Autopsies de petites installations d'assainissement - Démantèlement de 5 des 8 filières testées sur la plateforme du CSTB dans le cadre de l'étude comparative Veolia Eau (1ère partie)

Entre le début de l’année 2006 et avril 2009, une étude comparative complète de 8 petites installations d’assainissement a été menée par Veolia Eau avec et sur le site du CSTB à Nantes. Les installations, dimensionnées pour des habitations hébergeant 5 personnes, ont été alimentées en eaux usées pendant 3 ans, d’abord selon un protocole dit « protocole en conditions sollicitantes® », puis soumises à des régimes divers afin d’en vérifier notamment les performances épuratoires. Un rapport de ces essais est disponible sur les sites des partenaires de l'étude :

Mots-clés : Assainissement non collectif ; protocole en conditions sollicitantes ; démantèlement des filières.

Agences de l'eau Adour-Garonne et Artois-Picardie, Cemagref, CSTB.

Après 3 ans de test, l'étude expérimentale arrivait à sa fin. Alors que 3 filières ont été maintenues en place pour accéder à une ultime appréciation des performances liées au vieillissement des installations, les 5 autres dispositifs devaient être mis à l’arrêt et évacués du site. Devant cette opportunité, les 5 filières concernées ont été autopsiées dans le but de faire une évaluation de leur état après 3 ans de vie sollicitante. Leur démontage a donné lieu à diverses observations qu'il est peu fréquent de voir pratiquées de façon aussi systématique. L'objectif de cet article est de relater, pour chacune des 5 installations, la procédure suivie et les observations qui ont pu en résulter.

Pour les filières qui en sont pourvues, on ne mentionnera pas ici les observations réalisées sur les fosses toutes eaux qui ont fait l'objet tout au long du suivi de mesures régulières visant à établir conjointement leurs performances épuratoires au regard de l’occupation du volume utile par les boues en fonction de plusieurs régimes hydrauliques. Nous préciserons juste que les fosses septiques ont rempli leur fonction de façon tout à fait normale.

Les filières concernées par l’autopsie sont :

• - Filtre à sable vertical drainé selon la norme expérimentale XP DTU 64.1,
• - Filtre à sable planté de roseaux Auto-epure® de SINT (filtre vertical suivi d’un filtre horizontal),
• - Filtre Ecoflex® ultracompact à textile/tourbe de PREMIER TECH,
• - Culture libre à boues activées Opur 5/3 Supercompact de Boralit,
• - Cultures fixées immergées Oxyfix C90® de Eloy.

Il est important de préciser que les technologies étant variées, la méthodologie d'autopsie est nécessairement adaptée à la technologie, de même que le type de renseignement recueilli.

Démantèlement du filtre à sable vertical drainé

Pour 5 pièces principales, un filtre à sable vertical réalisé selon le DTU 64-1 a une surface de 25 m² pour un volume d’environ 25 m³. Il n’a évidemment pas été question de vider le filtre « à la petite cuillère ».

L’autopsie s'est donc concentrée sur les points essentiels suivants :

1. 1. Vérification de la planéité du réseau de distribution ;
2. 2. Observation des matières éventuellement présentes dans le réseau de distribution ;
3. 3. Observation des matières contenues dans les graviers et sable sous le réseau de distribution ;
4. 4. Répartition de la biomasse épuratrice dans le massif de sable ;
5. 5. Vérification de l'état de la géogrille de fond avant la couche de graviers drainants.

Déroulement chronologique de l'autopsie du filtre à sable

La terre végétale recouvrant le filtre est enlevée et le système de distribution est découvert. La planéité est vérifiée à l’aide d'un niveau optique.

L’accumulation de dépôts dans la canalisation de distribution est vérifiée.

Les drains sont ensuite retirés pour accéder aux graviers sous les tubes de distribution. Quatre échantillons de graviers sont prélevés pour en estimer la fraction de matière volatile (dépôts organiques et/ou développement de biomasse). Comme la mesure par pyrolyse n’est pas possible pour les graviers (trop grosse incidence de la masse du gravier lui-même), nous avons opté pour une extraction mécanique en phase aqueuse de la matière recouvrant les grains. Un dosage de la DCO du filtrat a été effectué et ramené à la valeur en MV* en faisant l'hypothèse que 1 mg de matière organique correspond à 1,1 mg de DCO et que cette matière organique d'origine bactérienne est riche à 80 % de MV [1]. Cette méthode a été comparée aux résultats obtenus par pyrolyse pour du sable et une corrélation linéaire entre les résultats a été mise en évidence.

La fraction de matière volatile obtenue par la méthode décrite ci-dessus est, en moyenne, deux fois plus faible que celle obtenue par pyrolyse mais cette dernière est connue pour surestimer la fraction de matière volatile (pertes d’eaux de constitution de la roche et débris de sable projetés à l’extérieur de la coupelle de mesures). Un échantillon est également prélevé pour réaliser une observation microscopique afin de révéler les organismes vivants présents dans cette zone. Les graviers sont alors rincés avec un peu d’eau claire, les dépôts se détachent très facilement et se dispersent dans l'eau, une goutte est prélevée pour observation.

Des profils verticaux dans toute l’épaisseur de sable ont été réalisés en deux points à l’aide de boîtes de prélèvements métalliques de sols.

*MV : Matières Volatiles, exprimées en pourcentage de Matières Sèches (MS).

préalablement tarées, à des profondeurs soigneusement mesurées.

