Pendant près de 4 ans sur la plateforme du Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) à Nantes, Veolia Eau et ses partenaires ont étudié les performances de 8 petites installations d'assainissement domestique dans des conditions d'alimentation en eaux usées variables selon les périodes. La fosse septique est une unité de traitement indispensable pour ces petites installations d'assainissement. Elle permet un traitement primaire des eaux usées brutes. La présente publication a pour but de comparer les performances des différentes fosses utilisées sur les filières de Nantes afin de tirer des informations sur leur comportement, leurs performances, leurs limites. Ces comparaisons entre ces six fosses ont prouvé que malgré des alimentations similaires pour toutes, des comportements très différents pouvaient être observés selon les périodes. Ces travaux sur la plateforme du CSTB de Nantes ont le mérite d'attirer notre attention sur la réalité que selon la fosse septique choisie, le traitement secondaire biologique qui suit n?aura pas à faire face aux mêmes contraintes pour satisfaire aux exigences environnementales.
Ces comparaisons entre ces six fosses ont prouvé que, malgré des alimentations similaires pour toutes, des comportements très différents pouvaient être observés selon les périodes. Ces travaux sur la plateforme du CSTB de Nantes ont le mérite d’attirer notre attention sur la réalité que, selon la fosse septique choisie, le traitement secondaire biologique qui suit n’aura pas à faire face aux mêmes contraintes pour satisfaire aux exigences environnementales.
…tée par un réseau d’assainissement collectant les eaux usées domestiques d’un quartier de Nantes. L’alimentation des filières a été réalisée selon un régime hydraulique et de pollution se voulant représentatif de la réalité d’une maison individuelle : 150 L/j/hab, 60 g DBO5/j/EH, un profil hydraulique journalier calqué sur celui de la norme EN 12566 partie 3+A1, une surcharge hydrauli…
Pendant près de 4 ans sur la plateforme du Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) à Nantes, Veolia Eau et ses partenaires ont étudié les performances de 8 petites installations d’assainissement domestique dans des conditions d’alimentation en eaux usées variables selon les périodes. La plateforme de test du CSTB est alimen…
Tableau 1 : Le Protocole en Conditions Sollicitantes
| 1 – Ensemencement des dispositifs avec une charge hydraulique et polluante nominale (100 %) : 4 semaines |
| 2 – Obtention du régime permanent : 4 semaines |
| 3 – Fonctionnement & charge nominale (100 %) : 8 semaines |
| 4 – Fonctionnement nominal (100 %) hors 3 jours de fin de semaine & 200 % : 4 semaines |
| 5 – Fonctionnement & 200 % du nominal : 3 semaines |
| 6 – Arrêt de l’alimentation : 3 semaines |
| 7 – Fonctionnement nominal (100 %) hors 3 jours de fin de semaine & 200 % : 2 semaines |
| 8 – Fonctionnement en charge nominale : 4 semaines |
| 9 – Fonctionnement & demi-charge nominale (50 %) : 2 semaines |
| 10 – Fonctionnement & charge nominale (100 %) avec une simulation de 3 pannes électriques de 24 h espacées de 48 h en début de semaine : 3 semaines |
Tableau 2 : récapitulatif des différentes phases d’alimentation des filières de janvier 2006 à août 2010
| Phases | Abréviations | Périodes |
|---|---|---|
| Protocole en Conditions Sollicitantes® (séquences 1 à 10) | Phase 1 - PCS® | 30/01/06 - 03/11/06 |
| Modulations de charges (100, 120 et 200 % hydraulique) | Phase 2 | 13/11/06 - 29/06/08 |
| Phase de surcharge à 240 % | Surcharge 240 % | 30/06/08 - 05/10/08 |
| Partie centrale du Protocole en Conditions Sollicitantes® (bis) (séquences 3 à 7) | PCS® bis | 06/10/08 - 25/01/09 |
| Phase d'alimentation en eaux artificielles | Eaux artificielles | 05/02/09 - 12/03/09 |
| Phase d'application de produits toxiques | Toxiques | 15/03/09 - 17/04/09 |
| Alimentation 100 % hydraulique | Phase 4 | 18/04/09 - 07/03/10 |
| Partie centrale du Protocole en Conditions Sollicitantes® (ter) (séquences 3 à 7) | PCS® ter | 08/03/10 - 30/06/10 |
| Alimentation finale 100 % sans analyse | Phase 5 | 01/07/10 - 31/08/10 |
que simulée par une vidange de baignoire, des surcharges de week-ends ou simulant des vacances, etc. Le protocole en conditions sollicitantes® a été créé par Veolia Eau, et a pour objectif de reproduire les rejets qu'une maison individuelle desservie en assainissement non collectif posséderait. Ce protocole est décrit dans le tableau 1, et a été appliqué à trois reprises, et pour la première année entre janvier et novembre 2006.
