Synthèse d'études de petites installations d'assainissement en plateformes - Deuxième partie : Leipzig

Les technologies sont classées en trois types : les massifs filtrants, les cultures fixées, et les cultures libres. Bien évidemment, dans chacune des familles on trouve des variantes qui confèrent à chaque modèle des performances qui leur sont propres. Cependant pour les massifs filtrants, les performances restent très proches dans la panoplie des dispositifs testés. Ceci se vérifie également pour les technologies à cultures fixées. En revanche, une plus grande dispersion des résultats est observée pour la famille des cultures libres. Particulièrement pour cette dernière catégorie, il est important de bien identifier les caractéristiques qui peuvent apporter des garanties sur la fiabilité du traitement pour juger objectivement chaque dispositif.

Si pour les grandes collectivités l’assainissement des eaux usées est assuré dans la plupart des cas par les stations d’épuration, ce n’est pas le cas pour de nombreux villages et maisons isolées. En effet, il n’existe pas de réseau collectif partout en France et dans certaines campagnes, le rejet des eaux usées se fait directement dans la nature. Que ce soit pour les particuliers ou les petits villages, les Petites Installations d’Assainissement (PIA) apparaissent comme une solution efficace et économique pour traiter les eaux usées. En France, de l’ordre de 12 millions de personnes ont déjà adopté ce système d’assainissement non collectif. Cependant, il existe toujours un manque d’informations précises sur la fiabilité, la robustesse, la pérennité des performances, l’exploitation et la durée de vie de ces filières dans des conditions réelles.

C’est dans cet objectif d’analyse de performances de ces PIA que se sont déroulées les études en plateforme réalisées par Veolia Eau depuis 2006 : au Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) de Nantes avec l’étude comparative des performances de 8 PIA au cours de 4,5 années d’étude ; et au Bildungs- und Demonstrationszentrum (BDZ) de Leipzig avec l’étude comparative des performances de 13 PIA soumises aux mêmes alimentations, au cours de 40 semaines d’étude.

Le BDZ est une plateforme de démonstration, qui a des vocations éducatives, contrairement à des plateformes d’essais de laboratoires notifiés qui eux sont voués à l’application de tests de performances.

Cette publication a pour but d’étudier, avec application du protocole en conditions sol-

Mots clés : Petites installations d’assainissement, tests en plateforme, performances.

licitantes®, les performances en conditions comparatives des 13 filières installées à Leipzig. Une précédente publication avait décrit les performances des 8 filières de la plateforme de Nantes (Synthèse d’études de petites installations d’assainissement en plateformes - partie 1 : Nantes ; EIN mars 2011).

Les filières installées sont les suivantes :

Tableau 1 : les filières testées sur la plateforme de Leipzig

*pour des raisons pratiques, la plateforme ne pouvait assurer que 3 débits d’alimentation différents, qui ont été fixés à 4 EH, 6 EH et 9 EH. Certaines filières ont donc été testées un peu au-dessus de leur capacité nominale déclarée (Ecoflex, BioDisk BA).

Ces filières de traitement se divisent en trois catégories, suivant le type de technique utilisée pour assainir l’eau usée :

• Les filières utilisant un massif filtrant : en orange ;
• Les filières à culture fixée : en blanc ;
• Les filières à culture libre : en vert.

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 hydraulique simulée par une vidange de baignoire, des surcharges de week-end 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.

Il est décrit dans le tableau 2 et a été appliqué entre mars 2008 et janvier 2009 sur la plateforme de Leipzig.

Tableau 2 : le protocole en conditions sollicitantes®

Soumises à ce protocole de test, les 13 petites installations d’assainissement, représentatives des technologies qui s’implantent un peu partout en Europe, ont pu être comparées en termes de performances. Les technologies sont classées en trois types :

• Matières en Suspension (MES) : EN 872,
• Demande Chimique en Oxygène (DCO) : DIN 38409/H41.

D’autres paramètres (Demande Biochimique en Oxygène, Azote sous ses différentes formes, Phosphore, paramètres microbiologiques) ont également été analysés mais ne seront pas présentés dans cet article.

