En matière de traitement des eaux excédentaires de temps de pluie, un optimum reste à trouver entre traitement des eaux de temps de pluie arrivant à la station d'épuration et celles évacuées par les déversoirs d'orage des réseaux unitaires. Couplées avec des systèmes de prévision pluviométrique, les technologies et techniques présentées dans cet article permettent la mise en place d'un système « intelligent » de gestion des ruissellements d'orages.
La mise en œuvre de la Directive Cadre sur l’Eau (DCE) impose aux États membres de l'Union européenne le respect d’objectifs de qualité des milieux, plus difficiles à atteindre que les seuls objectifs de traitement des usines de dépollution des eaux usées.
L’atteinte du bon état écologique et physico-chimique des masses d’eau impose ainsi aux acteurs de l’assainissement d'adapter et de coordonner l’ensemble des actions relatives à la maîtrise des rejets dans les milieux. Dans de grandes agglomérations comme Paris, Berlin ou encore Copenhague cette prise de conscience est symptomatique : de nombreuses installations construites depuis 15 ans ont pour vocation de décentraliser le traitement des eaux usées et celui des eaux générées par temps de pluie. Les effluents excédentaires formés par les eaux de pluie sont ainsi traités et rejetés en parallèle des usines d’épuration biologiques trop vite surchargées.
Les variations de pluviométrie et les effets du ruissellement, conséquences conjointes du changement climatique et d'une urbanisation croissante qui ne laisse pas la place à l'infiltration des eaux de pluie, attirent désormais l’attention des ingénieurs, urbanistes, responsables environnementaux. Les premiers programmes de mesures élaborés pour la période 2010-2015 par l’ensemble des pays de l'Union européenne visent à atteindre le bon état écologique et physico-chimique des masses d’eaux d'ici à 2015. De ce fait, une attention particulière est portée à la gestion et au traitement des débits excédentaires par temps de pluie.
Dans la plupart des pays européens, les eaux de ruissellement en zones urbaines et périurbaines sont transportées par des réseaux encore pour l’essentiel de type « unitaire ». Par voie de conséquence, des volumes considérables d'eau de pluie sont contaminés par des effluents domestiques et industriels.
Les usines de traitement des eaux résiduaires sont habituellement dimensionnées pour accepter des surcharges hydrau-
Il s’agit des études et travaux élaborés à l’échelle des districts hydrographiques.
liques momentanées pouvant être comprises entre 3 et 6 fois le débit moyen de temps sec. Elles peuvent absorber une partie des eaux unitaires de temps de pluie. Néanmoins, au-delà de ces débits, les flux excédentaires sont rejetés au milieu naturel via des ouvrages de déversement, souvent sans la moindre forme de traitement, avec pour conséquences des pollutions ponctuelles intenses des milieux aquatiques, associées à des accumulations parfois significatives de macro-déchets. Les milieux aquatiques sont d’ailleurs d’autant plus vulnérables que la qualité moyenne des rejets par temps sec est souvent excellente.
Ainsi, maîtrisées par temps sec, les performances du système d’assainissement peuvent être ponctuellement et fortement dégradées par temps de pluie, parfois de manière chronique.
Ce phénomène résulte généralement d'une absence de réflexion globale sur la gestion de l'assainissement.
Les objectifs ambitieux de la DCE exigent par conséquent de la part des acteurs du cycle de l'eau qu'ils sortent de la vision fragmentée de l'assainissement qui prévaut encore aujourd'hui, pour adopter une vision beaucoup plus globale dans laquelle réseau, station d’épuration et milieu naturel sont interdépendants et forment un système cohérent.
Stocker n’évite pas le surdimensionnement des installations
La solution la plus couramment utilisée par les collectivités pour traiter les eaux excédentaires de temps de pluie consiste à mettre en place des bassins de stockage-restitution permettant de collecter ces eaux pendant la pluie puis de les renvoyer in fine à la station d’épuration après la pluie pour qu’elles y soient traitées.
Dans le cas de stations d’épuration ne disposant pas d'une filière spécifique dédiée au traitement des eaux de temps de pluie, cette solution impose donc de sur-dimensionner la filière de traitement « classique », pour des fréquences d'utilisation très faibles. Cela peut donc conduire à des surcoûts rendant leur justification économique non viable.
De plus, l'expérience montre que lorsque les débits sont supérieurs à trois fois le débit moyen de temps sec, la concentration en pollution dite « soluble » est significativement plus faible que celle de l’effluent normal. En effet, les volumes d’eaux de ruissellement excédentaires par temps de pluie contiennent majoritairement une pollution de type « particulaire », souvent associée à des macro-déchets. Ainsi, il n’est pas nécessaire d’envisager des traitements complets par voie biologique lorsque de simples traitements mécaniques voire physico-chimiques suffisent.