Plusieurs prélèvements ont aussi été pratiqués à l’interface des graviers et du sable dans la moitié amont du filtre afin d’établir une cartographie de la teneur en MV. Les échantillons sont effectués sous le réseau de distribution et à -20 cm de celui-ci.

Dès lors que les prélèvements sont effectués, les boîtes sont stockées en chambre froide, puis en glacière avec des blocs réfrigérants préalablement congelés à -18 °C pour le transport. Arrivées au laboratoire, les boîtes sont pesées puis immédiatement placées en étuve à 105 °C pendant 24 h, afin de mesurer leur teneur en eau massique (exprimée en % de matière sèche [MS]).

Après une nouvelle pesée, la détermination des matières volatiles [MV] est réalisée après passage des échantillons au four à 550 °C pendant au moins 1 heure.

Après les prélèvements de sable, la totalité de ce dernier peut être extraite jusqu’à apparition de la géogrille. La géogrille du fond est examinée et arrachée avec la pelle. Les drains de collecte apparaissent.

Les observations

Planéité du système de distribution

Dans le sens longitudinal (de l’amont vers l’aval), la pente la plus forte observée est celle du réseau situé à droite sur la figure 6, c’est-à-dire à gauche par rapport au sens de l’écoulement. Sur l’ensemble des 5 m de drain, la pente moyenne est de 0,48 %. Mais si l’on compare au point situé au centre du tube, la partie aval présente une pente de 0,92 % sur 2,5 m. Ce chiffre reste cependant en deçà des recommandations du DTU 64.1 qui stipule « qu’une pente régulière jusqu’à 1 % dans le sens de l’écoulement est acceptée ».

En revanche, dans le sens transversal, les chiffres observés sont sensiblement plus inquiétants puisque l’écart peut atteindre 3,6 cm sur environ 1,25 m, soit 2,9 %. Cette situation doit créer un déséquilibre dans l’alimentation. Il est cependant possible que, au cours de la séquence d’alimentation avec des fortes charges hydrauliques (240 % qui correspondait à un flux de 1,8 m³/jour sur le filtre), l’eau usée ait pu se propager dans l’ensemble du réseau de distribution. Mais il n’est pas certain qu’au cours des séquences moins sollicitantes sur le plan hydraulique, les autres zones du filtre aient pu être alimentées.

La question de savoir si la pente transversale est d’origine ou si elle est due à un tassement qui a eu lieu au cours de la vie du filtre est posée. Il est vrai que réaliser une réception des travaux d’installation avec un relevé des côtes du fond de chacun des regards de répartition et bouclage permettrait de mettre immédiatement en évidence des défauts de mise en œuvre. Mais ceci n’a pas été réalisé sur ce site.

Au cours d’une autopsie ou d’un diagnostic, lorsque les couvercles de ces deux éléments sont accessibles depuis la surface, il est préférable de procéder à cet examen avant d’ôter la couche de terre superficielle, le travail de la pelleteuse étant susceptible de perturber l’ordonnancement initial.

Accumulation de matières dans le réseau de distribution

Malgré une fosse septique qui n’a jamais été surchargée en boues (38 % de remplissage en fin d’essai), et en dépit de bons résultats sur la capture des MES de cette fosse (MES à moins de 100 mg/L en sortie fosse septique), on observe des matières qui se sont déposées dans le tube de distribution qui paraît le plus sollicité : celui de gauche dans le sens de l’écoulement.

L’analyse d’un échantillon de ces matières montre qu’elles sont, sur les paramètres indicatifs de la matière organique, proches qualitativement de matières de vidange peu concentrées. Il s’agirait donc bien de dépôts, et non de développement de biomasse dans la canalisation.

Tableau 1 : Composition physico-chimique des dépôts prélevés dans le tube de répartition de gauche

» Valeurs mini-maxi relevées dans le cadre de la présente étude

Accumulation de matières dans les graviers sous les drains de distribution

Pour les échantillons de graviers, on obtient une fraction en matière volatile égale à 1,33 ± 0,44 % MS. Si l’on applique les résultats

de la corrélation effectuée sur le sable entre les MV déterminées par pyrolyse et les MV déterminées par extraction, on en déduit que la part de MV dans les graviers est plus importante que dans le sable.

Comme ces dépôts sont situés juste en dessous du drain, il est vraisemblable qu'une fraction de cette matière ne soit que de la matière organique déposée par les eaux prétraitées. Pourtant, il ne s'agit pas que de ça, car l'examen microscopique de ces dépôts révèle la présence d'un édifice biologique déjà complexe.

Globalement, on trouve de la biomasse bactérienne compacte de type « biofilm » qui s'est détachée des grains. De nombreux petits débris minéraux correspondent à des microparticules de sable.

On observe une microfaune assez abondante, révélatrice de bonnes conditions d'aération, mais aussi des conditions septiques des eaux alimentant le filtre : témoin, ces rosettes typiques de certaines bactéries filamenteuses du soufre réduit (thiotrix).

D'autres espèces présentes sont révélatrices d'accumulation de matière organique, comme les nématodes. Les protozoaires et métazoaires présents participent à la minéralisation de la matière organique. Ce sont ces espèces qui pourraient limiter la couche colmatante par leur consommation, pour autant qu'ils soient assez nombreux.

