Des savoirs nouveaux pour des petites installations d'assainissement performantes

Une des conséquences directes est que les textes normatifs et les exigences réglementaires ne sont plus en ligne avec ce que l’on sait désormais de la « vraie vie » des petites installations de traitement des eaux usées issues de maisons individuelles ou de petits hameaux.

Cet article présente la partie 3 d’un triptyque de mise en valeur de quelques nouveaux savoirs qui ouvrent la voie à des perspectives d’évolution de tests normatifs d’équipements d’assainissement qui ne peuvent rester en leur état actuel si l’on veut accroître leur acceptabilité et conserver la confiance des consommateurs.

La charge organique journalière moyenne émise par un habitant est homogène, aux incertitudes de mesures près, à la valeur de 60 g de DBO₅/habitant issue de la Directive européenne sur les eaux usées, les valeurs journalières sur les 7 jours de semaine de cette charge organique pouvant cependant varier du tiers au double de cette valeur moyenne. En présence de ces connaissances nouvelles des pollutions à traiter, les protocoles de tests de l’EN12566, bases de la marque CE des produits et de l’agrément français des dispositifs de petit assainissement semblent à réviser pour tenir compte des vraies pollutions organiques à traiter à la sortie d’une maison individuelle.

L’assainissement est un outil de qualité de la vie et en période de crise mondiale durable, se soucier d’un environnement durable est un objectif légitime.

Afin de mieux caractériser les eaux usées brutes issues de maisons individuelles, nous avons multiplié les échantillonnages in situ. La méthode d’échantillonnage retenue pour recueillir des échantillons sur 24 h avec précision est décrite dans un premier article.

Le volume moyen journalier de rejet d’eaux usées par habitant est identifié à 84 litres pour les maisons individuelles.

Dans un second article nous comparons les concentrations en DBO₅ des eaux usées de maisons individuelles mesurées grâce à 147 bilans 24 h, à celles de réseaux d’assainissement collectifs en France, Europe, Asie et Australie.

Ces travaux autorisent le constat que les maisons individuelles produisent des eaux usées au moins deux fois plus concentrées que celles issues de réseaux collectifs d’assainissement.

On observe en outre que l’amplitude des concentrations en pollution rencontrées est deux fois plus grande dans le cas de l’habitat individuel que dans le cas de systèmes collectifs d’assainissement.

Le présent article explore plus en détail les données de pollution des eaux usées brutes et des eaux usées ayant reçu un traitement primaire.

Enfin, ce travail commence à examiner les solutions envisageables pour harmoniser les tests normatifs, afin de les rendre

représentatifs des conditions de pollution « vraies » rencontrées par les petites installations d’assainissement (PA) en fonctionnement sur le terrain.

Charge organique journalière par habitant (DBO5) pour les maisons individuelles

Charge organique journalière moyenne par habitant

Partant des 147 bilans 24 h réalisés sur des maisons individuelles, la figure 1 (répartition des charges organiques journalières exprimées en g de DBO5 par jour pour chacun des 147 bilans) présente la répartition des valeurs de charge organique journalière par habitant. Chaque charge organique calculée est réellement celle correspondant à un bilan 24 h. Elle est le fruit du croisement entre le volume total relevé et la concentration en DBO5 mesurée dans ce volume.

Comme décrit précédemment pour les volumes journaliers dans l'article (1), nous utilisons la méthodologie suivante pour accéder à la charge organique journalière moyenne rejetée par jour et par habitant :

• • À partir des mesures de charge organique journalière rejetée par une maison sur les sept jours consécutifs d'une semaine, nous accédons à la charge organique journalière rejetée par habitant et par maison en divisant la charge organique mesurée par le nombre d’habitants de la maison.

Il n'est pas suffisamment précis de déduire la moyenne générale à partir des valeurs moyennes des charges organiques par jour par habitant et par maison, car les maisons ne sont pas toutes occupées par le même nombre d’habitants. Pour accéder à une valeur moyenne de la « charge organique journalière par habitant », il convient de descendre non plus au niveau de la maison mais à celui de ses habitants, et de raisonner sur autant de données en mesures de charge organique journalière qu'il y a d’habitants. Concrètement, notre échantillon a porté sur 147 mesures journalières, 21 séquences d'une semaine, 12 maisons et 561 habitants.

