Bilan de 10 années d'observations de fosses septiques Eparco alimentées par des eaux usées domestiques

Les effluents traités par ces fosses proviennent d’un lotissement de villas se situant à proximité de la plateforme. Ces effluents ont des concentrations moyennes de 281 mg/l en MES et 720 mg/l en DCO, valeurs caractéristiques d’un effluent domestique. Les charges moyennes hydrauliques et organiques appliquées pendant les dix ans étaient respectivement de 1,92 m³/j et 1 304 g DCO/j, soit de l’ordre de 11 EH par fosse. Le suivi des effluents traités montre que chaque fosse élimine en moyenne 74 % des matières en suspension et 52 % de la DCO. Les valeurs moyennes en sortie sont de 70 mg/l en MES et de 281 mg/l en DCO. Ces rendements ne sont pas dépendants des variations de débit ou de hauteur de boues dans les limites normales de fonctionnement, le dimensionnement des fosses en tant que décanteur étant très sécuritaire. L’accumulation des boues conduit à des taux d’accumulation inférieurs à 0,1 l/j.EH après trois ans de fonctionnement. Ces valeurs sont permises grâce à la digestion anaérobie (50 ml de CH₄ produits par litre de boue et par jour) qui peut compenser les apports de matières solides biodégradables. De ce fait, les intervalles de vidange régulés par un détecteur de niveau de boues peuvent avoisiner les 25 ans pour trois personnes. Cet article a pour but de faire le point sur le comportement et les performances épuratoires de fosses Eparco de 5 m³ après dix ans de fonctionnement et de suivi sur une plateforme expérimentale alimentée par des effluents strictement domestiques. Il est en effet primordial, dans les études concernant l’assainissement non collectif, de faire des suivis de longue durée dans des conditions parfaitement contrôlées et mesurées, ce qui est difficilement réalisable sur le terrain. Le facteur temps est d’autant plus important à prendre en compte que, pour les installations en service réel, l'intervalle entre deux contrôles réglementaires peut désormais atteindre dix ans. Il est également primordial de réaliser des suivis sur des fonctionnements mettant en jeu des effluents purement domestiques issus d’habitations individuelles via un réseau court. C’est en effet la condition essentielle pour disposer d’effluents frais, dont la concentration en matières organiques n’est pas diminuée par des eaux parasites et dont la décantabilité des matières solides n’a pas été altérée par des fermentations dans un réseau trop long et/ou par de nombreux pompages successifs. Cette condition est d’autant plus critique que l’on étudie une étape de prétraitement dans laquelle la décantation joue le rôle principal. Matériels et méthodes Présentation de la plateforme La plateforme du centre de recherche Eparco à Mèze (voir figure 1) est en activité depuis 1989. Elle est reliée à un lotissement voisin composé de quatorze villas. Six filières d’assainissement comprenant chacune une fosse de 5 000 L en tête y sont en service depuis dix ans (mars 2001). Les fosses sont alimentées par un système de distribution automatisé qui assure l’équarrissage des effluents entre elles. L'ensemble est relié à un système de télémesure en continu (débit, température, redox, pH) et les laboratoires attenants à la plateforme sont équipés de matériels d’analyse (chromatographie ionique, carbone organique total, chromatographie en phase gazeuse…) permettant de traiter jusqu’à cinquante échantillons d’eaux usées ou de boues par jour. Présentation de la fosse Eparco de 5 000 L Une fosse toutes eaux assure le traitement primaire d’un effluent domestique dans un système d’assainissement autonome. Elle remplit deux fonctions : - une fonction physique : il s’agit d'une séparation gravitaire des particules solides entre flottaison (formation d’un chapeau) et sédimentation (formation d'un lit de boues) ; - une fonction biologique : la liquéfaction des matières solides retenues dans la fosse, qui s’accompagne d'une production de gaz par digestion anaérobie. La décantation suivie d'une digestion de la matière solide permet une réduction de la charge polluante organique et une protection des systèmes de traitement en aval. Le dimensionnement et les caractéristiques techniques d’une fosse doivent répondre à plusieurs impératifs : bonne décantation, absence de chemins préférentiels, turbulences limitées afin d’éviter une remise en suspension des matières décantées. Il faut également éviter le départ du chapeau constitué de matières flottantes, graisses et boues allégées par des gaz. La décantation dépend de la surface utile en plan, les surfaces utilisées pour les systèmes d’entrée et de sortie