Répartition de l'humidité et de la matière organique dans le massif de sable

On cherche ici à établir la présence de biomasse épuratrice, par le paramètre MV. Il y a par ailleurs un lien entre la teneur en MV et l'humidité, puisque s'il y a épuration c'est qu'il y a distribution d'eau et développement de biomasse.

On constate la présence de matière volatile sous les drains de distribution, aux points P1 et P2 (voir positionnement de ces points dans la figure n° 9) à hauteur de 1,1 à 1,4 % de MV par rapport aux MS. Cette quantité décroît avec la profondeur. On n'observe pas de différence sensible entre les points P1 et P2 eux au-delà d'une vingtaine de cm sous la surface, ce qui prouve, comme de nombreuses références l'attestent, que l'accumulation de MV ne concerne que la zone superficielle des massifs filtrants à sable. On note aussi une corrélation forte (r1 = 0,9766 et r2 = 0,9719) entre les valeurs de teneur en eau massique et les valeurs de MV dans les 20 premiers centimètres pour les deux profils ; ce type de relation a déjà été mis en évidence par (Guilloteau, 1992) ayant aussi travaillé sur les filtres à sable.

Les échantillons réalisés en différents points du filtre sous le réseau de distribution et à moins 20 cm de celui-ci (points repérés par les cercles blancs dans la figure 9 ci-contre), ont permis, par interpolation, d'établir la représentation graphique de la Figure 7. L'échelle des couleurs est en pourcentage.

Sur l'ensemble des échantillons, les valeurs s'étalent sur un intervalle allant de 0,5 à 1,5 %MS avec une incertitude de l'ordre de 0,2 %MS. Un test bilatéral indique une différence vraie en moyenne entre les échantillons pris sous le drain et ceux pris à 20 cm.

Géogrille et couche drainante de fond de filtre

En enlevant le sable il a été possible de mettre en évidence la fameuse « couche noire » sous les drains d'épandage. Dans sa thèse, Maillard (1998) analyse la composition des dépôts noirâtres à la surface du filtre et en conclut qu'il s'agit de précipité de sulfate de fer, produit de l'activité des bactéries sulfato-réductrices.

Cette couche, à l'interface des graviers et du sable, témoigne de l'alimentation du massif. Malheureusement, la cartographie précise de cette couche n'a pas été relevée, il aurait alors été possible d'identifier avec précision les zones n'ayant jamais été alimentées au cours des 3 années de vie du filtre.

Une poche de sable noirâtre d'une trentaine de cm de diamètre est repérée à

Proximité du fond à droite de la boîte de bouclage sans qu’il soit possible d’expliquer son origine. Cependant des dépôts ont été observés dans cette boîte de bouclage et une fuite à son niveau pourrait être un début d’explication.

Aucune trace de colmatage n'est observée au niveau de la géogrille de fond. L’augmentation d’humidité massique dans les dix derniers centimètres du massif de sable (cf. figure 8) apparaît normale, et liée à la présence d’un front de percolation à l’interface sable-gravier, dont l’importance est vraisemblablement renforcée par la présence de la géogrille. Cependant, son effet est très certainement atténué par rapport à celui du géotextile antérieurement recommandé dans la version d’août 1998 du DTU 64.1 (Liénard, 2002).

Sur l’ensemble des échantillons, les valeurs en MV s’étalent sur un intervalle allant de 0,5 à 1,5 % des MS avec une incertitude de l’ordre de 0,2 %. Un test bilatéral indique une différence vraie en moyenne entre les échantillons pris sous le drain et ceux pris à 20 cm.

Enfin, l'intérieur des drains de collecte est très propre, comme l’est également le gravier qui les enchâsse.

Conclusion sur le filtre à sable vertical drainé

Deux constats ressortent des différentes observations décrites dans cette partie.

Le premier est que la totalité de la surface et, par extension du volume de sable, n’est pas exploitée de façon homogène pour le traitement des eaux usées au cours de ce programme expérimental et ce, malgré une alimentation qui a dépassé les 200 % de la charge hydraulique. La conception du réseau de distribution est donc à repenser. Par ailleurs, la mise en œuvre du sable semble être responsable de tassements différentiels qui sont à l’origine d’un déséquilibre du système de distribution. L’introduction du compactage lors de la mise en place du sable pourrait éviter ce genre de phénomène.

Le second constat est que, malgré une impression générale d’équilibre du système, surtout à l’examen de ses bonnes performances épuratrices, le filtre se colmate progressivement et de façon hétérogène à l’interface gravier/sable sous le réseau de distribution. À minima, on peut conclure que la durée de vie de cette filière est assurée tant que persistent des zones encore vierges de tous dépôts qui ne limiteront pas l’infiltration. Encore faut-il que les tassements différentiels ne posent pas des problèmes d’accès à ces zones vierges.

On ne connaît pas en revanche la cinétique de dégradation de la couche de dépôts superficiels qui permettrait à des zones colmatées de recouvrer, en partie, ses capacités d’infiltration. Mais compte tenu de l’absence d’exportation des boues biologiques, le colmatage à terme est inévitable.

Ce démantèlement a été long, et pourtant il aurait dû l’être encore plus pour aboutir à ces mêmes informations. En effet, les zones présentant un intérêt dans lesquelles les prélèvements de sable ont été effectués avaient préalablement été repérées avec l’outil Investig’+. Notamment les mesures de résistivité, d’oxygène gazeux et les sondages à l’endoscope nous ont permis d’identifier les parties alimentées du filtre, et les parties encore vierges. C’est donc grâce à cet outil que les conclusions essentielles ont pu être tirées. Sans ce premier screening, nous aurions eu toutes les chances de passer à côté des informations collectées.

