Au pays des lagunes... des lacunes

Lagunes de production, lagunes d’épuration

L’été, nos vacances méditerranéennes nous ramènent vers ces curieux étangs qui doublent la mer. Échelonnées le long des côtes sableuses du Languedoc-Roussillon, les lagunes littorales couvrent une superficie de 38 000 hectares (Canet, Bages-Sigean, Salses-Leucate, Vendres, Thau, Or...). Le géologue nous explique que la mer y a constitué un cordon dunaire à partir de matériaux soit détritiques, arrachés à la plate-forme continentale, soit alluvionnaires, apportés par les fleuves côtiers — cordon submergé par les flots, devenu lido, isolant de « la grande bleue » une série d’étangs et de marais peu profonds communiquant encore par les étroits passages que sont les graus (G-F. Frisoni, IAREM — revue de l’Agence de l’Eau RMC, n° 33-34, juin 1990). Beau paysage.

Cette mosaïque de plans d’eaux douce à saumâtre constitue, bien sûr, l’habitat privilégié d’un écosystème actif et diversifié (figure 1). Le phytoplancton autotrophe fixe le carbone atmosphérique minéral, à l’état de gaz carbonique CO₂, et élabore de la matière vivante organique, au taux voisin de 200 g de C/m²/an, matière organique consommable par toute une série d’organismes hétérotrophes, dits phytophages ou herbivores : zooplancton, coquillages filtreurs et brouteurs d’herbes et d’algues. À leur tour, ces consommateurs phytophages sont dévorés par des carnivores prédateurs, comme les crustacés et les poissons. L’homme intervient dans cette chaîne trophique pour y prélever les espèces comestibles, coquillages, crustacés et poissons.

La productivité de l’écosystème lagunaire est suffisamment élevée pour devenir un support d’activités économiques appréciables. Grâce à l’abondance du phytoplancton, conchyliculture et pêche sont prospères. Ainsi, l’étang de Thau donne lieu à l’élevage des moules de Méditerranée sur « corde marseillaise », des huîtres plates pêchées sur fonds coquilliers et des huîtres japonaises cultivées sur collecteurs, sans compter les palourdes et clovisses, soit au total une production de 20 kt/an de coquillages justifiant 2 700 emplois. À lui seul le Bassin de Thau représente 25 à 30 % de la mytiliculture et 5 % de l’ostréiculture française. Il faut y ajouter la production de la pêche, au rendement halieutique de 100 kg/ha/an, en anguilles, muges, loups, dorades et soles, qui se reproduisent en mer, au large, mais trouvent en lagune un milieu favorable à leur croissance et à leur maturation sexuelle.

Par ailleurs, ces étangs côtiers offrent l’avantage, pour assainissement, de constituer des bassins naturels favorables à l’application des techniques de lagunage. Avec un parc comptant plus de 2 000 unités implantées en France, le lagunage a connu un important développement au cours de ces dernières années. On remarque que les départements de l’Ouest de la France ainsi que la Saône-et-Loire, la Loire et l’Hérault disposent d’un nombre particulièrement élevé de stations par lagunage (figure 2). Les premières installations notables furent méditerranéennes et la toute première unité a été conçue pour Le Grau-du-Roi avec 15 hectares en 1965 où l’épuration des effluents de cette agglomération touristique bénéficiait d’un terrain favorable et de conditions climatiques déterminantes (Cemagref, Cahier 69, n° 5, mars 1988). L’enquête nationale du Cemagref accorde le premier rang à la façade languedocienne, avec les 55 hectares de plans d’eau de l’Hérault. Pour sa part, Mèze a su allier en lagune les nécessités de l’assainissement au bénéfice de la production(1).

(1) Voir article « Le lagunage naturel » de A. Furlin, Sté Aquasoltec, revue L’Eau, l’Industrie, les Nuisances, n° 104, octobre 1986, et « Une solution originale pour l’élimination des boues de lagune », P. Hibon, CSA, L’Eau, l’Industrie, les Nuisances, n° 129, juin 1989.