n’étant pas prises en compte. Le rapport entre le débit entrant et la surface de décantation détermine la vitesse ascensionnelle des effluents (ou vitesse de Hazen) selon le rapport Q/S = Va. Pour améliorer la décantation, il faut donc réduire la vitesse et augmenter la surface utile du décanteur et non simplement son volume. Il en résulte également que le rendement du décanteur est indépendant de la hauteur des boues (dans la limite où celles-ci n’atteignent pas le système de sortie). C'est sur la base de ces règles de dimensionnement des décanteurs que la fosse Eparco de 5 m³ a été conçue. Elle comporte une zone d’entrée, limitée par un déflecteur, où se dissipent les turbulences, une zone de sortie constituée par un système de départ siphoné et, entre les deux, un compartiment de décantation. Une zone de décantation. Le schéma de cette fosse est présenté dans la figure 3. La fosse possède les dimensions et les caractéristiques suivantes (tableau 1). Tableau 1 : Caractéristiques de la fosse Eparco standard Volume (m³) : 5 Matériau : Composite polyester / fibre de verre Longueur (m) : 3,00 Largeur (m) : 2,03 Poids (kg) : 250 Hauteur sous couvercle (m) : 1,52 Hauteur fil d’eau entrée (m) : 1,14 Hauteur fil d’eau sortie (m) : 1,09 Surface utile de décantation (m²) : 2,75 La fosse Eparco comporte en standard un détecteur de niveau de boue (DNB) qui effectue un contrôle permanent par rapport à un niveau d’alerte situé sous le système de sortie. Ce système permet tout à la fois de sécuriser le fonctionnement de la filière et d’ajuster automatiquement la fréquence d’entretien au volume réel de boues accumulées par la fosse. Le préfiltre n’est donc plus utile et les opérations d’entretien qu’il demande sont évitées (nettoyage une fois par an selon les documentations des fabricants). Il faut noter que pour les essais en plateforme, ce n’est plus un niveau d’alerte qui est surveillé, mais la hauteur des boues qui est suivie en plusieurs points de chaque fosse, grâce à un détecteur portable. Analyses La caractérisation du fonctionnement des fosses sur la plateforme est assurée par des mesures sur les eaux usées brutes à l’entrée des systèmes (donc après le poste de pompage), sur les eaux usées prétraitées à la sortie des fosses, et sur les matières (boues) accumulées dans les fosses. Les volumes envoyés sur chaque filière sont mesurés et enregistrés quotidiennement. Les effluents en entrée et en sortie de fosse sont analysés suivant de nombreux paramètres : Matières En Suspension (MES), Demande Chimique en Oxygène (DCO), Demande Biochimique en Oxygène (DBO₅), paramètres azotés (ammonium, azote Kjeldahl), paramètres phosphorés (orthophosphates, P total), Carbone Organique Total (COT), température, etc. Dans ce document, seules les variations des paramètres MES et DCO sont abordées. Les protocoles de mesures et d’analyse sont en accord avec les normes AFNOR : NF T 90-105 pour les MES et NF T 90-101 pour la DCO. Les boues sont également analysées selon de nombreux paramètres : hauteur, MS, MVS, production de méthane (CH₄) à 20 °C, AGV, pH, redox, DCO. Dans ce document, seules les variations des paramètres hauteur et CH₄ sont abordées. Résultats et interprétation Caractérisation des effluents bruts en entrée de plateforme de Mèze La figure 4 donne les variations des concentrations en MES et en DCO sur la plateforme accompagnées des débits entrants. Les valeurs de MES s’échelonnent entre 100 et 500 mg/l avec quelques valeurs supérieures et donnent une moyenne de 281 mg/l. Les valeurs de DCO sont comprises entre 200 et 2 000 mg O₂/l pour une moyenne de 720 mg/l qui peut être considérée comme parfaitement représentative de la concentration d’un effluent domestique. Les débits entrants sur chaque filière s’échelonnent entre 1 et 3 m³/j avec des pointes exceptionnelles (dues à des incidents sur le réseau d’alimentation en eau potable du lotissement) jusqu’à 10 m³/j. Les caractéristiques des eaux brutes et des charges hydrauliques et organiques reçues par chaque filière sont résumées dans le tableau 2, basé sur 3 553 prélèvements différents. Tableau 2 : Caractéristiques des effluents domestiques en entrée de filière de traitement MES (mg/l) – Moyenne : 281 ; Écart type : 118 DCO (mgO₂/l) – Moyenne : 720 ; Écart type : 219 Débit entrant (m³/j) – Moyenne : 1,92 ; Écart type : 1,53 Charges (g DCO/j) – Moyenne : 1 304 ; Écart type : 782 La charge hydraulique moyenne par fosse de 5 000 L est de 1,92 m³/j. Chaque fosse a fonctionné à 256 % du nominal en moyenne, et au minimum à 175 % du nominal pendant plus de 90 % du temps, avec des pointes à 530 % du nominal pendant deux fois quatre jours.

