Brevet FR2893936A1 — publié le 20070601

Installation et procédé de traitement unitaire des effluents La présente invention concerne une installation et un procédé permettant de traiter la pollution des effluents collectés par des réseaux unitaires d'assainissement des collectivités locales. L'assainissement des effluents provenant des collectivités locales est habituellement effectué par un réseau collecteur, qui les recueille et qui les achemine vers une unité de traitement, qui, au mieux, traite la pollution contenue dans ces effluents et rejette ensuite vers le milieu naturel (cours d'eau, rivage, etc) des effluent épurés. Les réseaux collecteurs peuvent être unitaires ou séparatifs. Ils sont dits unitaires lorsqu'ils recueillent à la fois, au moyen des mêmes canalisations, les effluents et les eaux de ruissellement provenant des pluies, et ils sont dits séparatifs lorsqu'ils sont constitués de deux ensembles distincts de canalisations, à savoir un ensemble recueillant les effluents et l'autre ensemble recueillant les eaux de ruissellement. On comprend que les réseaux collecteurs unitaires sont amenés à subir de fortes variations de débit et de charges polluantes, dont les extrêmes sont respectivement atteints d'une part dans des périodes et situations de faible rejet (milieu de la nuit, par temps sec), et d'autre part dans des périodes et situations de fort rejet (matin, soir par forte pluie). Même pour des instants identiques de la journée, le ratio entre les débits de temps sec et les débits de temps de pluie peuvent ainsi atteindre des valeurs de l'ordre de 10 à 20. Ces fortes variations, et la faible pollution contenue dans les eaux de ruissellement, ont amené les collectivités à se doter préférentiellement de réseaux séparatifs, évitant des surdimensionnements des équipements (réseaux, unités de traitement) et permettant un fonctionnement plus stable et donc plus performant des unités de ces dernières. Cependant, la création de réseaux séparatifs, notamment lorsque des réseaux unitaires existent déjà, s'avère habituellement extrêmement coûteuse pour différentes raisons . - travaux malaisés en centre ville entraînant des perturbations considérables pour les riverains, les commerçants et plus généralement les déplacements, - reprise de l'ensemble des branchements jusque dans les propriétés privées. De plus, même lorsque le réseau est séparatif, on constate très souvent une grande sensibilité des débits des réseaux d'eaux usées aux événements pluvieux du fait des inévitables fuites de ces réseaux, avec notamment l'intrusion d'eaux parasites provenant de la pluie infiltrée dans le sol, et des fréquents branchements non conformes (eaux de pluie ou de ruissellement rejetées dans les réseaux d'eaux usées), difficiles à localiser et à combattre. La recherche de solutions d'installation en mesure d'absorber des débits et des variations de charge très importantes est donc apparue. Il existe actuellement de nombreux procédés et installations de traitement des effluents et on citera notamment : le lagunage naturel, le lagunage aéré, les filtres plantés de roseaux, les lits bactériens, les biodisques, les boues activées ou cultures libres, les bio filtres ou cultures fixées, la filtration sur membrane. Les procédés les plus simples à mettre en oeuvre sont le lagunage et les filtres plantés de roseaux. Si ces procédés présentent des performances moindres et nécessitent des surfaces au sol importantes, ils présentent l'avantage d'être très peu coûteux à la fois en investissement et en fonctionnement. Les autres techniques, à l'inverse, nécessitent la construction d'ouvrages de génie civil et l'utilisation d'énergie, ce qui leur confère des coûts considérablement supérieurs tant en investissement qu'en fonctionnement. Le lagunage et les filtres de type à roseaux sont donc souvent choisis pour des installations de faible taille recevant par exemple une pollution de quelques dizaines d'équivalents-habitants à quelques milliers(on rappellera que l'unité équivalent-habitant notée EH correspond à la production de 60 grammes de DB05 par jour, la DB05 étant une mesure de la pollution carbonée qui correspond à la demande biologique en oxygène sur 5 jours), les installations nécessitant du génie civil étant mises en oeuvre pour des réseaux traitant de plusieurs milliers jusqu'à plusieurs millions d'équivalents-habitants. On sait que la décomposition de la