Soutenance mémoire
Dispositif d’assainissement non collectif (ANC)
L’assainissement non collectif (ou autonome) est un dispositif assurant la collecte, le traitement et l’évacuation des eaux usées domestiques de manière autonome, à proximité de l’habitation (Brigand et Lesieur, 2008).
Ce mode d’assainissement concerne les habitations qui ne sont pas desservies par un réseau public de collecte des eaux usées, soit que celui-ci n’existe pas, soit que la maison a été déclarée trop difficilement ou coûteusement raccordable au réseau existant. Ce mode d’épuration des eaux usées touche entre cinq et six millions de logements, soit environ 20 % de la population française. Une proportion importante de la population dans un certain nombre de pays, dont l’Australie et les Etats-Unis, s’appuie sur l’ANC pour le traitement et l’évacuation des eaux usées domestiques dans les zones semi-urbaines et rurales. Par exemple, environ 13 à 20 % de la population australienne, soit plus de deux millions de personnes, n’ont pas de réseau d’assainissement et s’appuient sur l’ANC (Thomas et al., 1997; Beal et al., 2005). L’ANC reste une méthode courante d’évacuation des eaux usées aux États-Unis parce que la population américaine continue à se développer dans les zones rurales et périurbaines non desservies par les égouts municipaux. Environ 25 à 36 % de tous les foyers américains sont en ANC (USEPA, 1986; Hariston, 1995; Conn et al., 2006) et cette statistique n’a été enregistrée que dans certaines régions où la densité est supérieure à 800 dispositifs d’ANC par kilomètre carré (Borchardt et al., 2003a).
D’une manière générale, les dispositifs d’ANC doivent être conçus, implantés et entretenus de manière à réduire le risque de contamination du milieu récepteur, notamment dans un compartiment où de l’eau est prélevée en vue de l’alimentation humaine ou animale (puits pour arroser le potager, élevage, pêche à pied sur la plage) ou d’usages particuliers tels que la baignade.
Eléments d’un dispositif d’ANC
Un dispositif classique d’ANC se compose d’une part, d’une fosse septique qui reçoit toutes les eaux usées de la maison afin d’effectuer la phase de prétraitement ; d’autre part, un épandage des eaux usées prétraitées pour la filtration par le sol naturel ou reconstitué (dans le cas où la granulométrie du sol en place ne convient pas) qui assure la phase de traitement. Le dispositif inclut parfois un élément qui permet de rejeter l’eau usée traitée au milieu superficiel de telle façon que ses caractéristiques soit acceptables sur le plan sanitaire et environnemental .
Un dispositif d’ANC se compose généralement de cinq parties principales répondant aux fonctions suivantes :
• Collecte : ensemble d’ouvrages collectant et transportant les eaux usées de la sortie de l’habitation au prétraitement ;
• Prétraitement : dispositif permettant la dégradation de 40 à 50 % de la pollution par rétention des matières solides et matières flottantes ;
• Ventilation : ensemble d’ouvrages évacuant les gaz de fermentation du prétraitement ;
• Traitement : ouvrage permettant la dégradation du reste de la pollution par l’action des micro-organismes situés dans le sol existant ou dans des matériaux rapportés ;
• Évacuation : les eaux usées traitées sont évacuées soit par infiltration dans le sol, soit par rejet vers le milieu hydraulique superficiel, soit dans certains cas par évaporation.
Collecte
L’ensemble des eaux usées de la maison est collecté vers le prétraitement par des tubes et raccords formant une conduite étanche. La cote de sortie des canalisations doit être la moins profonde possible, afin que le dispositif de prétraitement soit lui-même enterré le moins profond possible. Cependant, pour garantir une collecte rapide et sans stagnation de l’effluent, la conception doit garantir une pente de canalisation entre 2 et 4 %.
Prétraitement
Les ouvrages les plus fréquents pour le prétraitement sont la fosse toutes eaux et la fosse septique. Il existe d’autres dispositifs comme le bac à graisses, le préfiltre décolloïdeur et la micro-station. Un prétraitement seul ne permet pas un rejet dans le milieu naturel. En France, tout rejet dans le milieu naturel après un prétraitement seul est interdit. En pratique, le diagnostic réalisé depuis 2006 sur l’ensemble du territoire national montre que ce cas est fréquent et les arrêtés de 2009 et 2012 tentent d’y remédier.