Évolution des profils journaliers selon les régimes hydrauliques appliqués

Matériel et méthode

Les prélèvements et analyses

L’eau usée alimentant les filières ainsi que l’ensemble des sorties des filières installées sont analysées chaque semaine. Des prélèvements automatisés permettant de reconstituer le profil journalier d’alimentation des filières sont utilisés et le prélèvement moyen 24 h est alors réalisé. Chaque échantillon (entrée et 13 sorties) est analysé selon les méthodes suivantes :

• Matières en Suspension (MES) : EN 872,
• Demande Chimique en Oxygène (DCO) : DIN 38409/H41.

D’autres paramètres (Demande Biochimique en Oxygène, Azote sous ses différentes formes, Phosphore, paramètres microbiologiques) ont également été analysés mais ne seront pas présentés dans cet article.

La nature des eaux brutes

Les eaux usées domestiques alimentant la

Probabilité de satisfaction des concentrations en MES.

En se fixant une concentration seuil en MES de 35 mg/L, on lit sur ce graphe que le dispositif permet de satisfaire cette exigence dans 97 % du temps.

En souhaitant savoir ce que ce dispositif permet de respecter 60 % du temps en concentration des MES, on lit la valeur de 16 mg/L.

Source

Concentration en MES (mg/L)

Les eaux usées alimentant la plateforme proviennent du réseau domestique de la ville de Leipzig. Comme pour la majorité des réseaux urbains, les eaux usées domestiques sont diluées par des eaux claires parasites et des eaux météoriques. On rappelle que l’objectif du traitement des eaux usées est de réduire la pollution organique. Ainsi, pour juger des performances épuratoires des dispositifs, il est essentiel de pouvoir les tester à leur capacité organique de traitement.

La moyenne de DBO₅ durant le test a été de 203 mg O₂/L, avec une variation de 78 à 276 mg O₂/L au cours de l’étude. Le rapport DCO/DBO₅ a été en moyenne de 2,2. Ces valeurs montrent que les eaux usées alimentant la plateforme étaient relativement diluées par rapport aux eaux usées couramment reçues par ces dispositifs dans la vie courante. Pour essayer d’augmenter la charge organique de traitement, les effets « baignoires » ont été réalisés avec des eaux usées, et le volume journalier associé à un habitant a été augmenté de 50 % pour atteindre 125 % du volume journalier initial (soit 225 L/EH·j contre 150 L/EH·j).

Les courbes percentiles

Les performances sont présentées sous la forme de courbes percentiles. C’est une façon peu courante de présenter des résultats, mais, une fois l’œil exercé, l’essentiel des performances y apparaît et les comparaisons sont facilitées.

Pour construire ce type de courbe, l’ensemble des résultats analytiques d’un paramètre acquis au cours de l’application du protocole de test est compilé et classé de la plus petite probabilité à la plus grande. La courbe obtenue donne la probabilité de satisfaction d’une concentration donnée pour ce paramètre.

La lecture de la courbe se fait, soit en fixant une concentration et en lisant la probabilité qu’elle soit satisfaite, soit en fixant une probabilité et en lisant la concentration à laquelle elle correspond.

Il faut souligner aussi que plus la courbe est sur la gauche du graphique et plus sa pente est raide, plus le dispositif présente des performances robustes sur le paramètre considéré.

Le Graphe 2 permet d’illustrer cette explication. La courbe en jaune correspond à la compilation des résultats obtenus sur le paramètre « concentration en MES » au cours d’un test selon le protocole en conditions sollicitantes d’un dispositif « X ». On peut lire cette courbe en prenant comme référence un seuil de 35 mg/L en MES, et vérifier ainsi quelle est la probabilité qu’offre le dispositif de traitement « X » testé de satisfaire à ce seuil.

Pour cette étude, les seuils suivants ont été fixés : 35 mg/L pour le paramètre MES et 125 mg O₂/L pour le paramètre DCO. Les courbes présentées permettent donc de visualiser le pourcentage des valeurs obtenues qui respectent ces seuils (notés en rouge) pour chaque dispositif.

Performances des massifs filtrants

Le massif filtrant d’une filière de P.I.A est placé en aval d’un ouvrage de traitement primaire, le plus souvent une fosse septique. La fosse septique a pour rôle d’éliminer la pollution particulaire décantable ; elle accumule des boues primaires.