La moyenne de ces charges organiques journalières exprimée en DBO5 est égale à 53,5 g O₂ par habitant et par jour.

On constate que 10 % de ces charges organiques journalières par habitant sont supérieures à 100 g, alors que 10 % sont inférieures à 14 g.

Les valeurs extrêmes maxi et mini sur la totalité des mesures sont de 245 g et de 4 g respectivement.

Charge réellement émise versus charge potentiellement émise

Ces 53,5 g sont issus des mesures directement obtenues sur le terrain. Lors de chacun des bilans, la présence des occupants de la maison a été soigneusement relevée, notamment les tranches horaires d’absence. Ces absences sont soit de l’ordre de 2 à 3 heures, soit de la journée (correspondant à la période de travail). On imagine bien que pendant les absences de longue durée, une partie de la pollution physiologique humaine peut être émise, mais hors des lieux où nous avons réalisé les mesures.

Cette pollution, produite par l’occupant habituel de la maison, fait défaut dans le bilan de la pollution émise par la maison, pendant la période de collecte considérée. Si nous décidons de corriger la charge polluante journalière mesurée du temps d'absence des occupants, par l’application d'une règle de trois, nous parvenons à une charge organique moyenne journalière de l’ordre de 65 g DBO5 par habitant.

Ce calcul théorique rend compte d’une charge organique qui ne peut pas être dépassée. Il propose une valeur extrême maximale de la charge organique par jour et par habitant à 65 g venant compléter la mesure factuelle de 53,5 g qui constitue la valeur extrême minimale.

L'intervalle 53,5/65 g de la charge organique journalière par habitant trouvée par nos mesures est cohérent avec la règle de la Directive européenne eaux usées de 1991 définissant l’EH à 60 g DBO5/j-habitant. Retenons que la charge organique journalière moyenne par habitant mesurée en sortie de l'habitat individuel est d’au moins 53,5 g DBO5. Ceci signifie qu’il faut considérer qu'un habitant produit en moyenne chaque jour 53,5 + « X » g de DBO5 prenant ainsi en compte la réalité de sa vie qui lui fait rejeter quelque pollution (« X » g) hors de son habitation lorsqu’il s’absente.

Variations journalières observées

Charge organique

nalité ramenée à l'habitant présent dans chaque maison lors du bilan (g DBO₅/hab.j)), chaque barre représente la charge organique journalière par habitant présent dans la maison correspondant à un bilan 24 h. À chaque maison échantillonnée est associée une couleur :

• • De façon détaillée, l’examen de ces mesures de terrain met en évidence :
  • – Des variations sur chacune des périodes de 24 h au sein d’une même maison ; on constate, par ailleurs, par période hebdomadaire et par maison, des rapports entre les valeurs maximales et minimales pour l’ensemble des données, par période hebdomadaire, et par maison qui sont de l’ordre de 2,5 à 10.
  • – Des situations variables par maison ; pour certaines, les charges polluantes sont assez constantes qu’elles soient faibles ou fortes, pour d’autres les amplitudes d’un jour au suivant sont très marquées et peuvent atteindre une valeur de plus de 3.
  • – Les mesures permettent de constater pour les charges organiques, des semaines à très fortes charges, succédant à des semaines à charges plus proches des valeurs moyennes mesurées.
  • – Les variations entre jours de semaine et jours de fin de semaine pour certaines maisons, sans doute symptomatiques de familles dont les adultes sont actifs à l’extérieur les cinq jours ouvrés avec un regroupement des tâches ménagères le week-end, sont plus visibles en termes de volume d’eau consommé que de charge organique (cf. article ₁).

Charge hydraulique

Pour compléter la lecture de la figure précédente, la figure 3 (volume journalier ramené à l’habitant présent dans chaque maison lors du bilan (L/hab.j)) suivante donne les volumes journaliers des mêmes bilans 24 h (pour ces deux courbes, il y a correspondance entre les jours et les couleurs) (cf. article ₁).