À la suite de ce protocole, d'autres programmes d’alimentation des filières de Nantes ont été appliqués avec des modulations de charges hydrauliques et organiques, puis la reproduction du protocole en conditions sollicitantes®, puis des conditions particulières comme l'injection de produits chimiques toxiques et le fonctionnement avec des eaux usées artificielles recréées. En avril 2009, 5 des 8 filières ont été démontées, et les 3 restantes (n° 5, n° 6 et n° 8) ont été alimentées à 100 % hydraulique jusqu’en février 2010 puis ont reçu une troisième fois le protocole en conditions sollicitantes® avant d’être à leur tour démontées en septembre 2010.
L'ensemble de ces séquences d’alimentation a pour but de tester les limites de fonctionnement des filières en leur appliquant des charges organiques et des débits hydrauliques plus élevés que ce que le protocole de marquage CE (norme EN 12566 partie 3+A1) impose. Le tableau 2 présente les différentes phases appliquées sur les filières, accompagnées de leur durée d’application tout au long de cette étude.
La fosse septique est une unité de traitement indispensable pour ces petites installations d’assainissement. Elle permet un traitement primaire des eaux usées brutes. Elle assure deux fonctions : une fonction physique de rétention des matières solides, et une fonction biologique de liquéfaction des matières solides retenues dans la fosse. Elle produit alors du biogaz par méthanisation. La présente publication a pour but de comparer les performances des différentes fosses utilisées sur les filières de Nantes afin de tirer des informations sur leur comportement, leurs performances, leurs limites.
Six fosses ont ainsi été utilisées en amont des six massifs filtrants, fosses qui se différencient par leurs volumes, leurs matériaux de conception ou leurs formes. Les caractéristiques des fosses sont résumées dans le tableau 3.
Tableau 3 : Les fosses septiques de l’étude
Tableau 4 : Moyennes des concentrations de l'eau usée d’entrée pour chaque phase
| Entrée | MES (mg/l) | DCO totale (mgO₂/l) | DCO soluble (mgO₂/l) | N-NH₄⁺ (mgN/l) |
|---|---|---|---|---|
| Moyenne globale (2006-2010) | 332 | 660 | 195 | 47 |
| Moyenne phase 1 – PCS® | 313 | 679 | 248 | 45 |
| Moyenne phase 2 | 370 | 681 | 188 | 45 |
| Moyenne surcharge 240 % | 175 | 449 | 197 | 51 |
| Moyenne PCS® bis | 346 | 679 | 196 | 51 |
| Moyenne eaux artificielles | 396 | 656 | 217 | 44 |
| Moyenne toxiques | 387 | 887 | 176 | 46 |
| Moyenne phase 4 | 249 | 561 | 151 | 50 |
| Moyenne PCS® ter | 334 | 617 | 168 | 51 |
Il faut noter une particularité de la filière n° 7 qui recircule 2/3 des eaux traitées dans la fosse septique. La fosse reçoit donc un débit correspondant à 100 % des eaux usées brutes et 65 % des eaux usées traitées. Ce régime de recirculation est constant et soumis aux surcharges des différentes phases d'alimentation de l'étude.
Matériel et méthodes
Les performances épuratoires des fosses ont été étudiées grâce à des prélèvements en sortie des fosses ou dans la fosse à différentes profondeurs selon les besoins.
Pour les paramètres physico-chimiques, MES (Matières en Suspension), DCO (Demande Chimique en Oxygène) totale et soluble et NH₄⁺ (ions ammonium), les échantillons sont envoyés au Centre d’Analyses Environnementales (CAE), laboratoire accrédité qui réalise des analyses normalisées.
Pour les mesures de hauteurs de boues accumulées dans les fosses, a été utilisée une canne de prélèvement en plexiglas transparent, graduée de haut en bas tous les 10 cm, de 250 cm de hauteur et d’un diamètre de 5 cm, munie d'un clapet antiretour. La canne est enfoncée délicatement et le plus verticalement possible dans la fosse jusqu’à toucher le fond, et la hauteur d'eau est alors notée. Lorsqu’elle est ressortie, aussi délicatement que possible, on peut noter le volume de boues.