pollution dans les procédés de lagunage est principalement réalisée d'une part par décantation, et d'autre part par l'action de bactéries aérobies se développant naturellement, l'oxygène étant apporté par l'air qui se trouve au dessus de la surface de l'eau, par insufflation de celui-ci dans le cas de lagunes aérées, ou par émission par les algues par photosynthèse. La lagune constitue en fait, au sens du génie chimique, un réacteur mélangé , dans lequel les débits d'entrée sont identiques aux débits de sortie, puisque évacués de façon permanente par surverse. Ce mode de fonctionnement confère au lagunage une bonne stabilité des performances face à des variations importantes de débit ou de charge, tant que cette charge reste cependant suffisamment diluée. Ainsi, lorsque la lagune est par exemple en sortie d'un système unitaire de collecte des effluents et reçoit des effluents par temps de pluie, le volume stocké dans la lagune joue un rôle tampon par mélange des eaux déjà présentes et des débits de temps de pluie, et la diminution momentanée du temps de séjour, alors qu'existe déjà une flore bactérienne développée, n'affecte pas trop la capacité d'épuration, à l'image d'ailleurs des systèmes d'épuration dits par boues activées. Les filtres plantés de roseaux sont apparus plus récemment, et comprennent habituellement deux bassins étagés plantés de roseaux (souvent des phragmites), à savoir un premier étage formé de gravillons et un second étage formé de sable. Le premier étage retient à sa surface toutes les particules contenues dans les effluents, si bien qu'il se forme une couche de boues sur cette surface, mais grâce à la présence des roseaux dont les tiges traversent cette couche, il ne se produit pas de colmatage et les effluents poursuivent leur percolation à travers les différentes couches des filtres. La pollution est dégradée en partie à l'intérieur du filtre par les bactéries présentes en surface des gravillons et des racines des roseaux. Les roseaux absorbent une partie de la pollution ainsi décomposée. Le deuxième filtre sert à affiner l'épuration. La surface nécessaire des filtres proprement dits est de l'ordre de 2 à 2,5 m2/EH, une surface globale de l'ordre de 8 à 10 m2/EH étant cependant nécessaire du fait de la conception des bassins et des circulations et de l'aménagement en étages successifs. On a constaté que les filtres de type à roseaux permettent un traitement de la pollution plus poussé que les lagunes, d'une part, en raison de ce que la filtration à travers les substrats de gravillons et de sable permet une rétention des matières en suspension et des micropolluants bien supérieure à la décantation en lagune et, d'autre part, en raison de l'aération naturelle des substrats liée au mode d'alimentation verticale, à leur granulométrie et aux mouvements des tiges des roseaux. Cette aération permet le développement des bactéries aérobies qui décomposent la pollution carbonée et des bactéries nitrifiantes capable de réduire l'ammoniac en nitrates. En raison de ces performances épuratoires supérieures à celles des lagunes, on a proposé de mettre en place en aval de lagunes existantes ou nouvelles des filtres de type à roseaux, ces filtres permettant ainsi un affinage de la pollution après la lagune, en complément de celle-ci. Cependant si ces filtres permettent une épuration assez performante, ils supportent mal par contre des accroissements prolongés ou importants de débit, qui peuvent soit noyer le substrat, soit le lessiver . Les effluents collectés lors de pluies importantes ne peuvent donc être admis en totalité sur les filtres, et sont en conséquence évacués directement vers le milieu naturel, sans être dépollués. En conclusion, parmi les techniques simples d'épuration, à savoir lagunage et filtres de types à roseaux, aucune n'apparaît totalement satisfaisante : - le lagunage, s'il est très robuste face à des variations de débit, est d'une mise en œuvre peu coûteuse, et reste d'une performance médiocre, notamment pour le traitement de la pollution azotée. La mise en place d'un traitement aval, (lit bactérien ou filtres plantés de roseaux) est possible pour affiner le traitement, mais représente un surcoût important, - les filtres de type à roseaux permettent un traitement plus poussé de la pollution, avec notamment une nitrification partielle, mais supportent mal des accroissements prolongés de débit et ne peuvent donc