On y fait globalement le constat que la consommation journalière en eau par habitant est plus lissée que la charge organique journalière par habitant. Cependant, on relève tout de même des amplitudes, par période hebdomadaire et par maison, qui s’échelonnent de 2 à 3,5.

Variation des concentrations en DBO₅ dans les eaux usées issues du traitement primaire des ouvrages de traitement des eaux usées

Nous venons de voir que les charges organiques des eaux usées brutes sont très variables d’un jour à l’autre, et d’une maison à une autre. On peut en déduire qu’une petite installation d’assainissement devra se montrer apte à traiter des pollutions dans une enveloppe de charges journalières possibles comprises entre un minimum et un maximum fixés par le fabricant dans sa déclaration de produit.

À de rares exceptions près, toutes les petites installations d’assainissement sont constituées d’un traitement primaire (fosse septique ou décanteur primaire) suivi d’un traitement secondaire. Le point essentiel pour le traitement secondaire est de connaître quelle est la charge organique qui va devoir être traitée pour atteindre les exigences de rejet au milieu naturel, exprimées en DBO₅ et en MES.

Les traitements primaires assurent une double fonction :

• • De rétention physique des particules les plus lourdes,
• • De digestion anaérobie de la matière organique,

qui permet de réduire la pollution exprimée en concentration de matières en suspension (MES) et en concentration de matières organiques (DBO₅). C’est en sortie de traitement primaire que l’on connaît la qualité de l’eau usée qui va être dépolluée en traitement secondaire.

Notre attention s’est donc portée sur la réalité de l’efficacité du traitement primaire au niveau d’installations de petit assainissement desservant des maisons individuelles. En particulier, il nous a semblé important d’examiner la nature des performances des fosses septiques ainsi que l’uniformité d’efficacité de ces ouvrages quelle que soit leur origine dans des conditions de dimensionnement réglementaires.

Sur 5 fosses septiques, de modèles et fournisseurs différents sauf pour 2 d’entre elles qui sont un même produit issu du même fabricant, nous avons procédé à des prélèvements sur des eaux en sortie de fosse septique de maisons déjà échantillonnées sur eaux usées brutes. Cependant, il n’est pas possible de réaliser de façon concomitante les prélèvements en eau usée brute et en eau usée prétraitée. En effet, la mesure des eaux usées brutes nécessite le stockage du rejet de ces eaux durant 24 h et conduit à la non-alimentation de la filière de traitement dans ce laps de temps.

L’ensemble des mesures réalisées en sortie des fosses septiques testées est présenté

Dans la suite de cet article, la figure 4 représente la courbe percentile de la concentration en DBO de l'ensemble des eaux usées de sortie des fosses septiques étudiées :

On constate sur ces échantillons une grande variation des concentrations en DBO en sortie des fosses septiques. En retenant les concentrations de DBO de l'intervalle percentile 10-90, on voit que l'eau usée présentée au traitement secondaire se situe entre 130 et 820 mg/L.

À titre de comparaison, on notera que les experts européens du groupe de normalisation du TC165 WG41, en charge des normes EN 12566, considèrent aujourd'hui que toutes les fosses septiques réduisent au moins de 25 % la concentration en DBO. En retenant par hypothèse une valeur de 400 mg/L pour l'eau usée brute (concentration théorique obtenue avec 150 L par habitant.j et 60 g de DBO par habitant.j), cela donne une concentration de l'eau usée en sortie de fosse septique à 300 mg/L, ce qui correspond, selon la figure 4, à une situation vérifiée dans environ 40 % des cas.

La figure 5 s'intéresse aux concentrations en MES mesurées en sortie des mêmes fosses septiques. Cinq fosses septiques sont reprises dans la figure 5 : les fosses 1 et 2 sont identiques et les fosses 3 à 5 sont toutes différentes, l'ensemble de ces cinq fosses ayant des caractéristiques réglementaires et normatives respectées.

Plusieurs constats se dégagent de l'examen de la figure 5 :

• Les comportements de ces quatre modèles de fosses septiques sont différents. Leur efficacité varie de 1 à 5.