Résultats
L’ensemble des résultats obtenus sur cette étude de six fosses septiques alimentées en eaux usées pendant trois ans pour trois d'entre elles et 4,5 années pour les trois autres est présenté ici sous les aspects des performances épuratoires des fosses en fonction des phases ou des charges hydrauliques ou organiques appliquées et de la rétention des boues dans les fosses.
Performances épuratoires des fosses
Influence des phases d'alimentation
Les eaux usées d’entrée ont été mesurées au même titre que les sorties des fosses septiques tout au long de l'étude pour pouvoir comparer les résultats et en tirer des performances et des rendements épuratoires. Le tableau 4 présente les moyennes obtenues sur ces eaux selon les différentes phases d’alimentation. Les incertitudes sont de l’ordre de 20 % pour les MES, 5 % pour la DCO et 8 % pour N-NH₄⁺.
L’ensemble de ces résultats, tant en termes de concentrations que de charges appliquées, montre que les eaux usées d'entrée présentent des valeurs moyennes en MES proches de 300 mg/l, des valeurs de DCO proches de 600 mgO₂/l et des charges moyennes de DBO₅ selon les phases comprises entre 155 et 337 gO₂/j. Ce ne sont donc pas des eaux usées très concentrées. Les graphes du tableau 5 présentent l'évolution des concentrations des sorties fosses en MES tout au long de l'étude.
Pendant la première phase de l'étude, qui correspond à la mise en service des filières neuves et à l’application sur les filières du protocole en conditions sollicitantes®, les sorties des six fosses septiques présentent les mêmes ordres de grandeur de concentrations pour tous les paramètres ; les fosses semblent se comporter de la même façon et leurs performances sont équivalentes : en ce début de mise en service, l’accumulation des boues se passe normalement et on observe environ 80 % d’abattement pour les MES et entre 50 et 60 % d'abattement pour la DCO totale. Il n'y a pas d’abattement sur les ions ammonium, ce qui n'est pas anormal puisque la fosse est le lieu où l'ammonification se déroule. Seule la fosse n° 7 présente un bilan azoté positif en raison de la recirculation de 65 % des eaux traitées contenant des nitrates, car une dénitrification peut avoir lieu.
Durant la seconde phase, à modulations de charges hydrauliques et organiques, la même constatation est observée : les concentrations des sorties fosses sont sensiblement équivalentes et les abattements sont les mêmes qu’en phase 1. De janvier 2006 à juin 2008, quelles qu’aient été les charges hydrauliques et organiques entrantes, on observe un comportement similaire d’une fosse à l'autre.
C'est à partir de la phase d’alimentation en continu, où, durant plus de trois mois, les fosses ont subi une surcharge hydraulique de 240 % répartie de façon homogène sur 24 h, que les différences de comportement commencent à être marquées et où il semble clairement que certaines fosses ont eu plus de mal que d’autres à supporter ce mode d’alimentation permanent. En effet, les fosses se répartissent alors en trois groupes :
- le premier avec les fosses n° 3 et 4, dont les eaux de sortie voient leurs concentrations en MES augmentées de l’ordre de 40 % alors que leurs concentrations en DCO n’ont quasiment pas bougé, mais qui gardent des rendements de l’ordre de 45 % en MES et 30 % en DCO ; - le second avec les fosses n° 6 et 7, dont les concentrations de sortie en MES sont multipliées par près de 2,5 et en DCO par 2, et dont les abattements sont alors nuls ou presque ; - le troisième groupe contient les fosses n° 5 et 8, qui ont connu durant la période 240 % des départs de boues très importants imputables à la surcharge hydraulique, ce qui a entraîné des concentrations de sorties en MES très supérieures aux valeurs de l'eau d'entrée (rendements négatifs).
L’accumulation de boues, ou leur relargage selon les périodes et les charges associées, seront vus plus en détail dans le paragraphe « rétention des boues dans les fosses ».
Comme décrit dans le tableau 3, après cette phase de surcharge, la partie centrale du protocole en conditions sollicitantes® a été de nouveau appliquée, puis différentes phases comprenant une alimentation à charge nominale, et enfin une ultime fois pour les trois filières restantes, de nouveau les séquences centrales du protocole en conditions sollicitantes®.
Les deux fosses qui n’avaient pas ou peu souffert de l'application de la surcharge retrouvent très vite leurs rendements initiaux, et les concentrations de sortie…
sont équivalentes aux concentrations des phases 1 et 2 jusqu’à la fin de l’étude.