Les animaux qui consomment le plancton possèdent des orifices munis de lamelles ou de tentacules qui retiennent les particules nutritives : des Mollusques (Huîtres, Moules, Palourdes, Coques), des Tuniciers (Cione), des Crustacés (Balanes), des Vers (Serpules) fonctionnent de cette manière. D’autres animaux sont davantage brouteurs d’herbes ou d’algues recouvrant les rochers, c'est le cas des Gibbules, Patelles, Oursins, Chitons. À leur tour, ces consommateurs sont dévorés par des carnivores (prédateurs). Leur diversité est aussi très grande : Étoiles de mer qui recherchent les Moules, les Palourdes et les Coques, Escargots de mer (Murex) qui percent la coquille des Mollusques et en dévorent le manteau, Poissons (Daurades) qui s’attaquent aux Moules et aux Anémones de mer. Le plancton animal est la base de l’alimentation de beaucoup de poissons (Muges, Athérines) et de crustacés (Crevettes). Plus haut encore dans la chaîne alimentaire, on rencontre les Oiseaux (Sternes, Grèbes) qui se nourrissent de petits poissons, puis enfin un certain nombre de détrivores et charognards, se nourrissant d’animaux affaiblis et de cadavres (Goélands, Crabes). Au fur et à mesure que l'on s'élève dans la chaîne alimentaire, le nombre d'espèces et le nombre d’individus appartenant aux différentes catégories trophiques diminue : il y a ainsi moins de Sternes que d’Athérines, moins d’Étoiles de mer que de Moules, moins de Murex que d’Huîtres.

1. Répartition géographique des unités de traitement.

2. Types de lagune.

Suivant le type de végétation implantée, on distingue les lagunes à microphytes, les lagunes mixtes et les lagunes à macrophytes, avec des hauteurs d'eau maximales de l'ordre de 1,20 m pour les deux premiers types et de 0,40 m pour le dernier.

La surface totale de bassins en eau généralement retenue pour le traitement principal d’un effluent domestique en milieu rural est de 10 m² par équivalent-habitant.

L’installation comprend, dans la plupart des cas, un ensemble de trois bassins en série. Le premier est un lagunage à microphytes qui occupe la moitié de la surface totale ; les deux autres bassins se répartissent la surface restante à parts égales.

1. Épuration en lagune aérobie unique.

vent

Le lagunage naturel est un procédé rustique de traitement des eaux usées domestiques. Les effluents sont dirigés dans des bassins étanches de faible profondeur à l'air libre. Sous l'action du soleil, les algues photosynthétisent leur matière première en fournissant de l’oxygène à la population bactérienne. Grâce aux bactéries, la matière organique polluante se transforme alors en matière organique vivante. La principale critique de la lagune aérobie vise son principe même qui veut superposer dans le même bassin un digesteur ouvert avec un chenal d’oxydation. On peut schématiser l'évolution des matières comme suit :

• dépôt rapide, en fond de lagune, des MES décantables avec fermentation méthanique de la fraction organique friable :C.H.O.N.S. → CH₄, CO₂, NH₄⁺, SH₂ˉ
• attaque microbienne aérobie, dans la zone supérieure de la lagune, des MES colloïdales et SV solubles :C.H.O.N.S. → CO₂, H₂O, NO₃ˉ, SO₄ˉ

O₂

La lagune aérobie se trouve caractérisée par la formation continuelle d’un dépôt benthique putrescible surmonté d’une zone pélagique oxygénée, comme le serait un cours d’eau naturel bien eutrophisé. Cette digestion sous-jacente conduit à une diffusion constante de métabolites à forte DBO soluble.

2. Épuration en série de bassins de croissance.

Bassin 1  Bassin 2

PRINCIPE D'ÉPURATION DE LA STATION DE LAGUNAGE DE MÉZE

Mèze, cité des lagunes

Le centre de traitement par lagunage des eaux usées de Mèze est implanté en bordure de l’étang de Thau, avec trois bassins qui s’étendent sur huit hectares (premier bassin de 4 ha, second et troisième bassin chacun de 2 ha). Il est alimenté par les eaux brutes de la commune, comportant 7 000 hb l'hiver et 25 000 l’été, soit 1 200 m³/j en débit et 350 kg DBO₅/j en saison hivernale, contre 2 000 m³/j et 700 kg DBO₅/j en saison touristique. Les profondeurs moyennes passent de 1,40 m à 1,10 m, du premier au troisième bassin, occasionnant des temps de séjour d'environ 70 j l'hiver et 40 j l’été.

Le dimensionnement des lagunes part de formulations mathématiques (figure 4), qui font intervenir les paramètres suivants : coefficient K de vitesse de biodégradation et son coefficient de dépendance à la température du milieu, affectés des coefficients de transfert de l’oxygène. En effet, la teneur en oxygène dissous, qui doit se maintenir en tout point au-dessus d'un minimum de concentration de 0,5 ppm, conditionne le bon fonctionnement des bassins par la croissance des organismes aérobies. Sinon, la déficience en oxygène dissous provoquerait divers phénomènes :

• le rejet d’une eau mal épurée, non conforme ;
• des nuisances des fermentations amorcées en milieu réducteur, libérant ammoniac et hydrogène sulfuré ;
• des formations de boues flottantes, entraînant une pollution microbienne, un apport de MES, DCO, DBO et un aspect inesthétique des lagunes et de l’effluent traité.