• Pour la concentration en MES de leurs eaux usées en sortie, trois modèles de fosses septiques répondent, pour la concentration en MES de leurs eaux usées en sortie, aux savoirs exprimés par les experts européens du TC165 WG41 qui ont coutume d'affirmer que la concentration en MES en sortie de fosse septique est de l'ordre de 50 à 100 mg/L, sous-entendant par là même que toutes les fosses septiques donnent ce type de résultat.

• Des pointes de concentrations sur les MES restent possibles sur des fosses septiques semblant fonctionner selon nos attentes, comme on le voit sur les fosses septiques 2 et 5.

Parmi les conséquences de ces constats, la diversité des comportements des fosses septiques ne paraissant pas exceptionnelle (voir article …), il conviendra de se pencher sur la pertinence du test de billes de polystyrène proposé par l'EN 12566-1 pour juger réellement de l'efficacité des fosses septiques.

…tiques sur les matières décantables, surtout lorsque ces tests sont réalisés en présence de préfiltre en sortie de fosse dont la performance pour arrêter les billes de polystyrène est tout à fait remarquable mais non reproductible sur des matières en suspension réelles.

La figure 6 présente sur ces mêmes fosses septiques la concentration des eaux de sortie en DBO₅.

La comparaison des deux courbes permet de constater que les concentrations en DBO₅ et en MES sur les mêmes fosses septiques et sur les mêmes échantillons ne sont pas corrélées.

À l'examen des charges organiques de la figure 7, on constate que l'on peut avoir des variations de la charge organique par habitant en sortie de fosse septique d'un jour à l'autre d'une amplitude équivalente à celles que nous avons mesurées sur les eaux usées brutes.

La charge organique en sortie de fosse septique peut atteindre une valeur de 100 g de DBO₅ par jour et par habitant.

Sur la figure 8, on constate l’efficacité des meilleures fosses septiques testées lors de nos travaux qui, sur les 70 grammes de MES communément admis comme produits par une personne, n’en laissent « sortir » que 5 à 10 grammes, c’est-à-dire un rendement de plus de 90 %.

Toutes ces données de terrain sur la pollution réelle à traiter par des Petites Installations d’Assainissement desservant la maison individuelle mettent en lumière une grande différence entre la pollution réelle mesurée présentée ci-dessus et la pollution théorique que les instances normatives prennent en considération et rendent par contrecoup « réglementaires » dans le cadre des essais de marquage CE de l'EN 12566-3 + A1.

La question est clairement posée : « comment garantir les performances épuratoires des PLA dès lors qu’elles sont soumises aux variations de pollution que nous avons enregistrées dans la vraie vie ? ».

Construire des bases sûres pour des tests de produits performants pour tous…

Tester dans leur vraie vie ne peut raisonnablement continuer à être ignorée.

Il convient d’essayer d’imaginer, tous ensemble, comment il est possible d’y arriver avec un minimum de bouleversements. Quelques pistes de travail sont identifiées ci-après :

Reproduire une charge organique réelle hebdomadaire par habitant

Il faut s'intéresser aux valeurs moyennes hebdomadaires de la charge organique réelle par habitant dans la perspective de caractériser au mieux les eaux usées brutes, en vue de proposer des tests appropriés.

Les moyennes des charges organiques journalières par période hebdomadaire pour l'ensemble des mesures effectuées sont données dans le tableau 1 (moyennes hebdomadaires des charges organiques journalières).

Tableau 1 : moyennes hebdomadaires des charges organiques journalières

Unité : DBO₅/hab/j

Une norme dans le cadre de la Directive européenne sur les produits de construction est la plupart du temps initiée par les fabricants de ces produits, afin de permettre une meilleure circulation de leurs fabrications.

Les conséquences d'un marquage CE sont très positives au plan commercial, mais nécessitent de la part des industriels des investissements importants. Il est normal dans ces conditions qu’une perspective de modification d’une norme comme l'EN 12566 soit accueillie fraîchement par les industriels fabricants de ces produits. On peut associer à cette compréhensible réaction l'autorité réglementaire, lorsqu’elle s'appuie pour ses agréments nationaux sur les mêmes rapports d’essais comme c’est le cas en France.