Les deux fosses (n° 5 et 8) qui avaient réagi en relarguant une partie de leurs boues pendant la période de surcharge ont beaucoup de mal à se remettre de cette phase et leurs concentrations de sorties en MES restent élevées jusqu’au bout de l’étude. Regardons plus précisément l’évolution des concentrations des sorties des fosses lors de l’application des séquences centrales du protocole en conditions sollicitantes, réalisé le premier en début d’étude, le second après 3 années d’étude, le troisième pour 3 filières seulement après 4,5 années (tableau 6).
Pour les deux fosses n° 3 et 4, il n’y a aucune différence entre les concentrations de phase 1 et les concentrations lors du renouvellement du protocole, bien que celui-ci arrive juste après la période de surcharge hydraulique. Tout au long des 3 années où elles ont été alimentées, les fosses ont eu un comportement similaire, accumulation normale, pas de relargage particulier, et les rendements globaux sont de l’ordre de 80 % pour les MES et 55 % pour la DCO. Ce sont les deux fosses qui ont été les plus régulièrement performantes. Aucune différence significative n’apparaît entre les deux volumes testés (3 et 5 m³) sur la durée du test.
Viennent ensuite les fosses n° 7 et 6, dont les concentrations de l’eau en sortie de fosse ont augmenté au cours du temps, particulièrement après la période de surcharge à 240 %, et donc lors de la seconde application du protocole. Ce constat est aussi fait en toute fin de l’étude lors de la troisième application du protocole. Leurs rendements globaux sont de l’ordre de 75 % pour les MES et près de 60 % pour la DCO, ce qui reste très correct.
Les fosses qui ont le plus souffert de la surcharge de 240 % sont celles qui gardent jusqu’au bout de l’étude les concentrations en MES les plus élevées, et qui ont du mal à récupérer les bonnes performances de la phase 1. Il s’agit des fosses n° 5 et 8. Leurs rendements globaux sur étude sont donc abaissés à 65 % pour la fosse n° 5 et à 50 % pour la fosse n° 8 en MES, et de l’ordre de 40 % en DCO pour ces deux fosses.
Influence des charges hydrauliques appliquées
Pendant les 4,5 années d’étude, les filières ont été soumises à différentes charges hydrauliques selon les périodes. La charge nominale (100 %) correspond à 150 L par jour et par habitant soit 750 L par jour d’eau usée envoyés sur chaque filière conçue pour 5 habitants, auxquels sont ajoutés 200 L d’effet baignoire en eau claire 5 jours par semaine (pas d’effet baignoire pour la phase 240 %). Pour étudier les comportements des fosses à des surcharges hydrauliques, d’autres charges ont été appliquées : 120 %, 200 % et 240 % sur des durées variables (cf. graphe n° 1).
Les tableaux 7 et 8 montrent les concentrations moyennes des eaux usées alimentant les filières selon les régimes hydrauliques appliqués ainsi que les charges moyennes qui leur sont associées.
Les concentrations les plus élevées en MES et DCO ont été retrouvées dans les eaux d’entrée lors du régime à 120 % en hydraulique, et les plus faibles lors de la charge hydraulique en continu de 240 %. Les charges organiques (exprimées en gDBO₅/j) sont faibles pour les régimes à 100 et 120 % hydrauliques et conformes à ce que l’on attendait d’une eau usée domestique pour 5 équivalents-habitants pour les régimes à 200 et 240 % hydrauliques. Dans l’ensemble, ce constat montre que les eaux usées envoyées sur les filières étaient globalement assez peu chargées.
Les performances des fosses ne sont pas liées à la charge hydraulique appliquée jusqu’à 200 % tant que les profils hydrauliques sont respectés ; les rendements sont plus élevés à 120 % car les concentrations de l’eau usée d’entrée pendant cette période étaient plus élevées, et les concentrations de sorties équivalentes ou inférieures.
Les graphes 2 et 3 permettent de visualiser ces constatations. Le point bleu est la valeur de la concentration en MES en entrée de fosse, le point rose celle de la sortie. La flèche visualise l’abattement moyen en MES selon le régime hydraulique appliqué, et le pourcentage associé est la valeur de ce rendement moyen. Lorsque la valeur de sortie est supérieure à la valeur d’entrée il y a relargage de boues.
Les graphes 2 et 3 montrent qu’effectivement, quelle que soit la concentration en MES de l’eau usée d’entrée, et quelle que soit la charge hydraulique entrante, les concentrations de sorties des fosses sont du même ordre de grandeur. Seule la phase à 240 % où le régime était continu provoque des départs de boues et une modification du comportement des fosses n° 5 et 8. Les fosses n° 6 et 7 ont un rendement nul durant cette période, à l’équilibre entre relargage et abattement.