Les résultats du diagnostic réalisé avec l’outil Investig’+ ne sont pas rapportés dans le présent article, car ils feront l’objet d’une communication à part entière.

Investig’ est un outil breveté, développé conjointement par Veolia Eau, le Cemagref et l’université Blaise Pascal de Clermont-Ferrand, complant un pénétromètre, un endoscope, un résistivimètre, un analyseur de gaz et des analyses de terrain des formes azotées.

Démantèlement du filtre planté de roseaux

Pour 5 habitants, le filtre à sable planté de roseau proposé par SINT a une surface de 20 m² avec deux étages : une partie à flux vertical de 15 m² suivie d’un filtre à flux horizontal de 5 m². Le filtre est alimenté par pompage au centre du filtre vertical, avec un réseau de faible section qui doit permettre une alimentation homogène sur toute la surface de ce filtre. L’autopsie s’est concentrée sur les points essentiels suivants :

1. Vérification de l’état du réseau de distribution ;
2. Détermination de la densité des tiges de roseaux sur la partie verticale ;
3. Détermination de la masse racinaire dans les deux filtres ;
4. Autres observations.

Déroulement chronologique de l’autopsie du filtre planté de roseaux

Le faucardage de la partie aérienne des roseaux permet de dégager le terrain pour apprécier la densité du développement végétal tant aérien que racinaire et vérifier l’état du réseau de distribution de l’eau prétraitée.

Cinq carrés de 0,5 m de côtés ont été choisis en divers endroits sur la surface pour compter le nombre de tiges en le rapportant à l’unité m². Ce comptage n’ayant pas

Étant donné qu’aucun prélèvement n’a été effectué sur la partie horizontale, il ne sera pas possible d’établir une comparaison.

Sur le filtre vertical et approximativement au centre de celui-ci, un carré de 30 cm de côté est isolé pour extraire toute la masse végétale. Face à son abondance, il est décidé de constituer deux horizons (un horizon de surface 0-15 cm et un horizon profond 15-36 cm).

Les prélèvements réalisés sont placés sur un tamis métallique de maille 1 cm et abondamment lavés avec un jet d’eau sous pression afin d’en extraire le maximum d’éléments minéraux (sable, gravillons) et ne conserver que du végétal pour ne pas fausser la représentativité. Après égouttage, les deux fractions ainsi constituées sont placées dans des sacs plastiques fermés et déposées en chambre froide ainsi qu’en glacière pour le transport.

Le même processus est appliqué sur un échantillon du filtre horizontal. Au laboratoire, ces échantillons sont pesés et placés à l’étuve à 105 °C avant d’être repesés après séchage.

Une coupe sur une longueur plus importante que celle nécessaire aux prélèvements est réalisée dans les deux filtres. Elle a pour objectif de visualiser les différences de développement racinaire dans la partie verticale et dans la partie horizontale.

Les observations

État du réseau de distribution

Le réseau, globalement structuré en forme de H, est légèrement enterré sous quelques centimètres de sable et résidus végétaux flétris ; il est donc très aisé de le faire apparaître et de vérifier l’état des 16 trous de 6 mm qui se répartissent sur chacune des huit rampes de distribution de diamètre intérieur 19,4 mm. Ces rampes sont alimentées par une canalisation nourrice centrale de 34 mm de diamètre intérieur.

Pratiquement tous les trous du réseau de distribution, sauf un, sont plus ou moins bouchés par des amas de filasses que l’on peut étirer sur 5 ou 6 cm.

La distribution des flux devait donc être très hétérogène, notamment sur la fin des essais. La mauvaise répartition sur la fin des essais peut expliquer les concentrations relevées pour les différentes formes d’azote entre 2007 et 2008 pour des charges polluantes appliquées proches, puisqu’alors une surface réduite est sollicitée pour le traitement (tableau 2).

Tableau 2 : Concentrations en azote lors de deux séquences à une charge de 100 %

Densité des tiges de roseaux sur le filtre vertical

On cherche à vérifier l’homogénéité de la distribution des eaux usées prétraitées sur le filtre, qui doit se traduire par une répartition homogène des roseaux.

Les densités s’établissent à 392, 656 et 364 tiges /m² dans la partie amont du filtre, alors qu’elles chutent à 180 et 132 tiges /m² dans la partie aval du filtre vertical.

La densité maximale est observée à proximité d’un des rares trous non bouché du réseau de distribution.

La répartition, malgré l’amélioration qu’apporte un pompage, une alimentation par le milieu de la surface et un réseau en charge (un faible diamètre), n’est pas idéale dans le temps. On constate du moins que les roseaux ne sont pas tous alimentés en eau dans les mêmes proportions.

Il aurait été intéressant de réaliser aussi un comptage du nombre de tiges sur quelques cadrats du filtre horizontal.

À la mise en œuvre du filtre, la géomembrane étanche a été doublée d’un textile anti-expansion dont le rôle est d’empêcher la prolifération des roseaux. Il a pu être constaté que quelques tiges parviennent à pointer au travers de ce textile et, par suite, au travers de la géomembrane. Il reste efficace pour les racines et radicelles qui ne peuvent le percer, mais les pointes dures des rhizomes y parviennent.