La fosse toutes eaux collecte l’ensemble des eaux usées domestiques (eaux vannes et eaux ménagères) issues de l’habitation. La fosse septique occupait par le passé la même place dans le dispositif que la fosse toutes eaux, mais elle se différencie de la fosse toutes eaux par sa collecte limitée aux eaux vannes (toilettes). Elle est encore préconisée mais uniquement dans le cadre de la réhabilitation d’une installation existante ancienne.
La fosse toutes eaux comme dans la fosse septique prépare les eaux au traitement final par deux fonctions :
• Une fonction hydraulique : phénomène physique de séparation des particules solides par flottation (formation d’un chapeau de graisses) et par sédimentation (formation d’un dépôt de boues) ; en sortie de fosse, l’effluent est totalement liquide, évitant le colmatage du traitement à l’aval ;
• Une fonction biologique : phénomène de liquéfaction et de gazéification des matières solides retenues dans la fosse, par digestion bactérienne anaérobie ; cette activité naturelle s’accompagne d’un dégagement gazeux (méthane, hydrogène sulfuré) pouvant générer des nuisances olfactives et la corrosion du béton, d’où la nécessaire de mettre en place en aval une extraction efficace débouchant au-dessus du toit.
La fonction biologique s’effectue majoritairement par des processus métaboliques bactériens de fermentation et de méthanisation.
La fermentation se compose de deux étapes : l’hydrolyse des matières organiques et l’acidogenèse. Dans un premier temps, les composés organiques complexes (glucides, lipides, protéines et acides nucléiques) de l’effluent brut sont convertis en molécules solubles plus simples, en monomères (oses, acides gras, acides aminés et acides nucléiques), sous l’action catalytique d’exo-enzymes produites par les micro-organismes anaérobies. Par exemple, les composés azotés (protéines et acides aminés) présents dans les eaux domestiques, tels que l’urée ou la créatine, sont transformés en ions ammonium (NH4+ ) qui vont constituer l’essentiel de la pollution azotée à épurer. A partir des produits issus de l’hydrolyse, différentes réactions de fermentation sont mises en jeu et elles conduisent à la production de dihydrogène (H2), de dioxyde de carbone (CO2) et de divers acides organiques dont les acides propionique, butyrique et acétique. Au stade final de la fermentation, l’acide acétique est l’élément majeur de la pollution carbonée des effluents septiques (Philip, 1983).
La méthanisation est un processus en deux étapes, l’acétogenèse et la méthanogenèse. Les acides organiques formés au cours de la fermentation sont partiellement dégradés par les bactéries acétogènes et transformés en méthane (CH4) et en dioxyde de carbone (CO2) par les bactéries méthanogènes. Les deux principales voies de formation du méthane sont la réduction du CO2 et la décarboxylation de l’acide acétique. L’acétate est métabolisé directement par les Archaea-bactéries (les méthanogènes et les sulfidogènes) ou par association syntrophique (Lee et al., 2003).
Néanmoins, dans les fosses toutes eaux comme dans les fosses septiques, les bactéries méthanogènes ne s’’installent pas facilement et elles ont un taux de croissance lent. Alors, l’hydrolyse et l’acidogenèse prédominent, ce qui résulte en une accumulation plus importante de H2 et d’acides gras volatils tels que les acides acétique, propionique et butyrique. Lors du prétraitement s’opère une réduction de plus de 60 % des matières en suspension (MES) de l’effluent brut et un abattement d’environ 50 % de la matière organique. En revanche, l’abattement des microorganismes est négligeable (Chabaud, 2007).
Ventilation
La ventilation est un élément à ne pas négliger lors de la mise en œuvre du dispositif d’ANC. C’est en effet le dégagement d’odeurs nauséabondes, dû à un défaut ou à l’absence de ventilation, qui est à l’origine de la mauvaise presse de l’ANC.