Toutefois, il ne faut pas nier que la marque CE conserve une forte aura auprès des consommateurs, et il est indispensable que le client final puisse garder confiance dans les dispositions normatives européennes. Ainsi, le décalage actuel entre la pollution prise en compte pour tester les PLA et la pollution réelle qu’elles devront trai-

Comme nous l’avons décrit en début de cet article, à ces valeurs de charge organique on doit appliquer une incertitude que nous estimerons à ± 20 % environ entre les charges organiques journalières par habitant mini et maxi pour prendre en compte les émissions de pollution des habitants hors de leur maison dans les déplacements de la vie courante.

Ainsi, le constat est que la charge organique par habitant telle que la Directive européenne eaux usées de 1991 la définit à 60 g DBO₅ par jour pour un habitant est bien celle mesurée en moyenne sur le terrain.

Toutefois, cette valeur doit être accompagnée du constat :

1. que cette valeur de la charge journalière est vérifiée, quant à la moyenne, sur une séquence continue de sept jours c’est-à-dire une semaine complète.
2. que les valeurs de charges journalières mesurées varient dans l’ordre de grandeur de la moitié et du double de la valeur de la charge organique prise pour référence dans la Directive européenne

Tableau 2 : synthèse des charges hydrauliques et organiques à retenir

qu'une petite installation d'assainissement devra fonctionner dans ces conditions « réelles » de fortes variations de la charge organique, et que les protocoles d'essais de performances tels que demandés par l’EN 12566-3 + A1 doivent impérativement en tenir compte.

En synthèse, modèle sur la journée ou modèle sur la semaine ?

Sur le plan des charges organiques ou hydrauliques, la période de référence ne peut pas être la journée, trop variable ; on lui préférera la semaine pour définir ce qu'est le rejet moyen d'une maison.

Pour déterminer les pointes qui peuvent être attendues, il est aussi préférable de ne considérer que les extrêmes des moyennes hebdomadaires sur les percentiles 10-90. Ainsi nous proposons de retenir les valeurs reprises dans le tableau 2.

Passer de la maison individuelle au petit regroupé

Le constat sur l’assainissement en France est assez simple : pour les collectivités jusqu'à quelques centaines d'habitants, il existe des unités collectives de traitement des eaux usées.

En dessous de ces quelques centaines d’habitants regroupés, le monde des hameaux et des maisons individuelles présente un assainissement à construire, qu'il s'agisse de réhabilitation ou de réalisation neuve.

La norme européenne EN 12566 traite des produits jusqu'à 50 habitants et intègre donc ce domaine de l'assainissement dit « petit regroupé ». L'agrément français quant à lui traite des ouvrages de traitement des eaux usées jusqu'à 20 habitants.

Il est assez simple de simuler les quantités et qualités d'eaux usées issues de quelques maisons pour simuler les paramètres à prendre en compte pour caractériser les PLA à installer pour l’assainissement de ces habitants regroupés.

Le tableau 3 reprend les caractéristiques des volumes journaliers pour cinq maisons « mesurées ».

On notera que la caractéristique essentielle à prendre en compte par rapport à ce que l'on rencontre dans les mesures par maisons individuelles est le lissage des variations et l'on passe à un coefficient inférieur à 1,6. Ce constat aura un impact direct sur le dimensionnement des PLA en en réduisant les paramètres physiques d’échelle d'une PLA devant répondre à l’assainissement d'un hameau de quelques vingt ou trente habitants par rapport à une PLA destinée à la maison individuelle.

On peut regretter des règles seulement françaises d'extension du produit de base à la gamme, alors qu'il devrait être à la norme européenne d’en traiter. Ces règles ne prennent pas en compte la variabilité d'amplitude de la pollution très différente pour des eaux usées brutes à traiter entre une maison individuelle et des groupes de maisons. Ce sujet influe sur le dimensionnement de ces produits qui ne sera pas effectué sur les mêmes caractéristiques de la pollution à traiter.

Vers des tests de produits plus représentatifs des contraintes réelles rencontrées par les petites installations d'assainissement sur le terrain...