Masse racinaire dans les filtres vertical et horizontal

On cherche à vérifier si le réseau racinaire est homogène dans l’horizon sableux du filtre. Rappelons que le filtre vertical est constitué d’une couche de sable 0/4 mm de 35 cm de hauteur, alors que la partie horizontale présente une couche de 60 cm de graviers 2/6 mm.

On observe une quantité très importante de rhizomes dans toute la masse du sable. Le tableau 3 synthétise les résultats des pesées des masses prélevées.

Tableau 3 : Quantification des fractions végétales dans différentes parties de filtres

Exprimées sous forme de matière brute ramenée au m³, les masses végétales dans les deux parties du filtre vertical apparaissent comparables mais avec un léger avantage à la partie profonde du filtre qui serait encore accentué si la dizaine de centimètres de tiges qui n’a pu être ôtée l’avait été. En revanche, sous forme de matière sèche, la fraction superficielle est très nettement prépondérante.

Il est, là encore, possible que la base des tiges (vraisemblablement plus sèche que les racines) a accentué le déséquilibre, mais il faut néanmoins conclure que la partie profonde des rhizomes et racines est plus humide que la partie superficielle. Ce déséquilibre serait un point très intéressant à vérifier sur d’autres sites.

En ce qui concerne le filtre horizontal dont l’échantillon contient aussi l’embase des tiges, on peut penser que la relativement faible quantité de rhizomes répartis sur une épaisseur de seulement 15 cm n’est pas compensée par le chevelu racinaire pourtant dense mais de faible diamètre.

Autres observations au cours du dégagement du sable

Dans le filtre vertical, sur des coupes dans la hauteur du massif de sable, on distingue les rhizomes (tiges souterraines) de surface.

La distribution des racines et radicelles suit globalement le même schéma. Une petite fraction des rhizomes sont morts : ils sont beaucoup plus souples, spongieux et suintent d’eau, mais la principale caractéristique est qu’ils émettent une forte odeur d’ensilage.

Le profil de sable est marbré de zones dans lesquelles on trouve du sable noirâtre qui semble être sous forme réduite (anoxie ou anaérobiose) alors qu’à d’autres endroits il apparaît beaucoup plus clair et donc vraisemblablement mieux oxygéné. Il est possible que cette distribution soit liée à l’influence conjointe du cheminement de l’eau usée et des émissions d’oxygène transportées de la partie aérienne vers les racines, information rapportée par des auteurs qui se sont intéressés à ces aspects (Armstrong and Armstrong, Brix H et al., 1996).

Dans le filtre horizontal, toujours saturé d’eau jusqu’à environ 5 cm sous la surface et constitué de graviers 2/6 mm, le développement des rhizomes, très denses mais de diamètre généralement inférieur ou égal à 10 mm, est localisé sur une quinzaine de centimètres sous la surface. En revanche, les racines et radicelles sont très abondantes et forment un chevelu assez dense mais fin qui se prolonge jusqu’à environ 55 cm de profondeur.

Afin de mieux représenter la structure et la distribution des végétaux dans le filtre vertical, il eût fallu utiliser précautionneusement un jet d’eau sous pression pour évacuer le sable et mieux faire apparaître rhizomes et racines.

Conclusions sur le filtre planté de roseaux

La distribution des tiges de roseau n’est pas homogène sur la surface du filtre, et sans doute est-ce lié à l’altération de la distribution dans le temps. Par contre la densité des rhizomes et des racines est partout la même. La ligne noire observée dans un filtre à sable et que l’on relie à l’activité biologique semble se répartir sur une plus grande hauteur et on peut y voir le rôle des tiges, rhizomes et racines.

L’utilisation d’un réseau de faible diamètre sous pression améliore la distribution de l’eau sur l’ensemble de la surface du filtre. Mais il y a encore nécessité d’améliorer le système qui se bouche à terme.

Il paraît évident que la densité des tiges et des racines permet le maintien de conditions de percolation de l’eau dans le massif.

Démantèlement du filtre ultra-compact textile-tourbe

La méthodologie d’autopsie est adaptée à ce dispositif. On rappelle qu’après la fosse septique, un module de pompage permet

d’alimenter la batterie des 3 filtres Ecoflex via des sprinklers. Par ailleurs, il faut bien noter que les filtres autopsiés sont âgés d’à peine un an puisqu’il a été nécessaire de les changer suite à leur colmatage précoce. Les points essentiels qui ont été vérifiés sont :

1. le module de pompage, sa pompe et son préfiltre de sécurité ;
2. la canalisation d’amenée d’eau, les sprinklers, et l’état du fond des filtres ;
3. la colonisation à l'intérieur du massif filtrant.

Déroulement chronologique de l’autopsie de l’Ecoflex

Le module de dosage est vidé, la pompe sortie et examinée. Il faut noter qu’à cette période, la recirculation de deux-tiers des eaux traitées sont dirigées vers ce poste de dosage (et non plus dans la fosse septique).

Les bidons de filtration sont découverts, les sprinklers sont démontés et les canalisations de transfert sont ouvertes pour vérifier leur état d’encrassement.

Les 3 unités de filtration constituant le dispositif 5 EH Ecoflex sont ensuite déposées sur le sol pour y être déroulées, afin d’observer l’état de la colonisation biologique dans la masse du filtre.

Des prélèvements pour observation microscopique sont effectués dans le profil vertical, ainsi que dans les dépôts des supports de filtres.

Les observations

Module de dosage et pompe d’alimentation des filtres

Le module, en béton, ne présente aucun signe de corrosion ou d’altération. Des traces anciennes de boues (mise en charge) sont observées.