Afin de limiter le surdimensionnement des stations d’épuration et de réduire l’emprise au sol des bassins de stockage-restitution, des technologies dites « rapides » ont été mises au point.
Veolia Environnement développe et propose à ses clients en France et dans le Monde depuis plusieurs années des solutions permettant d’améliorer de manière significative les performances globales des systèmes d’assainissement par temps de pluie, tout en maintenant les performances de traitement maximales des usines d’épuration.
La solution Actiflo®
S’affranchir des contraintes d’emprise au sol et de débit de traitement
Afin de limiter le surdimensionnement des stations d’épuration et de réduire l’emprise au sol des bassins de stockage-restitution, une technologie dite « rapide » a été mise au point par les équipes de Veolia Environnement : Actiflo®. Le procédé permet de traiter à la demande des débits énormes, en un minimum de temps et dans un minimum d’espace.
Un traitement qui en outre peut être effectué au sein des stations d’épuration, ou bien au sein même du réseau, à l’exutoire d'un ouvrage de déversement.
La solution Actiflo® représente déjà plus de 500 références – dont une trentaine spécifiquement dédiées au traitement des débits excédentaires par temps de pluie – réparties dans plus de 60 pays.
Actiflo® est un procédé de traitement modulaire qui permet de s'affranchir des problématiques d’emprises au sol, mais aussi de montée en régime de l'installation lors d'un démarrage brutal. Cet outil permet ainsi de traiter les effluents dès leur apparition et au fur et à mesure de leur écoulement.
Actiflo® est un procédé ultra compact utilisant du micro-sable (Actisand®) pour initier et faciliter la formation des flocs. Actisand® offre une grande surface de contact qui améliore la floculation ; il agit également comme un lest des matières floculées et accélère leur décantation. Les flocs lestés par le micro-sable confèrent des propriétés uniques en décantation, permettant de concevoir des clarificateurs caractérisés par des vitesses élevées et des temps de séjour très courts. Il en résulte une emprise au sol 5 fois plus faible que celle des décanteurs lamellaires classiques ou des flotteurs et jusqu’à 20 fois plus faible que celle des clarificateurs conventionnels.
Le clarifloculateur Actiflo® permet également d’atteindre des taux d’élimination de matières en suspension (MES) élevés, autorisant la mise en œuvre d'une désinfection par ultra-violet (UV) efficace de l’effluent traité.
Cette solution a été mise en place à Illawara en Australie, à Lawrence (Kansas, États-Unis), ainsi qu’à Millom (Grande-Bretagne). Ces exemples démontrent avec succès que le traitement spécifique de débits
excédentaires est non seulement techniquement viable mais en plus économiquement intéressant.
Un procédé qui permet une gestion autonome et fiable des flux excédentaires
Le cas de l'usine de Lawrence au Kansas
En 2003, la station d’épuration devait être mise aux normes pour répondre aux besoins évalués à l'horizon 2020. Cette mise aux normes passait par une modification du design de la station, permettant une augmentation de capacité et une amélioration de la qualité de son rejet, conformément aux prescriptions du « NPDES » (National Pollutant Discharge Elimination System), imposées par l'agence de l’environnement US-EPA². Le NPDES exigeait de maintenir une qualité globale des rejets (incluant les volumes excédentaires) inférieure à 45 mg/l pour la DBO, en moyenne journalière, 7 mg/l pour l’ammoniaque et moins de 2 000 UFC/ml pour les coliformes fécaux. La station d’épuration devait être dimensionnée pour un débit maximum de 100 000 m³/j. Cependant le système « global » d’assainissement devait être capable de gérer un flux excédentaire correspondant au temps de retour d’un orage décennal soit 250 000 m³/j. Par conséquent, la capacité de l’installation de traitement des flux excédentaires devait être basée sur le flux suivant (250 000 - 100 000 = 150 000 m³/j) séparé en deux sous-unités de 50 % chacune. Selon les modélisations, l’installation devait fonctionner entre 20 et 50 fois par an pour des durées allant de 20 minutes à 12 heures (temps moyen de fonctionnement de 2 à 3 heures représentant des volumes allant de 3 à 6 millions de m³/an).
Depuis sa mise en œuvre, un ouvrage de répartition hydraulique du « by-pass » de la station d’épuration permet d’alimenter deux sous-files de 75 000 m³/j chacune équipées d’un dégrillage grossier, d’une station de pompage, d’un clarifloculateur Actiflo® ainsi que d’un module de désinfection UV. Chaque file inclut une cuve de coagulation au chlorure ferrique (FeCl₃), une cuve de floculation avec injection de polymère et de micro-sable ainsi qu’un décanteur équipé de lamelles permettant de fonctionner à des vitesses de clarification de 80 à 120 m³/m²/h.
