elles transforment les matières organiques en CO2 et H2O. Elles forment des amas en suspension dans l'eau appelés "flocs" dont l'accumulation donne des boues.

Eau usée+ biomasse +O2  ---> Eau épurée + biomasse + CO2

   
Deux bassins d'aération

La clarification

La séparation de l’eau traitée et de la masse des bactéries (les « boues ») se fait dans un bassin  appelé "clarificateur".
Pour conserver un stock constant et suffisant de bactéries dans le bassin de boues activées, une  partie des boues extraites du clarificateur est renvoyée dans le bassin. L'autre partie de ces boues, correspondant à l’augmentation du stock  est évacuée du circuit des bassins d’aération et dirigée vers les unités de traitement des boues : cette fraction des boues constitue les « boues en excès ». 

   


Un clarificateur (STEP de Pierre Bénite, Sud de Lyon)


Le traitement de l'azote et du phosphore

Azote. L'azote est contenu principalement dans les protéines de la matière organique: le traitement biologique se fait par nitrification de l'ammoniaque en milieu aérobie puis réduction des nitrates en milieu anoxique qui sont transformés en azote gazeux.

Phosphore. Il est  apporté par les détergents industriels, les produits de nettoyage. La 
déphosphatation peut être faite par précipitation chimique des phosphates sous forme de phosphate de fer insoluble.


La désinfection

Dans certains cas, en particulier lors d'un rejet dans un milieu sensible, l'eau traitée passe devant des tubes à  U.V.  qui détruisent la fraction microbiolologique.


Les stations à biofiltres ou à lits bactériens

Le principe de ces procédés consiste à faire percoler l’eau à traiter à travers un matériau sur lequel se développent les bactéries qui constituent alors un biofilm sur ce support ("cultures fixées").

Le type de matériau varie suivant les procédés : 
• les lits bactériens utilisent des galets ou des supports alvéolaires,
• les biofiltres utilisent des matériaux de plus petite taille : des argiles cuites, des schistes, du polystyrène, des graviers ou des sables.

Les biofiltres permettent généralement des traitements plus intensifs et plus poussés que les lits bactériens classiques, plus rustiques dans leur conception et dans leur exploitation. L’avantage des biofiltres est de pouvoir traiter les matières polluantes carbonées et éventuellement azotées, dans un volume beaucoup plus faible que dans le cas de procédés à cultures libres, avec des rendements similaires, mais ils sont plus coûteux en investissement et plus délicats en fonctionnement


Les stations physico-chimiques 


Elles sont adaptées aux effluents industriels. Les traitements dépendent des caractères des eaux produites.  
En particulier les particules dispersées sont agglomérées par adjonction d’agents coagulants et floculants (sels de fer ou d’alumine, chaux...). Les amas de particules ainsi formés, ou “flocs”, sont ensuite séparés de l’eau par décantation ou par flottation.




2.3 Autres procédés d'épuration


Ce sont des dispositifs plus simples qui utilisent le pouvoir d'épuration des milieux naturels mais qui ne peuvent être utilisés que pour des volume d'eau usées faibles et des surfaces d'installation plus importantes. Ils sont bien adaptés aux petites aglomération rurales.


le lagunage

Les lagunes sont constituées de plans d’eau peu profonds, en général au nombre de trois. L’apport d’oxygène naturel, par échange avec l’atmosphère ou par photosynthèse des algues de surface, peut être complété exceptionnellement par des aérateurs pour stimuler l’activité biologique et diminuer les surfaces. Les bassins de traitement des eaux brutes éliminent essentiellement les polluants carbonés. Les bassins suivants, dits d’affinage (eau déjà traitée), peuvent en outre permettre l’élimination des contaminants biologiques par l’action du rayonnement solaire.

Le lagunage est en fort développement  dans les petites agglomérations, en raison de sa rusticité et de performances d'épuration honorables. Elles sont préférées pour des charge de pollution inférieure à 2 000 équivalents-habitants quand l'espace est disponible. En effet, elle demande une surface au sol de 15 m2 par habitant. Ainsi, le procédé de lagunage convient moins bien aux communes plus grandes en raison de surfaces nécessaires de bassin très importantes.

Les lagunes présentent l’inconvénient d’occuper des surfaces très importantes et d’avoir des performances très variables en fonction des conditions climatiques. Elles ont l’avantage d’être rustiques et peu coûteuses en fonctionnement, et de s’intégrer assez harmonieusement dans le paysage.



une station de lagunage

Les filtres plantés de roseaux

Ce procédé consiste à faire circuler gravitairement les effluents domestiques au fil de bassins successifs aménagés en paliers, dans lesquels on a pris soin de créer un milieu extrêmement favorable à l’activité épuratoire, grâce à des minéraux et des végétaux.