La pompe est toujours opérationnelle au bout de 3 ans de service. Son préfiltre de sécurité (mailles rondes de 1 mm) est colmaté sur environ 1/3 de sa surface avec de la boue (et non de la biomasse), ce qui indique que ce poste a été alimenté à un moment avec des eaux de fosses septiques chargées.

Canalisation d’eau prétraitée, sprinklers et fond des filtres

Malgré les traces de boues relevées dans le poste de dosage, très peu de dépôts sont observés dans la canalisation de transfert des eaux prétraitées.

À l’intérieur des canalisations de très faible diamètre des sprinklers on note une fine couche de boues (0,5 mm) sur tout leur pourtour, mais aucun colmatage des buses n’est observé, ni de présence de filasses. L’auto-curage semble bien assuré par la pression d’alimentation.

À la surface des filtres on peut identifier de petites mouches du type Psychoda, typiques des lits bactériens.

Une fois les filtres sortis, le fond qui les accueillait est observé : on trouve quelques traces de boues probablement biologiques, et un prélèvement pour observation microscopique à des fins de confirmation est effectué. On y découvre également des vers rouges d’environ 3 cm et des cocons d’insectes.

Effectivement, ce qui se trouve sous les filtres correspond bien à une fuite de boues biologiques. De nombreux protozoaires et métazoaires sont identifiés, qui témoignent de très bonnes conditions d’aération, d’une nitrification poussée (arcella, acineta, tardigrade), ainsi que d’un stade avancé de décomposition des matières organiques accumulées (nématodes, tardigrades, arachnides). Une illustration des principales espèces observées est reproduite ci-dessus.

Colonisation du massif filtrant

La particularité du filtre textile tourbe est sa constitution : un textile recouvert d’une fine couche de tourbe, replié et enroulé.

C'est la tranche de cet enroulé qui reçoit les eaux prétraitées.

Pour accéder à l'intérieur du massif, les 3 filtres sont déroulés, puis le textile déplié.

La tranche exposée au flux possède entre les deux épaisseurs de textile un fin grillage plastique destiné à améliorer la diffusion de l'eau au sein du massif.

C'est à son niveau qu'est observée la plus grande épaisseur de boue « biomasse ». Dans cette boue, on trouve de nombreux vers, dans la logique de la décomposition des matières organiques qui s'accumulent. Ces vers sont présents soit uniquement au niveau des 10-15 premiers centimètres du filtre, soit ils ont colonisé toute la hauteur du filtre, ce qui prouve la bonne circulation de l'eau. Des trois unités de filtration, celui qui est au fond présente la moins forte concentration en vers. Il faut savoir que 15 jours avant l'autopsie, ce filtre était colmaté en surface (flacage), la circulation de l'air devait être moins bonne dans l'épaisseur du filtre et les vers ont peut-être migré. Le filtre du milieu semble avoir été moins sollicité en son centre car on observe sur l'extérieur du textile les traces témoignant de la percolation en profondeur de matières uniquement jusqu'à mi-hauteur alors qu'elles le sont sur toute la hauteur dans les parties périphériques du filtre.

Des prélèvements pour observation au microscope ont été effectués. Ils révèlent une biomasse bactérienne abondante sous forme d'amas et fixés sur des particules organiques de tourbe. Elle est accompagnée de nombreux protozoaires et métazoaires du même type que ceux décrits précédemment, à l'exception des cyclops et nauplius. Une particularité toutefois, c'est l'observation de ciliés nageurs (spathidium) et brouteurs (aspidisca) ainsi que de ciliés fixés du type vorticelle, qui témoignent de conditions d'humidité permanente.

La colonisation de la biomasse épuratrice se fait essentiellement dans les 10-15 premiers centimètres depuis la surface du filtre. Il n’a malheureusement pas été réalisé de prélèvements pour évaluer la composition en MV de ces boues.

Conclusion sur le filtre ultra-compact textile-tourbe Ecoflex

L'autopsie de l'Ecoflex a pu mettre en évidence que les filtres sont colonisés sur une quinzaine de centimètres depuis la surface. La biomasse observée révèle une très bonne oxygénation du milieu. Au-delà de la biomasse bactérienne épuratrice, un édifice biologique complexe a pu s'installer avec des espèces caractéristiques de la minéralisation des dépôts organiques, jusqu'à des vers de 4,5 cm. Cependant, cette forte activité biologique n'a pas empêché le colmatage de surface d'un des filtres quelques semaines avant l'autopsie.

Dans les conditions d'emploi sur la plateforme d'essai, le système d'alimentation par sprinkler n'a pas montré de signes d'encrassement. La présence sur le circuit de la pompe dans le poste de dosage d'un filtre de sécurité doit y être pour quelque chose.

Démantèlement de la culture fixée OXYFIX

La méthodologie d'autopsie est adaptée à ce dispositif. On rappelle qu'il s'agit d'une microstation monocuve, avec un compartiment de décantation primaire de 3 m³, une cuve d'aération de 1 m³ avec le matériau sur lequel se fixe la biomasse épuratrice (oxybilles), un clarificateur de 1,1 m³, une recirculation des boues par air-lift, une aération par diffusion fines bulles à l'aide de 2 disques à membranes. Les points essentiels qui ont été vérifiés sont :

1. État du système de recirculation ;
2. État de colonisation du support de biomasse ;
3. État des diffuseurs d'air ;
4. État général de la cuve.