Le massif filtrant est le cœur du traitement de la pollution dissoute. L’eau usée percole au travers du massif, et la biomasse épuratrice se développe dans la porosité inter-granulaire, ou intra-granulaire selon les matériaux, et y reste. La biomasse épuratrice constitue les boues biologiques (par opposition aux boues primaires). La porosité des massifs doit être maintenue pour assurer l’apport en oxygène nécessaire à l’épuration.

Outre l’activité biologique qui permet d’abattre la pollution dissoute, les massifs filtrants ont une bonne capacité à retenir les matières particulaires. Cette bonne disposition peut avoir des conséquences significatives en termes de colmatage physique, si la porosité du massif n’est pas garantie dans le temps.

Dans la famille testée, sont présentes des variantes en termes de compacité : on trouve des massifs filtrants extensifs, des massifs compacts pour lesquels la distribution des eaux prétraitées à la surface des massifs a été améliorée, et un massif ultra-compact. La réduction de surface des procédés testés s’échelonne de 1 à 2.

Sur le paramètre MES

Les massifs filtrants (graphe 3) offrent une réponse assez bien groupée sur le paramètre MES. Toutes les filières testées restent au moins 90 % du temps sous le seuil des 35 mg/L, valeur limite fixée pour l'étude.

Les deux filières qui présentent les meilleurs résultats sont le massif filtrant à sable et roseaux (PKA) et le massif filtrant à textile/tourbe (Ecoflex). Cependant, il faut savoir que ce dernier (déclaré pour fonctionner à 5 EH) testé initialement à 6 EH a été déclassé en cours d’étude à 4 EH : ses bonnes performances sont donc imputables à une charge reçue moins élevée que celle reçue par les autres dispositifs.

En revanche, le massif à copeaux de coco (Ecofix) a été surclassé puisqu’il est déclaré fonctionner pour 5 EH et qu'il a été testé à 6 EH, ce qui en fait un dispositif performant.

Sur le paramètre DCO

Dans le graphe 4, on constate que les courbes individuelles sont les mêmes que celles pour le paramètre MES, ce qui renseigne sur la qualité de l’aération des procédés testés. Pour la première année de fonctionnement, tous les massifs filtrants testés donnent des résultats satisfaisants sur ce paramètre à plus de 95 % du temps.

Il faut souligner qu’après un an de fonctionnement, il n'est pas possible de conclure sur l'intérêt de la compacité des massifs, et de l’amélioration de la distribution des eaux usées à leur surface.

Performances des cultures fixées

Le principe de fonctionnement de ces dispositifs repose sur le développement de la biomasse épuratrice sur un support qui est mis en contact avec l’eau usée à traiter.

Dans cette famille sont testées 4 variantes : des cultures fixées immergées sur différents supports, un support en rotation dans l'eau (biodisques), et une culture fixée sur un garnissage type pouzzolane, la biomasse restant émergée en dehors des périodes d’alimentation (lit bactérien).

Ce que l'on appelle les microstations à cultures fixées sont constituées en général de 3 compartiments :

• Un décanteur primaire fait office de traitement primaire. Selon la capacité volumique qu’il présente, il peut s'apparenter aux fosses septiques (toutes eaux) qui précèdent les dispositifs traditionnels. Il en assure le rôle d’élimination de la pollution particulaire décantable des eaux brutes. Il assume un rôle complémentaire, qui est celui de stocker les boues secondaires générées par le réacteur biologique et récupérées dans le clarificateur (décanteur secondaire).
• Le décanteur primaire alimente en eau décantée le réacteur biologique aéré dans lequel on va trouver le support de fixation de la biomasse épuratrice. Les cultures fixées sont dites immergées lorsque la biomasse est en permanence dans l’eau, émergées lorsque la biomasse est à l’air et c’est l'eau qui ruisselle sur le matériau support (lit bactérien), et semi-immergées lorsque la biomasse est alternativement émergée et immergée (cas des biodisques rotatifs). Dans ces systèmes, de l’air doit être fourni aux cultures immergées. Pour les autres, une aération naturelle doit suffire aux besoins de la biomasse.
• L'eau traitée poursuit son chemin dans un décanteur secondaire, ou clarificateur, qui a pour mission de retenir les particules de biofilm qui se détachent des supports au cours du temps. Un transfert de ces boues biologiques est opéré vers le décanteur primaire pour qu'il puisse les stocker sur une longue période et éviter ainsi des vidanges fréquentes. À noter que certains procédés n’opèrent pas de transfert des boues, qui sont alors stockées dans ce petit volume.