L’eau clarifiée, contenant des quantités de MES inférieures à 25 mg/l est dirigée vers un chenal de désinfection UV avant son rejet dans la Kansas River. Le mélange boue & sable collecté dans le fond du décanteur est repris par une pompe de recirculation et renvoyé sur un hydrocyclone. Ce dernier permet la séparation du micro-sable et de la boue par effet centrifuge. Les boues physico-chimiques ainsi générées sont renvoyées de manière gravitaire à l’entrée de la station d’épuration. Tout ceci permet une gestion optimum de l’installation biologique en limitant les flux hydrauliques même lors des périodes d’orages.
Au final, l’association Actiflo® + UV permet de traiter les effluents excédentaires de temps de pluie dès leur apparition et au fur et à mesure de leur écoulement, et de les rendre compatibles avec une qualité « eau de baignade ».
Le cas de l'usine de Millom en Grande-Bretagne
Il est important que ces installations soient autonomes et qu’elles puissent être mises en fonctionnement très rapidement dès l'apparition de débits excédentaires. De par sa très grande réactivité, le procédé Actiflo® permet d’obtenir un traitement stabilisé après quelques minutes de fonctionnement. Ceci correspond peu ou prou à la mise en charge de la station de pompage nécessaire à son alimentation qui doit être dimensionnée de manière judicieuse afin de pouvoir « tamponner » les débordements de courte durée (c’est-à-dire inférieure à 10 minutes) pour éviter le démarrage complet ainsi que l’utilisation de l’installation.
Cette exigence technique a été démontrée à plusieurs reprises mais l’étude la plus complète sur ce sujet a été réalisée pendant 12 mois sur la station d’épuration (STEP) de Millom en Grande-Bretagne. À la demande de la société United Utilities, Veolia a mis en place en juin 2002 dans un ancien décanteur primaire de la STEP de Millom une station de pompage équipée de trois pompes à vitesse variable permettant de relever les eaux d’orage excédentaires (au-delà du débit maximum de la STEP de 110 l/s), le tout fonctionnant sur seuil de niveaux dans une gamme de 0 à 100 litres par seconde. Une unité mobile Actiflo® capable de traiter de 0 à 100 litres par seconde a été installée. Au cours de ces essais, 89 événements de débit excédentaires de temps de pluie d'une durée variable de 10 minutes à une dizaine d’heures ont été traités. La durée minimale de ces 89 événements était de 30 minutes, l’installation n’étant pas mise en route pour des arrivées de débit excédentaire de courte durée (durée inférieure à 10 minutes).
Dans ce dernier cas, le volume d'eau était renvoyé à l’entrée de la STEP lorsque le débit entrant était redescendu en dessous de 110 litres par seconde. L'ensemble des résultats obtenus à Millom (GB) laisse apparaître des pourcentages d’élimination des matières en suspension compris entre 90 et 95 % (aucune valeur ponctuelle n’ex-
² USEPA : United States Environmental Protection Agency. ³ UFC : Unités Formant Colonies.
cédant 25 mg/l après 10 minutes de fonctionnement). De même, est constaté un niveau d’abattement des coliformes fécaux de 1,5 log10 UFC/ml après passage sur Actiflo®.
Plus récemment, en 2007, des essais pilotes effectués à Berlin pour le « Berliner WasserBetriebe » ont confirmé les résultats obtenus en Amérique du Nord et en Grande-Bretagne. Les deux graphiques ci-dessus, obtenus lors d'un événement orageux, montrent l’évolution au cours du temps de la turbidité en entrée et en sortie d’Actiflo® ainsi que des valeurs ponctuelles en matières en suspension. Sur ce type de procédé, la durée de montée en régime est inférieure à 10 minutes puisque la concentration en MES de l'eau clarifiée est inférieure à 25 mg/l en 7 à 8 minutes, pour une concentration de MES en entrée de 450 mg/l, ce qui correspond au temps de contact dans le procédé Actiflo®.
La combinaison Actiflo® + UV ou Actiflo® + filtration sur tamis permet donc de traiter ces effluents dès leur apparition et au fur et à mesure de leur écoulement, à des niveaux poussés d’exigence tant sur le plan physico-chimique que bactériologique.
Une solution pertinente de traitement des eaux usées pour du « reuse » ou de la recharge de nappes
Dans des régions soumises à des périodes de stress hydrique récurrentes, Actiflo® constitue de plus une solution pertinente de traitement de l'eau en vue de la réutiliser pour recharger des nappes phréatiques ou maintenir en état des zones « humides » dites de conservation des écosystèmes.