admettre la totalité des effluents de temps de pluie, laissant une partie de ceux-ci se diriger directement vers le milieu naturel sans dépollution préalable. L'invention a pour but de proposer une mise en œuvre simple de traitement des eaux usées qui présente l'ensemble des avantages recherchés, à savoir un traitement poussé de la pollution, y compris azotée, et une capacité d'admettre et de traiter les effluents recueillis par temps de pluie, donc pour des débits considérablement plus importants que ceux recueillis par temps sec. Elle permet ainsi de proposer une solution satisfaisante à une collectivité disposant de réseaux unitaires pour l'épuration de ses effluents. La présente invention a ainsi pour objet une installation de traitement des effluents collectés par un réseau d'assainissement à caractère unitaire, caractérisé en ce qu'il comprend d'amont en aval: un dispositif de contrôle du débit des effluents incidents permettant de séparer ceux-ci en deux débits, à savoir un débit traversant, limité à une valeur déterminée, et un débit excédent, un filtre du type à roseaux recevant le débit traversant issu du dispositif de contrôle du débit, une lagune recevant, d'une part, le débit traversant en sortie du filtre de type à roseaux et, d'autre part, le flux excédent issu du dispositif de contrôle des débits , qui est constituée d'au moins un bassin comportant des moyens de rejet vers l'extérieur constitués, d'une part, d'une évacuation à débit contrôlé limité au plus au susdit débit de valeur déterminée et, d'autre part, d'une surverse de sécurité disposée à un niveau (h+h)' supérieur. Ladite valeur limitée sera préférentiellement égale au débit maximal par temps sec existant à son entrée. Par ailleurs le volume de la lagune permettra le stockage du flux excédent admis, à concurrence d'un flux correspondant à une pluie de référence donnée. Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention le dispositif de contrôle du débit pourra être constitué d'un 15 régulateur de type à vortex. La présente invention a également pour objet un procédé de traitement des effluents collectés par un réseau d'assainissement à caractère unitaire, caractérisé en qu'il comporte les étapes consistant à : 20 - contrôler le débit incident admis en entrée d'une installation afin, lorsque celui-ci dépasse une valeur donnée, de le séparer en deux débits, à savoir un débit traversant et un débit excédent au-delà de ladite valeur donnée, 25 - traiter le débit traversant au moyen d'un filtre de type à roseaux, traiter, dans une lagune, le débit traversant issu du filtre du type à roseaux, et le débit excédent lorsque le débit incident dépasse ladite valeur 30 donnée, rejeter les deux débits réunis avec un débit au plus égal à ladite valeur donnée. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé dans lequel : - la figure 1 est une vue de dessus schématique d'une 5 installation conforme à la présente invention. - La figure 2 est une vue en coupe verticale schématique d'un mode de réalisation d'une lagune faisant partie de l'installation suivant l'invention. L'installation représentée sur la figure 1 est 10 essentiellement constituée d'un filtre 1 de type à roseaux qui est relié par une canalisation 3 à une lagune 5 disposée en aval de celui-ci. L'arrivée des effluents dans l'installation se fait, avec un débit incident Q, par une canalisation 7 qui aboutit à un dispositif de contrôle du 15 débit 8. Ce dernier envoie, par une canalisation 9, un flux traversant Qtr vers le filtre de type à roseaux 1 en limitant celui-ci à une valeur donnée spécifique Qmax r envoyant vers la lagune 5, par une canalisation 10, tout flux excédentaire Qe. 20 Le dispositif de contrôle du débit 8 est conçu de façon telle que la valeur spécifique déterminée Qmax soit égale à une moyenne des débits maximaux par temps sec mesurés par exemple lors de campagnes de mesure à l'entrée A de l'installation de traitement. 