Sur le paramètre MES (graphe 5)

Deux des quatre variantes testées offrent des réponses satisfaisantes sur le paramètre MES, avec plus de 95 % des valeurs qui sont inférieures aux 35 mg/L, seuil fixé comme valeur limite pour l'étude. Ce sont les cultures fixées immergées dont l’une à lit fluidisé (Clean Basic). Comme il s’agit de cultures fixées, la fuite de MES dans l'eau traitée est bien contenue.

Les deux autres dispositifs sont significativement moins réguliers sur ce paramètre. Il s'agit des filières dont les cultures fixées sont émergées (KP253 Pal) et semi-immer-

gées (Biodisk BA). L'alternance des phases d'immersion n'est sans doute pas un gage de bonne rétention des MES.

Sur le paramètre DCO (graphe 6)

Pour ce paramètre, par comparaison avec les MES, on constate que globalement l'aération est suffisante pour assurer l'épuration. Trois filières sur quatre présentent des valeurs inférieures au seuil fixé pour l'étude, à savoir 125 mgO₂/l et ce près de 95 % du temps. La filière la moins satisfaisante est la culture fixée émergée (lit bactérien KP253 Pal). Rappelons que pour les procédés ultracompacts dont la biomasse épuratrice est en permanence immergée, l'aération est nécessairement mécanique. Il suffit pour ces procédés d'adopter la bonne puissance d'aération ou le bon débit d’air, pour que l'oxygène ne soit pas le facteur limitant de l'épuration et ainsi faire preuve d'excellents résultats sur ce paramètre (sa fraction biodégradable).

A contrario, les deux procédés qui n'ont qu'une aération naturelle peuvent s'en trouver limités lorsque la charge organique qu'ils reçoivent dépasse les capacités d'auto-oxygénation.

Performances des cultures libres

Le principe de fonctionnement de ce type de procédé repose sur le développement de la biomasse épuratrice sous forme libre dans l'eau à épurer. On cherche toutefois à créer dans le réacteur biologique aéré les conditions particulières qui font s'agglomérer les bactéries entre elles (formation de flocs) et ainsi permettre, par décantation naturelle, de séparer la biomasse floculée de l'eau épurée qui peut être alors évacuée.

Dans cette famille de cinq dispositifs, sont testées trois variantes différentes :

• • Trois cultures libres fonctionnant selon le principe du SBR (Sequencing Batch Reactor) c'est-à-dire alimentées par batch avec des séquences définies,
• • une culture libre dans laquelle plongent des biodisques quasi totalement immergés,
• • et enfin une culture libre avec membranes.

Les PLA à cultures libres sont constituées en général de trois compartiments : un décanteur primaire faisant office de traitement primaire, un réacteur biologique aéré, et un décanteur secondaire (ou clarificateur).

Ce n'est pas le cas des procédés qui reposent sur le principe du SBR. Le compartiment primaire reçoit les eaux brutes. Il alimente gravitairement le compartiment suivant destiné au développement de la culture libre. Un système d'aération par diffuseur est installé dans ce compartiment, il est alimenté par un compresseur abrité dans une armoire électrique extérieure. La décantation secondaire est assurée dans le même compartiment, lors de la phase d'arrêt de l’aération. L'extraction des boues après cette phase de sédimentation est réalisée par le compresseur vers la cuve primaire pour leur stockage.

Un exemple de séquences (cf. schéma ci-dessous)

Leur particularité est de ne pas avoir d'ouvrage de décantation secondaire dédié. Aussi, lorsque la phase de décantation est réalisée dans le réacteur aéré, une partie des boues biologiques est pompée vers le décanteur primaire pour y être stockée, alors qu'une fraction est conservée pour assurer la dépollution des eaux usées qui vont être introduites à la séquence suivante. Le procédé avec membranes n’a pas non plus d’ouvrage de décantation secondaire puisque les membranes assurent la rétention finale des matières particulaires. Les membranes plongent dans le réacteur biologique aéré où la biomasse peut croître sous forme libre.