Tableau 7 : Concentrations des eaux usées d’entrée selon les régimes appliqués
| Entrée | MES (mg/l) | DCO totale (mgO₂/l) | DCO soluble (mgO₂/l) | N-NH₄⁺ (mgN/l) |
|---|---|---|---|---|
| Moyenne globale | 332 | 660 | 195 | 47 |
| Moyenne régime 100 % | 343 | 682 | 191 | 45 |
| Moyenne régime 120 % | 451 | 683 | 193 | 45 |
| Moyenne régime 200 % | 298 | 649 | 218 | 53 |
| Moyenne régime 240 % | 175 | 449 | 197 | 51 |
Tableau 8 : Charges moyennes appliquées en gDBO₅/j selon les régimes appliqués
| Régime 100 % | 185 gDBO₅/j | 124 jours |
|---|---|---|
| Régime 120 % | 281 gDBO₅/j | 74 jours |
| Régime 200 % | 375 gDBO₅/j | 148 jours |
| Régime 240 % | 337 gDBO₅/j | 96 jours |
Tableau 9 : Répartition des charges organiques appliquées sur les filières
| Flux DBO₅ (g/j) | Moyenne | Nombre de jours |
|---|---|---|
| 0-200 | 143 | 901 |
| 200-400 | 277 | 575 |
| 400-600 | 472 | 69 |
| 600-1 000 | 844 | 21 |
| Moyenne globale | 216 | 1 548 |
Tableau 10 : Moyennes des concentrations de l’eau usée d’entrée selon les charges organiques appliquées
| Entrée flux (gDBO₅/j) | MES (mg/l) | DCO totale (mg/l) | DCO soluble (mg/l) | NH₄⁺ (mg N/l) |
|---|---|---|---|---|
| 0-200 | 240 | 494 | 149 | 39 |
| 200-400 | 346 | 666 | 215 | 52 |
| 400-600 | 551 | 1 067 | 252 | 55 |
| 600-1 000 | 1 252 | 1 983 | 378 | 65 |
n° 3 et 4 continuent à bien assurer leur fonction de traitement primaire. Le reste du temps l'influence de la charge hydraulique est négligeable sur les performances des fosses. Il en est de même pour la DCO.
Influence des charges organiques appliquées
Sur l'ensemble de la période d’étude de ces fosses, les concentrations d’entrée en DBO₅ ont varié de façon aléatoire, et non forcément de façon liée à la charge hydraulique comme nous l’avons vu précédemment. Les charges organiques appliquées (exprimées en gDBO₅/j) ont donc été très différentes selon les jours ou les périodes. La valeur minimale est de 47 gDBO₅/j, la valeur maximale de 1 043 gDBO₅/j, la moyenne de 216 gDBO₅/j.
Les tableaux 9 et 10 présentent quelques valeurs représentatives de ces charges organiques appliquées ainsi que les concentrations moyennes des eaux usées d’entrée associées.
La charge organique moyenne sur la durée de l'étude est proche de 200 gDBO₅/jour, ce qui correspond en terme d’Équivalent Habitant à 3,3. Elle peut monter jusqu’à 844 gDBO₅/j, ce qui correspond à 14 E.H. lors d’à-coups de charge organique. Les concentrations moyennes peuvent alors s’élever à 1 252 mg/l en MES et 1 983 mg/l en DCO. Cela reste marginal puisque cela ne représente que 21 jours sur 1 566 d’alimentation. Les concentrations moyennes de sorties des fosses ne sont pas systématiquement plus élevées lorsque la charge organique moyenne entrante est plus forte ; la fosse possède un pouvoir tampon qui atténue les fortes variations de charges. Les performances, ou rendements, quant à eux, augmentent avec la charge puisque les concentrations d’entrée sont plus élevées alors que les concentrations de sorties restent quasiment du même ordre de grandeur d'une charge moyenne à l'autre. À titre d’exemple, les graphes 4 et 5 qui suivent permettent de visualiser ces phénomènes sur 2 des 6 fosses. Les graphes des autres fosses étant similaires, ils ne sont pas reproduits.
La même constatation peut être faite : les concentrations en MES des sorties fosses ne sont pas corrélées avec les concentrations des eaux usées d’entrée, ni avec la charge organique appliquée. Il en est de même pour la DCO.
Les parties suivantes vont maintenant se pencher sur les boues des fosses.
pour étudier plus précisément le comportement de ces boues.