25 Le filtre de type à roseaux 1, peut être composé d'un ou de plusieurs bassins disposés en parallèle fonctionnant en alternance, (trois bassins dans le mode de mise en oeuvre représenté sur la figure 1). Il est dimensionné sur la base du débit Qmax et de la charge polluante associée, 30 selon l'état antérieur de la technique. Ainsi, ce filtre un étage pourra être dimensionné à environ 1, 5 m2/EH, voire un peu moins, son alimentation pouvant être réalisée en continu ou par bâchées. On notera que la conception de l'installation selon l'invention dans laquelle le débit admis sur le filtre de type à roseaux 1 est limité au débit maximal Qmax de temps sec, sans prise en compte d'un débit supplémentaire représentant une fraction des eaux d'origine pluviale, permet de limiter considérablement la surface des filtres. La lagune 5 est représentée en coupe schématique verticale sur la figure 2. Elle est préférentiellement constituée d'un bassin 6 à la partie supérieure duquel débouchent les canalisations 3 et 10 qui amènent les débits traversant Qtn et en excédent Qe qui proviennent respectivement du filtre de type à roseaux 1 et du dispositif de contrôle du débit 8. L'évacuation des liquides en sortie de ce bassin 6 se fait par deux moyens, à savoir une conduite de rejet 13, de débit limité au plus à ladite valeur Qmax et une surverse d'évacuation du trop plein 14. La conduite de rejet 13 est disposée à une hauteur h du fond du bassin. La surverse du trop plein 14 est disposée à une hauteur h' de la conduite de rejet 13, constituant ainsi un volume de rétention Vr en mesure d'accueillir et de stocker les effluents issus du débit Qe pendant un certain temps fonction de ce débit. Dans ces conditions, on comprend que la totalité de l'évacuation se fait par la conduite 13, sauf dans le cas de pluies exceptionnellement fortes où le volume Vr du bassin 6 viendrait à être rempli en totalité et où le surplus serait alors évacué par la surverse 14. Le bassin 6 comporte en entrée une fosse 15 apte à capter les éléments solides contenus dans le flux 30 recueilli, notamment du débit excédent Qe, La lagune sera préférentiellement dimensionnée selon les prescriptions de la publication du CEMAGREF le lagunage naturel en France : état de l'art et tendances récentes , le calcul de dimensionnement faisant logiquement abstraction de la première lagune de décantation. Il importera ici de bien tenir compte de ses conditions de fonctionnement, à savoir que les effluents arrivant à la lagune sont : o pour partie, dilués (effluents de temps de pluie) o pour partie, déjà traités par le filtre de type à roseaux en temps sec. La charge polluante contenue dans les effluents arrivant à la lagune 5 est donc très significativement inférieure à celle de la situation standard d'une lagune recevant directement des effluents. De ce fait, une lagune en un seul étage, et typiquement un seul bassin, d'une surface au sol réduite à environ 5 m2/EH, suffit normalement, au lieu de 6 m2/EH pour un premier bassin de décantation et de 2,5 + 2,5 = 5 m2/EH pour des second et troisième bassins de finition (soit donc au total 5 m2/EH au lieu de 11 m2/EH). La présente invention est particulièrement intéressante en ce qu'elle cumule les avantages des filtres de type à roseaux et de la lagune, sans en posséder toutefois les inconvénients, à savoir : - haute performance épuratoire, - admission et traitement des débits de temps de pluie, 25 - faible accumulation des boues dans la lagune (les boues étant pour l'essentiel accumulées en surface du filtre de type à roseaux). Par ailleurs, sa mise en œuvre s'avère aussi économique que celles faisant appel à des seuls filtres de type à 30 roseaux ou à des lagunes, malgré la présence des deux, car leur combinaison permet de conserver les réseaux existants et de réduire les surfaces au sol : au total 1,5 + 5 = 6,5 m2/EH suffisent, alors que : - un filtre de type à roseaux requiert typiquement une surface de l'ordre de 2,5 m2/EH, ceci pour un débit Qmax, le dimensionnement étant augmenté proportionnellement pour des débits supérieurs à Qmax - une lagune requiert typiquement une surface de l'ordre de 11 m2/EH, alors que le dispositif permet de traiter la pollution : - de façon plus poussée que la lagune - de façon plus complète que le filtre de type à roseaux (admission des débits de temps de pluie) La présente invention permet surtout de conserver les réseaux d'assainissement tels qu'ils sont, sans que les utilisateurs soient contraints d'engager des travaux de mise en réseau séparatif extrêmement coûteux et, comme mentionné en introduction, à l'efficacité souvent médiocre, pour assurer la limitation des débits de temps de pluie. Dans un mode de mise en œuvre particulièrement intéressant de l'invention, le dispositif de contrôle des débits 8, pourra avantageusement être de type vortex. On sait en effet que ces dispositifs sont des