Sur le paramètre MES (graphe 7)

La comparaison avec les deux autres familles est sans appel : on constate que les procédés à cultures libres ont plus de mal à contenir leurs MES que les autres. Rappelons que les conditions du test sont sollicitantes, mais elles ne sont pas exceptionnelles dans la vie courante car elles simulent des usages parfaitement réalistes d'une habitation.

Autre constat : au sein d'une même catégorie, en l'espèce le SBR, on observe des réponses très différentes (filières Aquamax Basic, Sanoclean et XXX). Celui qui est le plus satisfaisant concernant le paramètre MES (Sanoclean) possède une double particularité par rapport à ses deux concurrents : un grand ouvrage de décantation primaire fournissant un volume tampon capable d'assumer des variations de charge hydraulique.

importantes, et un système automatique de régulation de la durée des phases de traitement. Ce constat nous amène à formuler une nouvelle fois une recommandation importante : il ne faut pas généraliser les bons ou mauvais résultats d'un type de procédé, mais chercher les éléments du design qui vont permettre d’appréhender les qualités ou défauts de chacun.

Un mot sur le procédé qui mêle une culture libre avec des membranes (MF HK44). Cet appareil a parfaitement bien fonctionné, comme on pouvait s'y attendre, sur la rétention des matières particulaires. Cependant, avec les fortes sollicitations hydrauliques du protocole en conditions « sollicitantes », les capacités de filtration des membranes installées ont été dépassées. Les mauvais résultats observés sont donc la conséquence immédiate d’un mauvais dimensionnement hydraulique, avec la mise en service du by-pass de l'installation.

Sur le paramètre DCO (graphe 8)

Les courbes sur ce paramètre ont les mêmes allures que pour les MES. Ici particulièrement, l'étroite relation entre la matière organique et la matière particulaire est mise en évidence. Les systèmes ont une moins bonne capacité à retenir les MES et le rendement de dépollution sur la matière organique particulaire est tout à fait équivalent.

Conclusion

La comparaison des performances de ces dispositifs sollicités par un protocole plus contraignant que celui de la norme EN 12566-3+A1 permet de donner ces premières conclusions par type de familles testées et pour 40 semaines de fonctionnement.

La famille des massifs filtrants apporte les meilleures performances sur le plan de la rétention des matières particulaires. Cela se traduit, au moins dans le début de la vie des installations, par une bonne performance sur l’élimination de la matière organique.

La famille des cultures libres montre des difficultés à satisfaire aux objectifs fixés, essentiellement en raison de la faible performance à conserver les matières en suspension.

Les performances de la famille des cultures fixées se situent entre les deux familles précédentes, avec des résultats pour certains dispositifs approchant ceux des massifs filtrants.

Sur la base des résultats des 13 filières testées (tableau 3), de façon identique, avec le protocole en conditions « sollicitantes », les performances moyennes par familles sont calculées. Ces moyennes confirment les bonnes performances des massifs filtrants avec une faible dispersion des valeurs, ainsi que les bonnes performances des cultures fixées.

À l’intérieur de chaque famille, des variantes de conception se traduisent par des performances différentes. Cependant, pour les massifs filtrants, les performances – du moins de première année – restent très proches dans la panoplie des dispositifs testés. Ceci se vérifie également pour les technologies à cultures fixées. En revanche, une plus grande dispersion des résultats est observée pour la famille des cultures libres. Particulièrement pour cette dernière catégorie, il est important de bien identifier les caractéristiques qui peuvent apporter des garanties sur la fiabilité du traitement pour juger objectivement chaque dispositif.

Ces résultats, associés à ceux décrits dans la publication des performances des filières étudiées à Nantes, ont permis à Veolia Eau d’établir des critères de choix, des appréciations de fonctionnement et des recommandations. Ces données continuent d’être complétées aujourd’hui par des études in situ de dispositifs installés chez des particuliers et suivis pendant 5 ans par Veolia Eau.