Tableau 3 : Comparaison des concentrations et des charges lors des études Eparco et Veolia

	Plateforme EPARCO		Plateforme CSTB/Veolia
	Moyenne (mg/l)	Écart type	Moyenne (mg/l)	Écart type
DCO	720	219	615	314
MES	281	118	302	213
Charge organique moyenne (g DCO/j)	1304	–	–	–
Charge hydraulique moyenne (m³/j)	1,924	0,884	–	–

Remarque : 90 % du temps à 175 % du nominal 70 % du temps à environ 100 % du nominal

Ces charges sont nettement supérieures au dimensionnement d’application des fosses, qui est de 1,35 m³/j en hydraulique (soit 9 EH à raison de 0,15 m³/EH).

On peut noter qu’au cours de ces dix ans d’études, les charges moyennes organiques et hydrauliques ont été plus de deux fois plus élevées que celles adoptées sur la plateforme du CSTB de Nantes (voir tableau 3) lors de l’étude en conditions sollicitantes Veolia/CSTB publiée en 2009 [ref]. On peut donc parler ici de « conditions très sollicitantes ».

Lors des dix années d’étude sur la plateforme de Mèze, l’effluent domestique brut a pour ratio C/N/P de 100/7/0,5, caractérisant ainsi un effluent non carencé en azote et phosphore.

Performances de prétraitement

Les performances des fosses sont basées ici sur l’abattement des MES et de la DCO. Les concentrations en sortie de fosse sont données dans le tableau 4, avec les écarts-types et les rendements moyens.

En moyenne, l’effluent prétraité a une concentration en MES de 70 mg/l et en DCO de 281 mg/l. Les abattements calculés sur ces paramètres en moyenne des six fosses sont respectivement de 74 % et 52 %. Pour ces six fosses, le 40 % d’abattement théorique en pollution organique classiquement admis est dépassé, et va même jusqu’à 57 % pour la fosse 4. Ces performances d’abattement sont très importantes, car elles permettent au filtre situé en aval de recevoir moins de charge organique et procurent ainsi un facteur de sécurité complémentaire.

Tableau 4 : Caractéristiques des effluents domestiques en sortie de fosse et abattements en MES et DCO

	MES			DCO
	Moyenne sortie (mg/l)	Écart type	Moyenne abattement (%)	Moyenne sortie (mg/l)	Écart type	Moyenne abattement (%)
Fosse 1	73	47	74,4 %	305	155	54 %
Fosse 2	72	57	74,2 %	330	140	46 %
Fosse 3	69	41	74,2 %	251	65	65 %
Fosse 4	63	34	75,2 %	198	53	57 %
Fosse 5	75	39	73,0 %	320	141	52 %
Fosse 6	67	41	74,7 %	145	126	52 %
Moyenne	70	43	74,2 %	281	148	52 %

Les courbes percentiles de la figure 6 donnent les valeurs des MES et de la DCO en sortie des six fosses sur la figure 5 ci-dessous. En prenant comme valeur de référence à ne pas dépasser 120 mg/l en MES et 480 mg/l en DCO en sortie de fosse, plus de 95 % des valeurs mesurées de MES, et plus de 81 % des valeurs mesurées de DCO satisfont ces seuils.