Le premier filtre joue le rôle de décanteur. Les matières en suspension retenues sont déshydratées et compostées sur place. Le résidu est transformé en terreau qui s’accumule très lentement sur la surface des filtres. 
Au deuxième étage, le traitement de la matière organique dissoute se poursuit. Au troisième étage une recirculation des eaux permet, le cas échéant, d’effectuer un traitement tertiaire de finition.


Principe d'une station à filtres plantés de roseaux.





3. Les boues d’épuration


Le traitement des eaux usées en station d'épuration produit une eau épurée, rejetée dans le  milieunaturel, et un concentrat désigné sous le terme de "boues" ou "boues résiduaires".

Les boues physico-chimiques sont produites dans les stations physico-chimiques. Les floculants minéraux ajoutés participent pour une part importante à la quantité de boues produites.

Les boues dites primaires résultent de la simple décantation des matières en suspension contenues dans les eaux usées brutes. Elle ne sont pas stabilisées. 

Les boues secondaires sont formées à partir de la charge polluante dissoute utilisée par les cultures bactériennes libres ou fixées en présence d'oxygène (aération de surface ou insufflation d'air).

Les lagunes produisent des "boues de lagunage". Les boues s'accumulant peu à peu au fond des bassins sont curées annuellement, ou tous les deux ans, dans la première zone d'accumulation des dépôts, et une fois tous les cinq ou dix ans pour les autres bassins.

Donc, en parallèle du circuit de traitement de l'eau, les usines de dépollution comportent également une chaîne de traitement des boues. Le but du traitement des boues est de stabiliser ces boues (les rendre inertes) par un moyen qui peut-être physico-chimique avec par exemple de la chaux, ou biologique en laissant séjourner la boues dans des "digesteurs" (gros stockeur chauffé et brassé en anaérobie). Le traitement comprenant ensuite des ouvrages de décantation (on parle alors d'épaississement), de stockage et de déshydratation (presse, filtre-presse, centrifugeuse), voire de séchage, la valorisation en biogaz, ou même d'incinération. Les métaux en solution dans l'eau peuvent être neutralisés : en faisant varier le pH de l'eau dans certaines plages, on obtient une décantation de ces polluants. La digestion des boues produit du méthane (CH4), communément appelé gaz de ville, qui lorsqu'il est produit en assez grande quantité est utilisé comme énergie (production électrique, chaudière, etc.), et de l'hydrogène sulfuré (H2S), qui peut provoquer des asphyxies en milieu confiné.

Lorsque les boues d'épuration sont exemptes de produits toxiques, on peut les recycler en agriculture moyennant un conditionnement propre à faciliter leur manutention et leur entreposage sur site (traitement à la chaux). Lorsqu'elles sont polluées, il est nécessaire de les mettre en décharge. Une solution élégante pour les collectivités locales est de les composter avec les déchets verts ou de réaliser une méthanisation pour produire du biogaz. Selon les pays, les filières d'élimination peuvent varier. En Suisse la seule filière autorisée maintenant est l'élimination thermique (usines d'incinération des ordures ménagères, cimenteries).



Un four pour l'incinération des boues de station
 (STEP de Pierre Bénite, Sud de Lyon).


Une armoire d'autocontrôle






4. Le contrôle de l'exploitation
 
          

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Le suivi du bon fonctionnement de la station d'épuration est fait d'abord par l'exploitant lui-même (autocontrôle) qui porte sur le
 fonctionnement des différentes unités et leurs dysfonctionnements éventuels, la mesure du rejet de pollution en sortie et le calcul du rendement de dépollution. L'exploitant peut bénéficier de l'aide et des conseils d'un organisme publique (en France le SATESE).

Des contrôles sont faits régulièrement par un organisme indépendant qui vérifie le respect des normes de rejet.

 





5. Taux de collecte, rendement et taux de dépollution

Le taux de collecte
C'est le rapport entre la pollution, raccordée au réseau, et la pollution produite par les agglomérations.
La pollution est exprimée en tonnes de matières oxydables par jour, selon la formule suivante : 
MO = 1/3 (1 DCO + 2 DBO 5)                               
Une part importante peut ne pas être raccordée au réseau ou ne pas arriver à la station (mauvais branchements, mauvais état des réseaux...).
Exemples (Agence Adour Garonne): Taux de collecte 67 %

C'est le premier indicateur d'élimination des pollutions.