Les eaux de l’étang de Thau sont bien oxygénées, à des taux régulièrement proches de la saturation en oxygène dissous, soit entre 6 et 8 ppm. Les eaux de lagunage de Méze accusent un appauvrissement au premier bassin avec 0,1 – 0,5 ppm, mais bénéficient de 3 et 7 ppm respectivement en sortie des second et troisième bassins. À Méze, la valorisation de la biomasse végétale et planctonique est de règle ;

• récolte du phytoplancton du bassin 2 (essentiellement Chlorophycées scénaedesmus, chlorelle, chloromonas et diatomées)
• du zooplancton du bassin 3 (essentiellement daphnie, microcrustacé du test Equitox, rotifères et copépodes, divers protistes ciliés) pour la commercialisation et l’alimentation des poissons d’aquaculture, ferme de poissons tropicaux et d’ornement (scalaires, guppys et gouramis), bassins d’élevage (carpes, tilapias, loups et daurades), fabrique de farine animale pour élevage ;
• valorisation des macrophytes épurateurs, lentilles d'eau pour carpes et canards, jacinthes d’eau pour la préparation de biogaz et de compost horticole.

Si, aujourd'hui, la station de Méze, en service depuis 1980, a acquis une réputation internationale par sa maîtrise du lagunage des effluents des collectivités locales (2) et de l’exploitation rationnelle de la ferme aquacole à poissons carnivores et exotiques, elle le doit surtout à l’activité du Ceremher, Centre de Recherches Pluridisciplinaires de Méze-Hérault, animé par Y. Piétrasanta, Maire de Méze et Professeur de Chimie à l’Université de Montpellier (3).

Les malheurs de l’étang de Thau

Hélas, les écosystèmes sont fragiles, et l’urbanisation croissante de la frange littorale par l’expansion des stations balnéaires et ports de plaisance impose une vigilance accrue des pollutions et nuisances confinées dans les bassins versants. Ce n’est pas une révélation, tous les étangs cétiers du Languedoc-Roussillon font l'objet l’été de crises dystrophiques qui se traduisent par des blooms d’algues envahissantes, des dégagements massifs et nauséabonds d’hydrogène sulfuré (Y. Pietrasanta et coll., revue TSM mars et octobre 1988) et des menaces sérieuses de contamination fécale (M. Trousselier, B. Baleux, Labo d'Hydrobiologie Montpellier, revue TSM juillet 1983). Patatras ! la « psychose de la salmonelle » interdit la commercialisation des fruits de mer, juste pour les fêtes de fin d’année de décembre 89 à janvier 90 : 800 ostréiculteurs héraultais en colère protestent « à la une » des journaux.

L’étang de Thau n’échappe pas à la règle et l’exploitation du parc conchylicole se heurte à quatre types de problèmes de pollution biochimique :

• crise de « malaigué » ou des eaux rouges, provoquée par excès de nutriments (2-5 mg MO/l) et déficit d’oxygène dissous jusqu’à l’anoxie complète, induisant la prolifération d’espèces bactériennes du type Sporovibrio desulfuricans, sulfato-réductrices libérant

(2) « Élimination de l’azote et du phosphore dans une lagune à haut rendement », J. Bontoux et coll., CNRS, Montpellier, JIE septembre 1990.

(3) Antérieurement, la station voisine de Biologie Marine et Lagunaire de Sète, sur le bassin des Eaux Blanches de Thau, fut fondée en 1879 par le Professeur A. Sabatier (J. Paris, Pr de Biologie animale, Montpellier).

Le rendement d'un bassin de stabilisation est mesuré par le pourcentage de la DBO éliminée. Si un rendement donné est imposé pour le bassin, la variable dépendante est le temps de rétention de l'effluent dans le bassin.

Ceci peut s'exprimer par :

\( \frac{S_e}{S_s} = \frac{1}{1 + Kt} \) (1)

d'où

Se = la DBO de l'effluent traité quittant le bassin, exprimée en mg O₂/l,

Ss = la DBO de l'effluent brut entrant dans le bassin, exprimée en mg O₂/l,

t = le temps de séjour de l'effluent dans le bassin, exprimé en jours,

K = le coefficient de stabilisation de l'effluent, exprimé en ¹/jour.