D’après ces courbes, très peu de « pointes » en sortie sont notées. Pour les MES, seulement deux valeurs sur 10 ans et sur 6 fosses, supérieures à 400 mg/l, sont observées lors de pointes de débit exceptionnelles. Il n’y a donc eu aucun relargage en continu de la fosse.

Influence des débits sur les performances de prétraitement

La question qui se pose est celle de l’influence du débit reçu par les fosses sur le taux de MES en sortie. Pour y répondre, la régression linéaire entre ce taux de MES et les débits entrants a été calculée à partir des 3553 couples de valeurs : le coefficient de détermination R² est égal à 0,1. Il n’y a donc aucune relation entre le taux de MES et le débit dans les limites pourtant larges explorées. Ce résultat est normal si on se réfère à la théorie des décanteurs vue plus haut : avec une surface utile pour la décantation de 2,75 m² et en prenant une vitesse de Hazen de 1 m/h (chiffre classique en décantation primaire), on voit que chaque fosse peut admettre 66 m³/j en débit continu, or les débits reçus ne dépassent pas 10 m³/j, ce qui laisse une grande marge pour accepter les pointes journalières.

Conclusion sur les performances des fosses Eparco

Les fosses Eparco ont d’excellentes perfor-

performances épuratoires d'un point de vue élimination des MES et de la DCO. Le dimensionnement de la fonction de décantation selon les règles du génie des procédés et la conception particulière associée permettent un abattement des MES de 74 %, ce qui correspond aux meilleures performances pouvant être obtenues en décantation des eaux usées domestiques brutes. Cette performance n'est pas sous la dépendance du débit dans le cadre de l'ANC, la capacité de décantation étant largement surdimensionnée. De plus, l’abattement de la DCO (en moyenne 439 mg/l) est bien plus élevé que ce que laisse attendre le simple abattement des MES (211 mg/l). Cela signifie que la fosse Eparco se comporte comme un véritable réacteur d’épuration, et pas seulement comme un simple décanteur.

Accumulation des boues dans les fosses

Les hauteurs de boues ont été mesurées tout au long du suivi des rendements épuratoires.

La figure 6 montre l’évolution des hauteurs de boues dans les fosses n° 4, 5, 6, la droite orange symbolisant la date de vidange partielle des trois fosses. Les autres fosses ont été vidangées plus précocement en fonction d’expérimentations parallèles et leurs valeurs n’ont pas d’utilité ici.

Ces fosses 4, 5 et 6 ont été « poussées » au-delà des limites classiquement admises de hauteur de boues (soit au-delà de 50 % de la hauteur utile) pour mesurer l’impact d’une très forte hauteur de boues sur les performances des fosses (là encore, on se situe en « conditions très sollicitantes »).

Les hauteurs de boues de ces trois fosses ont atteint plus de 70 cm, ce qui représente environ 62 % du remplissage total. Il faut noter que ces hauteurs sont des moyennes entre la zone d’entrée et la zone de sortie et que les boues s’accumulent sur plus d’épaisseur en tête de fosse qu’à l’opposé. Ainsi, malgré ces hauteurs élevées le système de sortie peut rester hors des boues.

Influence de la hauteur des boues sur les performances de prétraitement

Comme pour les débits, il faut analyser l’influence de la hauteur des boues sur le taux de MES en sortie. La régression linéaire a été calculée sur 116 couples de valeurs. La valeur du R² est inférieure à 0,1, ce qui veut dire que dans les limites explorées il n’y a absolument aucune relation entre la hauteur des boues et le taux de MES dans l’effluent prétraité. La théorie des décanteurs se vérifie ici aussi : la hauteur du lit de boue n’a pas d’incidence sur le taux de MES en sortie.