Rendement. 
C'est le pourcentage d'abattement des différents paramètres de pollution. La réglementation européenne fixe des seuils minima de rendement mais ces seuils peuvent évidemment être dépassés.

matières organiques 79 %
matières en suspension 84 %
azote 45 %
phosphore 45 %

Le principal paramètre est celui des matières organiques.

Taux de dépollution
C'est le produit du taux de collecte par le rendement, calculé sur les matières organiques.
Soitpour l'Agence Adour Garonne:  67 % X 79 % = 0,53 soit 53 %.


 

Unités

matières en suspension (MES) : matières minérales ou organiques non dissoutes

mg/l

matières organiques présentes sous forme particulaire et dissoute. 
On les mesure indirectement par :

 

 demande biochimique en oxygène (DBO)

mg O2/l

la demande chimique en oxygène (DCO)

mg O2/l

l’azote et le phosphore

mg N ou mg P/l

contaminants biologiques :
bactéries, virus, parasites

nombre/ml ou
npp ou nppuc
(nombre le plus probable d’unités cytopathiques)


Unités de mesure  de l'eau en sortie de STEP


6. La réutilisation des eaux usées


Réutiliser les eaux usées d'une collectivité consiste à récupérer les eaux d'égout, les traiter dans une station d'épuration, les stocker et, enfin, les utiliser pour des usages variés : en milieu urbain (arrosage des parcs publics, espaces verts, terrains de sport, alimentation des pièces d'eau et fontaines, arrosage des jardins privés, chasses des toilettes, lavage des véhicules, lavage des rues, circuit incendie, ...), industriel (eau de refroidissement, eau de procédé ...), agricole (irrigation de cultures diverses, maraîchages, arbres fruitiers, céréales, fourrages, pâturages, cultures industrielles, forêts) et souterrain (recharge de nappe souterraine). Ces usages n'exigent pas de l'eau potable. Cependant la recharge de nappe souterraine revient, le plus souvent, à réutiliser indirectement des eaux usées pour produire de l'eau potable. On connaît un unique exemple de production directe d'eau potable à partir d'eaux usées ; il s'agit de Windhoek, capitale de la Namibie.

 

La réutilisation des eaux usées (REU) est une pratique très répandue dans les régions du monde affectées par des pénuries de ressources en eau. Elle est, par exemple, très développée aux Etats-Unis, mais aussi en Asie et dans les pays du Golfe Persique. Le bassin méditerranéen est l'une des régions du Monde où la réutilisation agricole des eaux usées urbaines est la plus pratiquée. Elle est largement systématisée en Israël. La Tunisie et Chypre ont également une politique nationale de réutilisation. Il en est de même à. L'Espagne et l'Italie sont les deux pays européens dans lesquels la réutilisation se développe le plus rapidement, soit sous la forme de réalisations nouvelles soit par la mise en conformité de pratiques anciennes fort répandues qui consistaient tout simplement à irriguer avec des eaux usées non traitées..


Une mise au point actualisée de l'utilisation des eaux usées pour l'agriculture dans le monde est consultable sur le site suivant:

http://www.iwmi.cgiar.org/SWW2008/

On trouvera l'état du recyclage des eaux usées en Europe et en France dans la revue HYDROPLUS de novembre 2008.


REFERENCES



ADEME - Fiche technique assainissement


Agence de l'eau Artois-Picardie - Guide de l'assainissement des communes rurales.


Cygler C. (2008) - Traitement des eaux usées. Prêts pour le recyclage? Hydroplus, 184, p. 36-42.

Google Earth earth.google.fr

Grand Lyon - Pierre-Bénite, une station d'épuration pleine de ressources.


O.N.U.  - Assainissement : orientations possibles et mesures envisagées pour accélérer les progrès dans le cadre du module thématique
Nations Unies E/CN.17/2005/3 Conseil économique et social, Distr. générale 10 décembre 2004.




http://www.eau-artois-picardie.fr/IMG/pdf/guidedelassainissementcommunesrurales.pdf

http://www.siarv.fr/Images/Upload/guide_assainissement.pdf

http://www.carteleau.org/guide/assainissement.htm

http://www.senat.fr/rap/l02-215-1/l02-215-161.html
http://www.wikipedia.org
http://www.iwmi.cgiar.org/SWW2008/
mise à jour: décembre 2008

Jacques Beauchamp



 

STEP de Pierre-Bénite (aglomération de Lyon)

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