Déroulement chronologique de l'autopsie de l'OXYFIX

La microstation est totalement vidée de ses boues (décanteur primaire, réacteur biologique et clarificateur).

Le système de recirculation est démonté.

Les oxybilles accessibles sous le plancher du haut sont évacuées au seau. À noter que la version de l'Oxyfix testée sur la plateforme avait un garnissage en vrac, alors que les versions plus récentes sont gar-

nies avec des sacs d’oxybilles, qu'il est de ce fait beaucoup plus facile d’extraire. Après évacuation des billes jusqu’au plancher du fond, il est possible d’accéder aux diffuseurs d’air qui sont positionnés sous ce second plancher. Les diffuseurs sont extraits et examinés.

La cuve béton est enfin sortie de la fouille pour vérifier son intégrité.

Les observations

Le système de recirculation des boues

Il s'agit d’un organe vital qui, s’il se colmate, peut mettre en charge l’installation avec risque d’encrassement du réacteur biologique par des boues et flottants primaires. Après démontage, il est constaté que le système ne présente aucun signe d’encrassement avec près de 3 ans de fonctionnement.

Quelques boues sont observées dans le fond du clarificateur, avant sa vidange complète.

Colonisation du support de biomasse bactérienne

Les oxybilles ont toutes été sorties de la cuve. En arrivant dans la zone du plancher du fond, quelques filasses ont été observées comme on le voit sur la photo ci-dessous.

Les oxybilles par elles-mêmes sont assez propres, et contrairement à ce que nous pensions, l’épaisseur du biofilm est faible. La nature du matériau couplé à la puissance de l’aération permet un décrochage continu de la biomasse en excès, ce qui limite l'accumulation de boues biologiques dans le réacteur. On comprend du coup pourquoi la recirculation des boues décantées dans le clarificateur doit être permanente et de bonne qualité, afin d’éviter que l’accumulation de boues biologiques dans ce compartiment entraîne des vidanges bien plus fréquentes que ce qui a été observé durant l'étude (une vidange seulement au bout de 3 années d’alimentation sollicitante).

État des diffuseurs d’air

Sous le plancher du fond, on découvre les deux diffuseurs à membrane qui sont noyés dans des boues assez concentrées. Cependant ces boues ne sont ni compactes ni noires, et présentent une bonne odeur. Quelques filasses restent également accrochées.

En retournant les diffuseurs, on constate la présence de vers rouges très fins, amassés. Ces nématodes baignent dans la boue dont ils se nourrissent. Il s’agit d’une biomasse normale qui témoigne de l’accumulation de matière organique, et d’une bonne aération à ce niveau.

La membrane des diffuseurs présente une très légère couche de dépôt blanchâtre, comme une concrétion de calcaire, mais qui s’enlève très bien par simple frottement à la main. On distingue très nettement les trous qui permettent le passage de l’air. Les membranes ont été plongées dans de l’eau claire après avoir été nettoyées sur une moitié de leur surface seulement, afin de vérifier si le bullage présentait des différences avant/après nettoyage. Ce test n’a pas révélé de différences notables dans la densité des bulles (appréciation visuelle) entre la partie restée sale et la partie propre. Il apparaît donc que la couche de dépôt est bien trop fine pour gêner l’aération. Son épaisseur est estimée à moins d’un demi-millimètre et elle couvre environ 75 % de la surface. On peut conclure qu'il n’y a pas nécessité d’intervenir en maintenance sur ces membranes, du moins avec le recul de 3 années d’utilisation permanente, pour un fonctionnement de l’aération 24 h/24.

Il faut également signaler que le surpresseur ne montre aucun signe de faiblesse au bout de plus de 2 ans de fonctionnement.

État général de la cuve

La cuve est restée parfaitement intègre au cours de son séjour sous terre. Aucune trace de corrosion du béton n’est observée.

Quelques observations de biomasse épuratrice

Il n’a pas été procédé à des observations de la biomasse épuratrice le jour de l’autopsie. En revanche, au cours de l'étude, des observations ont été pratiquées. La faune régulièrement trouvée est représentative à chaque fois d’une bonne aération.

d'une bonne stabilité du système, avec une grande variété de protozoaires et métazoaires, et plus particulièrement les espèces dominantes suivantes : grandes paramécies, vorticelles à longs pédoncules, rotifères et nématodes. Le constat qui est fait est que des eaux septiques peuvent être traitées dans ces dispositifs sans que cela n'entraîne des dysfonctionnements biologiques liés à des foisonnements filamenteux, même si des filaments de soufre sont présents dans le réacteur.

Conclusion sur la culture fixée Oxyfix

Pour ce type de filière, l'autopsie ne peut révéler que des défauts structurels (corrosion, fissures, altération des matériaux), matériels (usure du surpresseur ou des membranes), ou d’encrassement des supports de biomasse au fil du temps. En effet, dans la mesure où il peut y avoir des interventions d’exploitation, celles-ci permettent, en extrayant par exemple les boues en excès, de maintenir en état le système épuratoire.

Dans le présent cas, en ce qui concerne cette filière, il n’a pas été constaté de défaut particulier ni d’encrassement après 3 années de fonctionnement.