Évolution du taux d’accumulation des boues

Le taux d’accumulation de boues dans une fosse peut être calculé comme le rapport entre le volume total de boues divisé par le nombre d’EH et par le nombre de jours de fonctionnement depuis la mise en service (ou depuis la dernière vidange). L’évolution de ce taux moyen pour les fosses Eparco suivies sur la plate-forme est donnée dans la figure 7.

Ce taux moyen évolue rapidement en fonction du temps. Il descend de 0,6 l/EH/j après six mois de fonctionnement à 0,10 l/EH/j après trois ans de fonctionnement. Il se stabilise ensuite et un palier est observé à 0,08 l/EH/j.

Dans la fosse septique toutes eaux, la diminution du taux d’accumulation des boues au cours du temps est à mettre en relation avec les phénomènes biologiques qui se mettent en place au cours du temps : l’hydrolyse et la méthanisation.

Ce taux moyen de 0,08 l/EH/j est le résultat de mesures ayant une certaine dispersion (écart-type de 0,01 l/EH/j sur les quatrième, cinquième et sixième années) et, d’un point de vue statistique, on peut définir la valeur à prendre en compte qui couvrirait 97,5 % des cas (moyenne plus deux fois l’écart-type) : elle est de 0,1 l/EH/j. Sur cette base, on peut calculer qu’une fosse de 5 m³ recevant les effluents de neuf personnes devrait être vidangée.

Tableau 5 : grille indicative des intervalles de vidange

EH	3	4	5	6	7	8	9
Intervalle de vidange (années)	22,8	17,1	13,7	11,4	9,8	8,6	7,6

...gée tous les 7 à 8 ans, et la même fosse recevant les effluents de 3 personnes seule- ment tous les 23 ans !

Le tableau n° 5 donne une grille indicative pour les intervalles de vidange dans une fosse Eparco de 5 m³ en fonction du nom- bre d’EH.

Incidence de la digestion anaérobie

Les prélèvements de boues effectués sur les fosses au long du suivi montrent une production de gaz méthane, qui se stabilise à 50 ml par litre de boues et par jour après 3 ans de fonctionnement.

Le biogaz d'une fosse étant composé de 40 % de CO₂ et 60 % de méthane on peut évaluer les pertes gazeuses de matière dans une fosse qui contient 2000 litres de boues par exemple : elles sont de 202,4 g par jour. À titre de comparaison, la quantité de matières solides retenues par jour et par EH du fait de la décantation est de l’ordre de 35 g par jour.

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La digestion anaérobie peut donc com- penser les apports de 5 personnes au moins et il est donc normal de trouver à terme des taux d’accumulation extrêmement bas, conduisant à de très grands intervalles de vidange. En théorie, dans une fosse largement dimensionnée (5 m³ pour 3 à 4 personnes) l’accumulation pourrait être réduite à la part solide non biodégradable des eaux usées (sables, limons, pépins, lig- nine, poils et cheveux...). Dans la réalité, ce phénomène de digestion anaérobie peut être dégradé par des rejets inhibiteurs ou toxiques, ou bien saisonnièrement par des températures trop basses. Ces perturba- tions possibles, et l’ignorance de la charge réellement reçue par une fosse sur le ter- rain, justifient le recours à un contrôle des fosses par DNB permanent.

Conclusion

La plateforme Eparco permet d’alimenter le matériel d’ANC en test avec un effluent

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dont les caractéristiques chimiques (DCO) et physiques (MES décantables) sont typi- ques d’un effluent domestique issu d’une maison individuelle.

Les fosses Eparco ont montré des per- formances de décantation très élevées, accompagnées d'une réduction plus que proportionnelle de la charge organique grâce au phénomène de digestion anaéro- bie. Ces performances sont régies par les principes du génie des procédés et ne sont pas sous la dépendance des variations de débit ou de hauteur de boues dans les limi- tes d'une utilisation normale.

Les taux d’accumulation des boues atteignent des valeurs très basses car la digestion anaérobie peut compenser les apports de matières biodégradables dans la majorité des cas.

De ce fait, les intervalles de vidanges d'une fosse Eparco seront le plus souvent trois fois plus importants que les valeurs clas- siquement retenues.

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