Le coefficient de stabilisation K est une fonction de la température et peut être représenté par :

Kt = K₂₀ × (0,079)^(T – 20) (2)

d'où

K₂₀ = le coefficient de stabilisation à 20 °C,

Kt = le coefficient de stabilisation à T °C,

T = la température moyenne du bassin, en °C,

θ = une constante.

Suivant la littérature, les valeurs de K₂₀ varient comme suit :

0,5 ≤ K₂₀ ≤ 1,0 pour des eaux domestiques. 0,3 ≤ K₂₀ ≤ 2,5 pour des eaux industrielles.

Quant à la valeur de la constante θ, elle varie de 1,035 à 1,074.

Si l'on prend une valeur moyenne pour θ, l’équation (2) devient :

Kt = K₂₀ × 1,054^(T – 20) (3)

La valeur initiale de K₂₀ doit être mesurée ou estimée pour chaque bassin ou pour chaque type d’effluent. Pour de l’eau usée d’origine domestique, une valeur moyenne de K₂₀ égale à 0,8 peut être supposée.

Quel sera le temps de séjour nécessaire d’un effluent dont on doit éliminer 90 % de sa DBO (Se/Ss = 0,10), son coefficient de stabilisation K₂₀ valant 0,6 et la température moyenne du bassin étant de 10 °C ?

Lorsque l’on n’utilise pas l’abaque, la solution du problème s’obtient à partir des équations suivantes :

Kt = K₂₀ × 1,054^(T – 20)  
  = 0,6 × 1,054^(–10)  
  = 0,355 /jour

et

\( \frac{1}{1 + Kt\,t} = 0,1 \)

d’où

\( 0,1 = \frac{1}{1 + 0,355\,t} \)

t = 25,4 jours.

• – H₂S, puis apparition d’espèces bactériennes photosynthétiques à pigment rouge pourpre, du type Chromatium et Thiocapsa, sulfo-oxydantes (R. Baylet, F. Sinegre, DGRST, revue SdE, n° 1, 1982) ;
• – risque potentiel de contamination des coquillages par les microalgues flagellées nuisibles, porteuses de redoutables toxines, des types Dinophysis, Gyrodinium, Alexandrium, Phaeocystis et Chrysochromulina, déjà détectés en Manche et Mer du Nord, que le réseau national de surveillance Ifremer traque en permanence (F. Partensky et coll., revue PLS, n° 153, 1990) ;
• – pollution bactériologique des fruits de mer par les GTCF, germes témoins de contamination fécale (CT : coliformes totaux, CF : coliformes fécaux, SF : streptocoques fécaux) parfois présents à la densité de 100 germes GTCF/100 ml, par les bactéries pathogènes opportunistes du type Pseudomonas aeruginosa et Aeromonas hydrophila, résistantes à l’épuration par lagunage, et aussi par l’entérobactérie Salmonella, aux nombreux sérotypes, responsable d’intoxications typho-paratyphoïdiques ;
• – micropollution complexe par les pesticides agricoles (DDT, organochlorés), les détergents résiduaires et les organométalliques (tributylétain des peintures antisalissures)… (D’où proviennent ces pollutions rédhibitoires ?) ;
• – les rejets d’effluents urbains sont suspectés à juste titre et l’insuffisance de raccordement au « tout-à-l’égout » de quartiers de la ville de Sète reste préjudiciable à la pureté bactériologique de l’étang de Thau ;
• – de même, les rejets de la station de lagunage de Mèze (performante par ailleurs en épuration microbienne) sont susceptibles de maintenir en survie des germes pathogènes, comme les salmonelles (mais les sérotypes identifiés S. typhi murium sont différents de ceux qui sont incriminés, S. panama, arizona et paratyphi) ;
• – les effluents des caves et distilleries vinicoles du Languedoc-Roussillon sédimentent à l’automne dans les oueds et ressurgissent en période de forte pluviométrie. Effectivement, le Languedoc-Roussillon, représentant 40 % de la production vinicole française, évacue sur les fleuves côtiers (Aude, Orb, Hérault, Vistre) une pollution évaluée à 1 Meq-hb/j en pointe d’activité, soit un ratio évoluant entre 100 et 300 g DBO₅/hectolitre vinifié/jour (rafles, pulpes, pépins, bourbes, lies, vinasses, moûts) (P. Cochet, Agence de Bassin, RMC revue, n° 33-34, juin 1990).

Cri d’alarme : l’assainissement devra desservir intégralement le littoral urbanisé, et l’industrie vinicole devra acquérir au plus vite les ouvrages d’évaporation, d’épandage ou de compostage nécessaires pour que vivent nos étangs de Méditerranée.