À titre d’exemple, la station de Wollogong et Bellambi (Illawara Wastewater Strategy) près de Sydney en Australie constitue un investissement de l'ordre de A$200 M (millions de dollars australiens). Elle permet la protection de la qualité des eaux de baignade et la réutilisation d'une partie des eaux usées après traitement pour limiter les prélèvements d’eaux dans le milieu naturel. Les STEP de Bellambi et de Port Kembla ont été modifiées et rénovées pour servir de système de traitement des eaux excédentaires en temps d’orage. Ces installations sont constituées d’un traitement physico-chimique (Actiflo®) et d'une désinfection par irradiation UV pour la gestion des débits excédentaires. La capacité maximum de traitement de la STEP est de 177 000 m³/jour, ce qui correspond à trois fois le débit de temps sec.
La chaîne de traitement des eaux d’orage permet de traiter les débits au-delà de cette valeur jusqu’à un maximum de 320 000 m³/jour (soit six fois le débit de temps sec). Le schéma ci-contre permet de visualiser le principe d’utilisation de l’Actiflo® dans la STEP.
Traiter la pluie « in situ », au plus près des lieux de stockage
Tous les exemples que nous avons présentés concernent des unités de traitement des eaux excédentaires de temps de pluie situées dans l'environnement immédiat d'une station d'épuration.
Dans certains cas, lorsque les capacités structurelles du réseau de collecte sont insuffisantes pour acheminer en toute sécurité les débits de temps de pluie jusqu’à l'entrée de la station d'épuration, il peut être intéressant de procéder au traitement in situ des décharges de déversoirs d’orage avant rejet au milieu naturel. C’est la solution qu’a adoptée la ville de Copenhague au Danemark, pour laquelle Krüger, filiale danoise de Veolia Environnement, a conçu et exploite une unité de traitement par micro-filtration des sur-verses unitaires de déversoirs d’orage, dont le rejet alimente une zone de baignade située à Svanemølle Bay.
La filière de traitement est composée de deux files en parallèle, à même de traiter des débits pouvant atteindre un total de 500 l/s.
Chaque file est équipée :
- - d'un Drumfilter®, Hydrotech qui est un filtre à tambour, permettant de retenir des matières en suspension d’un diamètre supérieur à 100 µm ;
- - d'un Discfilter®, Hydrotech qui est un filtre à disques permettant de retenir les matières en suspension d’un diamètre supérieur à 20 µm.
Les effluents filtrés se rejoignent ensuite pour être désinfectés par deux batteries de 72 lampes UV basse pression en série, abaissant les concentrations en E. Coli de 500 à 1 000 E. Coli/100 ml.
Les taux d’élimination des MES par cette unité décentralisée atteignent des pourcentages de l’ordre de 85 à 90 %. Les valeurs maximales atteintes en sortie, avant passage dans les batteries de traitement par UV sont de l'ordre de 30 mg/l.
Vers une gestion « dynamique » des flux excédentaires par temps de pluie
Le tour d’horizon effectué permet de constater que les solutions de traitement des eaux excédentaires de temps de pluie existent, sont maintenant éprouvées et permettent d’atteindre des performances remarquables.
La réflexion doit maintenant porter sur leur mise en œuvre dans les systèmes d'assainissement dans le but d’atteindre les objectifs fixés par la directive cadre sur l'eau. Concernant le traitement des eaux excédentaires de temps de pluie, un optimum est donc à trouver entre traitement des eaux de temps de pluie arrivant à la STEP, et celles évacuées par les déversoirs d’orage des réseaux unitaires.
Couplées avec des systèmes de prévision pluviométrique, les technologies et techniques présentées précédemment permettent la mise en place d’un système « intelligent » de gestion des ruissellements d’orages.
Compte tenu du caractère fortement pénalisant sur la qualité des masses d’eaux de ces volumes d’eaux contaminés, il est important de mettre en place des traitements si l'on désire répondre de manière adéquate à la directive-cadre européenne. Or il est difficile, voire impossible, de gérer ces volumes uniquement par stockage et traitement sur les STEP par temps sec. En effet, les limitations d’espace, les problématiques d’exploitation (odeurs, etc.) rendent la gestion de grands bassins d’orage difficile et onéreuse, sans parler de coûts d’investissement conséquents en milieu urbain.
Il est donc nécessaire de réfléchir à des modes de gestion basés sur le traitement des volumes d’effluents excédentaires dès leur apparition et au fur et à mesure de leur écoulement.
Cette nouvelle logique de gestion doit s'appuyer sur des outils de télémétrie, de prédiction des intensités pluviales, de modélisation des écoulements en milieu urbain et périurbain ainsi que bien évidemment sur des procédés de traitement autonomes et surtout très réactifs.
En réponse à ces problématiques, Veolia sait désormais combiner l'ensemble de ces outils pour permettre aux collectivités d'appréhender ce sujet de manière plus efficace, plus réactive, et surtout plus adaptable à l’existant.
L’ère de la gestion « au fil de l'eau » des flux excédentaires par temps de pluie est désormais ouverte pour le plus grand bien des milieux récepteurs et de leur devenir.