La ventilation a pour rôle d’évacuer les gaz produits par la digestion bactérienne anaérobie dans la fosse toutes eaux ou septique, afin de limiter les problèmes d’odeurs et la corrosion des ouvrages en béton. La ventilation correspond à une circulation d’air réalisée à l’aide d’une entrée d’air en amont du prétraitement et d’une extraction des gaz en aval du prétraitement.
Traitement
Le traitement a pour but d’épurer l’eau usée prétraitée pour en faire une eau traitée avec, en principe, des caractéristiques physico-chimiques et microbiologiques acceptables pour pouvoir la rejeter dans le milieu récepteur. La réglementation française privilégie la dispersion des eaux usées traitées dans le milieu souterrain. Le rejet après traitement dans le milieu hydraulique superficiel reste normalement exceptionnel et devrait respecter une qualité minimale dont la mémoire est gardée dans l’article 3 de l’arrêté du 6 mai 1996 relatif à l’ANC : le seuil minimal requis pour le rejet était de 30 mg/L pour les MES et de 40 mg O2/L pour la demande biochimique à 5 jours (DBO5). Cependant, la réglementation plus récente agrée les techniques d’épuration en termes d’obligation de moyens et a supprimé toute d’obligation à un contrôle de la qualité des rejets.
Pour réaliser le traitement, on utilise le pouvoir épurateur naturel du sol en place ou du sol reconstitué par un massif de sable (Figure 3) dont la granulométrie a été définie spécialement pour le traitement des eaux usées prétraitées en ANC. L’effet de filtration permet la rétention des matières en suspension (MES) et de certains micro-organismes. De plus, l’écoulement dans ce système s’effectue dans un état de milieu poreux non saturé. L’état non saturé signifie un milieu triphasique (l’air, l’eau, les particules du sol en place ou du sable) dans lequel le traitement de la pollution s’effectue selon les mécanismes de la dégradation biologique aérobie par les micro organismes présents dans (ou colonisant) le sol en place ou le sable rapporté. Cette dégradation permet l’élimination de la matière carbonée et ammoniacale en CO2 et en ions NO3- , la réduction massive des MES et une légère diminution de la pollution microbienne.
Le traitement obtenu est optimal lorsque la population bactérienne reçoit en permanence de l’air (oxygène). Donc, pour ne pas isoler le milieu filtrant, il faut éviter tout obstacle à l’échange air-eau entre la surface et le sol ou le sable, que ce soit par imperméabilisation (revêtement en béton, goudron…) ou compactage (passage de véhicules, de bétail…) de la surface du traitement. Il faut éviter aussi d’installer les tuyaux d’épandage trop profondément dans le sol ou de les recouvrir sous un remblai car ils seraient alors situés en zone anaérobie. Brigand et Lesieur (2008) ont exposé les filières techniques d’ANC existantes et agréées, notamment celles qui assurent l’épuration de l’eau usée par le sol ou par un sable rapporté, l’eau étant toujours prétraitée par la fosse septique. Le choix entre ces techniques considérées comme classiques s’effectue essentiellement sur des critères physiques de description du site : profondeur du sol en place, perméabilité du sol, pente, profondeur de la nappe, nature du sol, surface disponible, volume d’eau à traiter.
On envisage d’abord le traitement par le sol en place. Dans le cas où le sol en place a une perméabilité, selon l’essai Porchet, entre 6 et 50 mm/h (soit entre 1,67E06 et 1,39E-05 m/s) et une profondeur homogène entre 70 cm et 100 cm, et à condition que le niveau haut de la nappe phréatique soit situé au minimum à 1 mètre sous les tuyaux d’épandage et que la pente de la surface de l’épandage soit inférieure à 10 %, la mise en œuvre de l’épandage souterrain à faible profondeur par tranchée filtrante ou lit d’épandage est recommandée . Dans un sol fissuré ou avec une perméabilité supérieure à 1,39E-04 m/s, les techniques de la tranchée filtrante et le lit d’épandage sont à proscrire.