Rétention des boues dans les fosses
Hauteurs de boues
Pendant toute la durée de cette étude, les hauteurs de boues ont été relevées dans les fosses chaque mois, à l'entrée de la fosse (amont) quand cela était réalisable et à la sortie (aval) pour toutes les fosses. Les graphes 6 à 11 présentent l’évolution de ces valeurs. Plusieurs comportements sont observables selon les périodes et selon les fosses.
Les fosses n° 3 et 4 et la fosse n° 8 présentent le même type de comportement : de janvier 2006 à novembre 2007, soit pendant près de deux ans, les boues se sont progressivement déposées dans la fosse, et plus particulièrement, de façon logique, à l'entrée de ces fosses avec près de 30 cm de décalage entre l’entrée et la sortie. Puis les boues semblent avoir atteint une hauteur palier pour laquelle la hauteur en boues n'augmente plus ; un équilibre se crée dans la fosse entre les boues qui arrivent et celles qui se dégradent : les boues s'épaississent et les fosses méthanisent correctement. En juin 2008 survient la période de surcharge en continu à 240 % en hydraulique et les fosses sont malmenées avec un flux permanent sans période de repos : il semble que les boues se mélangent, avec pour conséquence une homogénéisation des hauteurs de boues. Des départs de boues plus ou moins importants selon les fosses sont constatés et l’on n’observe plus de différences entre les hauteurs de boues amont et aval. Après cette période, les fosses retrouvent, avec plus ou moins de délai, leur comportement d’avant la surcharge : la fosse n° 4 tout de suite, la fosse n° 3 après deux mois et la fosse n° 8 seulement après la vidange (05/03/10), car c’est celle qui a le plus souffert de cette période de surcharge.
La fosse n° 7 présente un comportement différent car la recirculation semble permettre un mélange permanent des boues aval et amont. On observe donc, de janvier 2006 à novembre 2007, une augmentation progressive du niveau de boues avec des pics hauts et des pics bas selon les périodes. La stabilisation a également lieu en novembre 2007 lorsque la méthanisation s’installe. La période de surcharge met à mal la fosse comme les autres, puis le retour à la normale s'effectue après deux mois.
Les fosses n° 5 et 6 n’ont qu'un point de mesure possible à la sortie (aval). On ne peut donc pas comparer leur comportement directement aux autres. Cependant, on peut considérer que l’on observe le même comportement global pour les points de mesure en aval : augmentation du niveau de boues progressivement jusqu’en novembre 2007, puis stabilisation lorsque
La méthanisation est établie, puis départ de boues et chamboulement lors de la surcharge.
Après cette période, ces deux fosses présentent un comportement différent des autres fosses puisque les hauteurs de boues continuent d’augmenter jusqu’à atteindre un second palier : il semblerait donc que la biomasse ait été mise à mal pendant la période de surcharge et que la méthanisation ne reprenne qu’après plusieurs mois. Pour compléter ces données sur les hauteurs de boues et approfondir le comportement de ces boues dans les fosses, nous allons maintenant étudier la rétention des MES dans les fosses durant les différentes phases d’alimentation.
Rétention des boues
Pour connaître l’évolution de l’accumulation des boues dans les fosses et le comportement de ces fosses vis-à-vis de l’élimination des MES, les kg de MES éliminés de l’effluent lors de leur passage dans la fosse ont été calculés pour chaque phase d’alimentation. Le tableau 11 présente ces résultats.
Tableau 11 : Rétention des MES dans les fosses selon les phases d’alimentation (kg MES)
| Fosse n°3 | Fosse n°4 | Fosse n°5 | Fosse n°6 | Fosse n°7 | Fosse n°8 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Global | 214 | 212 | 174 | 260 | 205 | 187 |
| Phase 1 + PCS¹ | 47 | 46 | 45 | 48 | 46 | 48 |
| Phase 2 | 110 | 110 | 103 | 104 | 117 | 106 |
| Surcharge 240 % | 12 | 11 | 103 | –3 | –3 | –36 |
| PCS¹ bis | 27 | 27 | 26 | 26 | 6 | 3 |
| Eaux artificielles | 12 | 12 | 9 | 8 | 0 | 9 |
| Toxiques | 10 | 10 | 9 | 10 | 0 | 5 |
| Phase 4 | 5 | 2 | 5 | 41 | 3 | 23 |
| PCS¹ ter | 22 | 22 | 23 | 23 | 23 | 23 |
Lors des phases 1 et 2, toutes les fosses retiennent la même quantité de MES, leur comportement est similaire : pour 278 jours d’alimentation, la quantité de MES retenues varie de 45 à 48 kg, ce qui fait environ 0,17 kg MES/jour. Les boues s’accumulent et remplissent la fosse progressivement.