Les critères fondamentaux qui président au dimensionnement des petites installations d’assainissement doivent permettre de garantir les performances épuratoires exigées par l'autorité réglementaire.

En première remarque, il est permis de s'interroger sur l’exigence d'avoir des performances de traitement 100 % du temps. En effet les unités de traitement plus grandes respectent un domaine de traitement garanti qui vise à assurer les performances exigées en France 90 % du temps.

En outre, une des nombreuses difficultés rencontrées dans le domaine de l’assainissement de la maison individuelle est l'impossibilité réelle pour les millions d'équipements de mesurer les charges organiques en entrée et en sortie de façon concomitante. Ainsi, lorsque l’on fait le constat de mauvaises performances d’un ouvrage de traitement, on ne pourra jamais affirmer avec certitude l'origine de ces mauvais résultats qui peuvent être par exemple un dépassement des contraintes du DTG, une mauvaise exploitation ou encore un défaut d'installation.

En conséquence, il semblerait raisonnable de s’appuyer sur un protocole de test qui reproduise des charges journalières sur des séquences hebdomadaires, sur une durée à fixer qui pourrait voisiner vingt semaines. Le protocole respecterait globalement sur les sept jours les 60 g de DBO5 par habitant et par jour, et reproduirait à la fois des charges extrêmes journalières par habitant de 30 et 120 g de DBO5 par jour, les autres valeurs journalières permettant de revenir sur la moyenne des sept jours de la semaine à 60 g de DBO5 par jour et par habitant.

Ainsi mesurées les performances des produits, il resterait à évaluer la pérennité des performances, point qui ne peut être satisfait que sur des périodes incompatibles avec des essais en plateforme, même sur quelques mois.

Le suivi statistique de performances en sortie de produits installés sur le terrain par le biais de tests rapides pourrait apporter « par l’expérience » des informations complémentaires sur des petites installations d’assainissement seulement aptes durant une courte période à fournir les performances déclarées et constatées sur les semaines de tests. Pour assurer la fiabilité du traitement statistique proposé, cela implique un grand nombre d’installations suivies in situ.

Conclusions

Le monde évolue de façon permanente, n'est-il pas rassurant de constater que l'assainissement doit en faire de même ? Étudier les rejets d’eaux usées de la maison

Tableau 3 : simulation du lissage des volumes lorsque les rejets des habitations sont regroupées

Volume journalier mesuré (L)

individuelle n’a jamais constitué un sujet passionnant pour les chercheurs et uni­ versitaires en quête d'une logique recon­ naissance.

Le petit assainissement n'est que depuis très peu de temps reconnu comme une solution environnementale d’avenir dont, déjà, plusieurs pays usent en tissu urbain pour répondre autant aux exigences de santé que d’économies publiques.

Les connaissances progressent toutefois car ce petit assainissement est, dans ces temps de crise mondiale, une réalité de marché de milliards d’euros.

Les consommateurs renforcent leurs exi­ gences sur la qualité de leur vie et de leur environnement et attendent un assainisse­ ment performant, réaliste et respectueux de leur mode de vie.

Tout converge donc vers une rationalisa­ tion de ce domaine de l’assainissement pour atteindre à des Petites Installations d’Assainissement qui répondent aux « per­ formances » que l'on attend d’elles.

Pour y parvenir, les normes et les contraintes réglementaires doivent être actualisées pour prendre en compte les connaissances et les réalités des vraies eaux usées pour permettre à cet assainis­ sement réaliste et robuste de se mettre en place.

Une vraie discussion doit se mettre en place avec la totalité des acteurs de cette filière créatrice d’emploi à long terme pour valider les réalités de savoirs, les objec­ tifs et les moyens raisonnables pour y par­ venir.

« Comment réaliser un échantillonnage fiable des eaux usées brutes issues de maisons individuelles », publié dans EIN de septembre 2012 par les mêmes auteurs.

« Caractéristiques des eaux brutes de la maison individuelle », publié dans EIN de septembre 2012 par les mêmes auteurs.

« Des comportements des fosses », V. Maisonnave, EIN avril 2012.