On envisage ensuite le traitement par un sol reconstitué par du sable rapporté. Lorsque les caractéristiques du sol ne permettent pas l’implantation d’une tranchée ou d’un lit d’épandage, des filtres à sable ou des tertres d’infiltration sont installés. Cette disposition peut être adoptée lorsque le sol en place est estimé insuffisamment perméable (<1,67E-06 m/s), ou au contraire trop perméable (>1,39E-04 m/s). Cependant, lorsque le sol sous-jacent est imperméable et ne permet pas l’évacuation des eaux par le sol vers le bas, le filtre à sable à filtration verticale peut être drainé. L’évacuation est alors assurée vers le milieu superficiel par un rejet en fossé ou juste sous la surface du sol.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1. Analyse bibliographique
1.1. Dispositif d’assainissement non collectif (ANC)
1.1.1. Eléments d’un dispositif d’ANC
1.1.2. Collecte
1.1.3. Prétraitement
1.1.4. Ventilation
1.1.5. Traitement
1.1.6. Évacuation
290 1.1.7. Composition des eaux usées domestiques et des eaux traitées en ANC
1.1.8. Conception des dispositifs d’ANC
1.1.8.1. Aptitude d’une parcelle à l’ANC
1.1.8.2. Dimensionnement
1.2. Processus d’épuration par filtration
1.2.1. Traitement des matières en suspension et de la matière organique
1.2.2. Dégradation de l’azote et du phosphore
1.2.3. Traitement des micro-organismes pathogènes
1.2.3.1. Élimination des micro-organismes
1.2.3.2. Mécanismes de transport et de rétention des micro-organismes
300 1.2.3.3. Devenir des bactéries
1.2.3.4. Devenir des virus
1.2.4. Élimination des micropolluants organiques
1.2.5. Épuration par le sol : agriculture, sols pollués, STEP
1.2.6. Évacuation par le sol des eaux usées traitées
1.2.6.1. Effet des propriétés physiques du sol
1.2.6.2. Effet des paramètres hydrauliques du sol
1.2.7. Conclusion
1.3. Caractérisation physique du sol
1.3.1. Les éléments constitutifs de la matrice et la classification des sols
310 1.3.1.1. Analyse granulométrique
1.3.1.2. Les constituants solides et la texture
1.3.2. Structure du sol
1.3.3. Espace poral
1.3.3.1. Forme de l’espace poral
1.3.3.2. Masse volumique réelle et apparente du sol
1.3.3.3. Organisation du sol en horizons ou en couches
1.3.3.4. Répartition de la porosité du sol
1.3.3.5. Évolution de la structure des sols
1.3.4. Les argiles
320 1.3.5. Surface spécifique
1.3.6. Caractéristiques physiques et hydrauliques des sols caillouteux
1.4. Mécanisme d’écoulement de l’eau dans le sol
1.4.1. Propriétés hydrauliques du sol
1.4.1.1. Teneur en eau du sol
1.4.1.2. Rétention de l’eau dans le sol
1.4.1.3. Sonde de pression et piézomètre
1.4.2. Circulation de l’eau dans un milieu saturé
1.4.2.1. Loi de Darcy
1.4.2.2. Notion d’anisotropie
330 1.4.2.3. Notion d’hétérogénéité
1.4.3. Notions utilisées pour la conductivité hydraulique
1.4.4. Méthodes de mesure de la conductivité hydraulique
1.4.4.1. Méthode de Porchet
1.4.4.2. Méthode du perméamètre de Guelph
1.5. Relations empiriques entre les propriétés physiques et hydrauliques du sol
1.5.1. Définition générale des fonctions de pédotransfert (FPTs)
1.5.2. Des FPTs pour prédire la conductivité hydraulique du sol
1.5.2.1. La Ks-FPT de Cosby (1984)
1.5.2.2. La Ks-FPT de Brakensiek (1984)
340 1.5.2.3. La Ks-FPT de Vereecken (1990)
1.5.2.4. La Ks-FPT de Saxton (1986)
1.5.2.5. La Ks-FPT de Saxton (2006)
1.5.2.6. La Ks-FPT d’Adhikary (2008)
1.5.2.7. La Ks-FPT de Wösten (1997)
1.5.2.8. La Ks-FPT de Wösten (1999)
1.5.2.9. La Ks-FPT de Campbell (1985)