Avec la période de surcharge à 240 % en continu, les fosses ne réagissent plus toutes de la même manière. Si les fosses n° 3 et 4 continuent de retenir les boues, il n’en est pas de même des autres fosses qui relarguent plus ou moins : ni relargage ni rétention pour les fosses n° 6 et 7 (3 kg) mais 36 kg de perte de MES pour la fosse n° 8 et 50 kg de perte de MES pour la fosse n° 5.
Lors du PCS bis, renouvelé juste après cette période de surcharge, toutes les fosses semblent avoir repris un comportement de rétention normal, à savoir environ 26-27 kg pour 100 jours, à part la fosse n° 8 qui peine et continue à relarguer avec seulement 3 kg de MES retenus.
Les périodes en eaux artificielles et avec application de produits toxiques montrent des comportements de fosses tous identiques ; même la fosse n° 8 a retrouvé son équilibre. La remise en régime normal d’alimentation avec profils journaliers a permis aux fosses de rétablir leur fonctionnement normal.
La phase qui suit est une phase longue d’alimentation à 100 % où les fosses ont plus de 3,5 années et où l’on commence à voir des comportements limites : en effet la fosse n° 5 n’a retenu que 5 kg en 323 jours, ce qui fait à peine 0,02 kg/jour. Elle a donc beaucoup plus relargué qu’accumulé les boues. La fosse n° 8 n’a accumulé que 20 kg sur la période, ce qui ne représente également que 0,06 kg/jour. Elle a été vidangée le 5 mars 2010. Ces deux fosses ont atteint leurs limites. Seule la fosse n° 6 continue de retenir ses boues, mais de façon deux fois moins importante que durant les périodes d’équilibre des fosses avec seulement 0,13 kg/jour.
Durant la période qui suit, les fosses retrouvent un comportement identique, et des rétentions similaires montrant une bonne méthanisation (graphe 12).
On peut alors calculer une sorte de « production de boues » correspondant à la quantité de boue accumulée dans la fosse lors de chaque phase. On considère que les boues, pour ce calcul empirique, ont une concentration de l’ordre de 10 g/l en MES (tableau 12).
Tableau 12 : « Production de boues » dans les fosses selon les phases d’alimentation (L/MES)
| Fosse n°3 | Fosse n°4 | Fosse n°5 | Fosse n°6 | Fosse n°7 | Fosse n°8 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Global | 27 | 18 | 46 | 17 | 18 | 16 |
| Phase 1 + PCS¹ | 27 | 18 | 16 | 17 | 17 | 16 |
| Phase 2 | 18 | 18 | 18 | 17 | 19 | 18 |
| Surcharge 240 % | 13 | 13 | 52 | 3 | 3 | 3 |
| PCS¹ bis | 27 | 27 | 27 | 27 | 27 | 27 |
| Eaux artificielles | 28 | 28 | 27 | 28 | 28 | 28 |
| Toxiques | 28 | 28 | 27 | 27 | 27 | 27 |
| Phase 4 | 32 | 5 | 41 | 0 | 23 | 24 |
| PCS¹ ter | 22 | 22 | 22 | 24 | 24 | 24 |
Lors des deux premières phases, la « production de boues » varie de 16 à 19 selon les filières, qui ont donc des comportements différents.
ments très similaires. Lors de la phase de surcharge en flux continu, les fosses n° 3 et 4 produisent quasiment la même quantité de boues, au contraire des autres fosses, qui relarguent. Après, les « productions de boues » sont presque doublées pour toutes les fosses sauf pour la fosse n° 8 dont la production reste très faible : 3 l contre 23 à 28 pour les autres fosses. Pendant la période en eaux artificielles, les quantités sont au niveau de celles des phases 1 et 2, puis lors du Protocole en Conditions Sollicitantes® Ter, elles sont à nouveau plus élevées, montrant que le processus de méthanisation est à nouveau bien installé.
Synthèse de ces travaux
Pendant 4,5 années, 6 fosses septiques ont été alimentées en eaux usées urbaines selon des protocoles variés permettant d'appliquer différentes charges organiques et hydrauliques. L’étude de ces fosses grâce à des prélèvements en entrée et en sortie des fosses, ainsi que dans la fosse a permis d'obtenir des résultats sur :
- les performances épuratoires des fosses en fonction des phases ou des charges hydrauliques ou organiques appliquées ;
- la rétention des boues dans les fosses.