régulateurs qui, sans partie mobile, fonctionnent exclusivement par effet vortex sous les effets d'un flux de liquide. On a constaté que ces dispositifs sont particulièrement appropriés à la gestion des effluents de réseaux unitaires, dans la mesure où ils permettent d'évacuer les gravillons, voire les cailloux charriés par ces flux. Le filtre de type à roseaux, pourra quant à lui être avantageusement constitué de bassins à fonctionnement alterné, pouvant chacun être constitué de la façon suivante : - une couche de gravillons de granulométrie de 2 à 6 mm sur une épaisseur de 60 cm pour la filtration et le traitement, - une couche de gravillons de granulométrie de 15 à 25 mm sur une épaisseur de 20 cm pour le drainage, - une étanchéité par géomembrane, - une plantation de roseaux selon une densité de 4 roseaux 5 par m2, - une surverse réglable par batardeaux inox permettant le dénoyage éventuel vers la lagune. L'alimentation des bassins pourra être réalisée par bâchées calibrées pour apporter une lame d'eau de l'ordre 10 de 2 cm sur le bassin en service. La conduite de rejet 13, en sortie de la lagune 5 pourra être dotée de moyens aptes à mesurer les débits en sortie. L'installation selon l'invention présente donc des 15 performances très supérieures aux installations actuelles à un coût très avantageux, tant en investissement qu'en exploitation. Elle permet de traiter l'intégralité des effluents d'un système unitaire, hors cas de pluies exceptionnellement fortes, sans recourir, à une mise en 20 réseaux séparatifs très coûteuse du réseau d'assainissement. REVENDICATIONS 1.- Installation de traitement des effluents collectés 5 par un réseau d'assainissement à caractère unitaire, caractérisé en ce qu'il comprend d'amont en aval: - un dispositif de contrôle du débit (8) des effluents incidents (Q) permettant de séparer ceux-ci en deux débits, à savoir un débit traversant (Qtn), limité à 10 une valeur déterminée (Qmax), et un débit excédent (Qe), - un filtre du type à roseaux (1) recevant le débit traversant (Qtn) issu du dispositif de contrôle du débit (8), 15 - une lagune (5) recevant, d'une part, le débit traversant (Qtn) en sortie du filtre de type à roseaux (1) et, d'autre part, le flux excédent (Qe) issu du dispositif de contrôle des débits (8), qui est constituée d'au moins un bassin comportant des moyens 20 de rejet vers l'extérieur constitués, d'une part, d'une évacuation (13) à débit contrôlé au plus égal à la susdite valeur déterminée (Qmax) et, d'autre part, d'une surverse de sécurité (14) disposée à un niveau (h+h') supérieur. 25 2.-Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le niveau (h) de l'évacuation à débit contrôlé (13) et le niveau (h+h') de la surverse (14) du bassin définissent entre eux un volume de rétention (Vr). 30 3.- Installation suivant l'une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que ladite valeur limitée (Qmax) est égale au débit maximal par temps sec existant à son entrée (A). 4.- Installation suivant l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que la surface cumulée, du filtre de type à roseaux (1) et de la lagune (5) est inférieure à 6,5 m2 pour 60 grammes de pollution reçue par jour,en moyenne par temps sec, cette pollution étant exprimée en demande biologique en oxygène à 5 jours (DBO5). 5.- Installation suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif de contrôle du débit (8) est constitué d'un régulateur de type à vortex. 6.- Installation suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le filtre de type à roseaux (1) comporte au moins deux bassins aptes à être parcourus de façon alternée par le flux traversant (Qtr) 7.- Procédé de traitement des effluents collectés par un réseau d'assainissement à caractère unitaire, caractérisé en qu'il comporte les étapes consistant à : contrôler le débit incident (Q) admis en entrée d'une installation afin, lorsque celui-ci dépasse une valeur donnée (Qmax), de le séparer en deux débits, à savoir un débit traversant (Qt,) et un débit excédent (Qe) au- delà de Qmax, - traiter le débit traversant (Qt) au moyen d'un filtre de type à roseaux (8), - traiter, dans une lagune (5), le débit traversant ((à) issu du filtre du type à roseaux (8), et le débit excédent (Qe) lorsque le débit incident (Q) dépasse ladite valeur donnée ((Imax) , rejeter les deux débits réunis avec un débit de sortie au plus égal à ladite valeur donnée (Qmax) .