1.5.2.10. La Ks-FPT de Ferrer-Julià (2004)
1.5.3. Critères statistiques pour évaluer les FPTs
1.5.4. Des FPTs pour prédire la masse volumique apparente du sol
350 1.5.4.1. Des paramètres prédicteurs des BD-FPTs
1.5.4.2. Les BD-FPTs de la catégorie BD1
1.5.4.3. Les BD-FPTs de la catégorie BD2
1.5.4.4. Les BD-FPTs de la catégorie BD3
1.5.4.5. Les BD-FPTs de la catégorie BD4
1.6. Écoulement préférentiel dans le sol
1.6.1. Classification de l’écoulement préférentiel
1.6.2. Impact des cailloux sur l’écoulement préférentiel
1.6.3. Techniques d’études de l’écoulement préférentiel
1.7. Conclusion sur la caractérisation physique, les mécanismes d’écoulement et le
360 pédotransfert
Chapitre 2. Contexte et cartographie du sol étudié
2.1. Description générale de l’Yonne
2.2. Géologie de l’Yonne et géomorphologie
2.3. Réseau hydrographique
2.4. Description pédologique de l’Yonne
2.4.1. Les Puisayes (PC, PE et PG)
2.4.1.1. La Puisaye Crétacée (PC)
2.4.1.2. La Puisaye Eocène (PE)
370 2.4.1.3. La Puisaye Gâtinaise (PG)
2.4.2. L’Auxerrois occidental (AO)
2.4.3. La Champagne Jovinenne (CJ)
2.4.4. Le Gâtinais (GA)
2.4.5. Les Plateaux de Bourgogne (BO)
2.5. Les colluvions : un milieu complexe
2.5.1. Les colluvions dans la carte pédologique existante
2.5.2. Méthodologie développée pour cartographier la colluvion
2.5.3. Justification du choix du site pour installer le pilote d’ANC
2.6. Conclusion du chapitre 2
Chapitre 3. Démarche expérimentale : caractérisation hydraulique et physique
3.1. Conception et réalisation d’un site pilote pour l’étude des fonctions du sol en
assainissement non collectif
3.1.1. Description du site d’implantation du dispositif d’ANC dédié
3.1.2. Matériels et méthode
3.1.2.1. Essais in situ dans la fouille
3.1.2.2. Installation des dispositifs de surveillance hydrique
3.1.2.3. Prélèvement de l’eau interstitielle du sol
3.1.2.4. Les tensiomètres pour mesurer la succion du sol
390 3.1.2.5. La sonde de profil de teneur en eau du sol
3.1.2.6. Centrale d’acquisition des données
3.1.2.7. Traitement des données hydrodynamiques du site pilote
3.1.2.8. Station météorologique
3.1.2.9. Dispositif de surveillance de la nappe phréatique
3.2. Mesure in situ de la conductivité hydraulique à saturation du sol par le
perméamètre de Guelph
3.2.1. Protocole de mesure de la conductivité hydraulique par Guelph
3.2.2. Principe théorique et mode de calcul
3.2.2.1. Equations utilisées pour interpréter la conductivité hydraulique avec l’appareil 400 Guelph
3.2.2.2. Les résultats des mesures de la conductivité hydraulique à saturation
3.3. Caractérisation pédologique des échantillons de sols
3.3.1. Stratégie de prélèvement et préparation des échantillons de sols
3.3.2. Description des logs
3.3.3. Humidité (teneur en eau) résiduelle
3.3.4. La teneur en cailloux des échantillons
3.3.5. Analyse granulométrique des échantillons
3.3.5.1. Analyse granulométrique du sable (massif filtrant)
3.3.5.2. Analyse granulométrique du sol du site pilote
410 3.3.5.3. Comparaison des méthodes de mesure de la texture
3.3.6. Analyse de la surface spécifique du sol
3.3.7. Observation microscopique des particules fines du sol
3.3.8. Analyse de consistance du sol : les limites d’Atterberg
3.3.9. La teneur en carbonate de calcium des échantillons
3.3.10. La teneur en matière organique
3.4. Détermination in situ de la masse volumique apparente d’une colluvion
3.5. Conclusion du chapitre 3
Conclusion générale
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