Il ressort de cette étude que durant plus de 2 ans, toutes les fosses ont eu le même comportement et les mêmes ordres de grandeur de concentrations de sorties : leurs performances sont équivalentes.
À partir d’une période de surcharge hydraulique des fosses avec une alimentation à 240 % hydraulique en continu, les fosses ont commencé à se différencier et certaines ont eu plus de mal que d’autres à compenser cette alimentation permanente sans période de repos.
C’est le cas des fosses n° 5 et 8 en particulier : elles n’ont pas réussi à retenir les boues qu’elles avaient précédemment accumulées, et le relargage a été constant et relativement élevé pendant toute cette période. Les résultats de sortie sont alors mauvais. Les fosses n° 3 et 4, en revanche, ont continué à fonctionner correctement, en retenant leurs boues et avec des performances peu modifiées malgré ce régime d’alimentation particulier.
Elles sont les plus robustes pour encaisser ces surcharges hydrauliques continues. Après cette période, la plupart des fosses retrouvent leurs performances d’avant la surcharge au bout de quelques semaines. Les fosses n° 5 et 8 continuent de relarguer des boues et leurs concentrations en sortie restent élevées jusqu’à la fin de l’étude. Globalement, les fosses étudiées ne sont pas sensibles aux surcharges organiques, puisque les performances sont équivalentes quel que soit le flux de DBO (et donc MES) appliqué sur les fosses.
Ces comparaisons entre ces 6 fosses ont prouvé que malgré des alimentations similaires pour toutes, des comportements très différents pouvaient être observés selon les périodes. Cependant, il faut insister sur le fait que ces fosses ont été alimentées avec des eaux du réseau domestique d’un quartier de Nantes et non pas avec des eaux domestiques qui sortent directement des maisons individuelles et qui, nous le savons maintenant, sont d’une part plus concentrées et d’autre part de nature sensiblement différente notamment sur la décantabilité des MES.
Réflexions et Perspectives
Lorsqu’on fait appel, pour le traitement primaire des eaux usées domestiques, à une fosse septique, rien aujourd'hui ne souligne les différences de comportement que ces fosses peuvent manifester.
Ces travaux sur la plateforme du CSTB de Nantes ont le mérite d’attirer notre attention sur la réalité que selon la fosse septique choisie, le traitement secondaire biologique qui suit n’aura pas à faire face aux mêmes contraintes pour satisfaire aux exigences environnementales.
Par ailleurs, il convient aussi de souligner que les eaux usées d’entrée utilisées pour ces travaux, issues d’un réseau présentent au niveau des charges organiques à traiter des eaux diluées d’un facteur 2 vis-à-vis des eaux usées réelles mesurées à la sortie de maisons individuelles comme nous le publierons très prochainement.
Concernant l’application à la fois du Protocole en Conditions Sollicitantes® et des différents régimes hydrauliques qui ont soumis les fosses septiques à des conditions qui peuvent sembler excessives par rapport à la réalité, s’il est vrai que la valeur « moyenne » aujourd’hui retenue de 150 litres par jour et par habitant est de l’ordre du double de la consommation hebdomadaire moyenne mesurée sur le terrain (environ 80 litres par jour et par habitant), les écarts mini–maxi appliqués au plan hydraulique sur les eaux usées d’essais de nos travaux sont du même ordre de grandeur que ceux constatés lors des mesures de terrain en entrée des installations de petit assainissement. Les conditions de l’étude décrite ci-dessus restent ainsi dans la limite de conditions réelles rencontrées dans la vraie vie de l’assainissement de la maison individuelle.
Il reste que les fosses septiques existantes sur le marché sont aujourd'hui fort diverses dans leurs caractéristiques, que nous venons de voir que dans leurs réactions aux charges qui leur sont appliquées elles montrent des différences très sensibles. Nous sommes aujourd’hui démunis pour, avec des critères clairs, définir quelles sont les meilleures fosses septiques, chaque fabricant, et c’est naturel, considérant son produit comme le plus compétitif. C’est vraiment dommage que la norme EN 12566 partie 1 n’apporte pas d'information accessible au public et aux experts sur les performances de retenue et de dégradation des matières de ces ouvrages, les matières en suspension contenues dans la pollution qui doivent être piégées par une fosse septique n’étant pas reliées aux billes de polystyrène utilisées pour les tests d’efficacité des fosses.
Pour que le travail des experts européens sur ce sujet des fosses septiques soit crédible la partie 1 de EN 12566 est à remettre sur le métier !!