Démantèlement de la culture libre Opur 5/3

La stratégie d’autopsie est également adaptée à ce dispositif. On rappelle qu'il s'agit d'une micro-station monocuve, avec un compartiment de décantation primaire de 1,1 m³, une cuve d’aération de 1,1 m³ pour la culture libre, un clarificateur de 1,1 m³, une recirculation des boues par air-lift du clarificateur vers le réacteur biologique, une aération par diffusion fines bulles à l'aide d'un disque à membrane. Les points essentiels qui ont été vérifiés sont :

1. Accumulation de boues et flottants ;
2. État du système de recirculation ;
3. État du diffuseur d'air ;
4. État général de la cuve vide.

Déroulement chronologique de l'autopsie de l'OPUR 5/3

Chaque compartiment est vidé en douceur des boues qui y sont contenues, jusqu’au fond des ouvrages. Les dépôts et flottants sont observés.

La tige supportant l’air-lift et la vanne de recirculation sont retirées et inspectées.

Le diffuseur unique est sorti de la cuve, pour inspection.

La cuve est finalement sortie de sa fouille pour une vérification de son intégrité.

Les observations

Accumulation de boues et flottants

Cette micro-station à culture libre a été vidangée par trois fois au cours de l'étude. Lors de l'ultime vidange, rien d’anormal n'a été révélé dans le décanteur primaire ni dans le réacteur aéré.

Un chapeau de boues d’une dizaine de centimètres recouvre le clarificateur. Dessous, de l’eau claire est présente. Au fond du clarificateur, une couche de boues d’environ 50 cm est observée, ainsi que dans le cône central, où l'air-lift puise les boues biologiques pour les recirculer.

État du système de recirculation des boues

La tige supportant l'air-lift et la vanne de recirculation est propre ; on n’observe aucun dépôt ni de filasses accrochées.

État du diffuseur d'air

Le diffuseur unique est retiré. Une couche de dépôt blanchâtre sous des boues de type « biofilm » est observée sur environ 95 % de la surface.

Un test de bullage comme pour les diffuseurs de la culture fixée est effectué. Il révèle que dans les zones où le dépôt a l'air uniforme, et par ailleurs plus épais que celui de la culture fixée, les trous de diffusion sont bouchés et la densité du bullage s'en trouve diminuée. Cependant, dès lors que la membrane est nettoyée avec un simple passage de la main, l'intégralité du bullage est retrouvée.

On peut en conclure que dans ce dispositif à culture libre, la membrane se salit a priori plus vite. Il faut en conséquence prévoir une opération de nettoyage de la membrane, à réaliser au cours d’une des visites annuelles, sans que ce soit nécessairement tous les ans.

État général de la cuve vide

L’état général du dispositif est satisfaisant. Les capots sont en bon état, ne présentent aucun fendillement ni de signe d’usure ou de réaction aux intempéries.

La cuve est sortie intègre de sa fouille et ne présente aucune déformation qui aurait pu être occasionnée au cours des vidanges. La canalisation de liaison pour l’aération entre le décanteur primaire et le réacteur aéré est également en bon état.

Conclusion sur la culture libre Opur 5/3

Comme pour le dispositif à cultures fixées, l'autopsie ne peut révéler que des défauts structurels (corrosion, fissures, altération des matériaux), matériels (usure du surpresseur ou de la membrane de diffusion d’air), ou d’encrassement (recirculation, clarification). Dans ce cas en particulier, il y a eu des interventions d’exploitation, qui ont permis, en extrayant par deux fois les boues en excès accompagnées d'un nettoyage général, de maintenir en état la fonction épuratrice.

Dans le présent cas, en ce qui concerne cette filière, l’autopsie n'a pas révélé de défauts particuliers.

Conclusion générale

Afin de tirer le maximum de bénéfice d'une telle opération relativement inédite, un regard critique a posteriori a été appliqué à la démarche, notamment dans le but d’améliorer le démantèlement des 3 dispositifs encore en fonctionnement (filtre compact Ecofix à copeaux de coco, filtre compact à zéolithe, et filtre à sable de taille réduite avec Septodiffuseur). Cette ultime autopsie aura lieu en septembre 2010.

donnera lieu à la seconde partie de la présente publication.

La première grande conclusion d’ordre méthodologique concerne les filtres à sable. L'outil Investig’+® est prometteur puisqu’il permet d’accéder de manière non destructive aux informations que les sondages, les prélèvements et les analyses ont apporté, et les complète d’images et de mesures de gaz.

La seconde concerne la distribution des eaux usées prétraitées sur les filtres extensifs. On constate que la distribution décrite dans le DTU 64-1 (dernière version 2007) a de quoi être très largement mise en cause puisqu'elle ne permet pas, avec une alimentation au fil de l'eau, de répartir de façon homogène les eaux sur la surface du filtre. Le passage à une distribution sous pression, grâce à la fois à un réseau de distribution de plus faible diamètre et une alimentation par bâchées, serait plus efficace. Cependant il faut éviter le bouchage des trous du réseau de distribution.

Une adaptation de leur nombre, leur diamètre, ainsi que du diamètre de la canalisation de distribution reste à optimiser, comme cela a pu être observé sur l'Autoepure. Un autre grand constat est le tassement préférentiel du sable. Il est difficile de préciser qui de la mise en œuvre ou de la mauvaise distribution est responsable des déséquilibres, mais ces constats sont faits non seulement dans le présent cas autopsié, mais aussi dans de nombreux cas explorés avec l'outil Investig’+® (plus de 300 filtres à sable investigués à ce jour).

Une autopsie sur des microstations a moins de sens puisqu’elles sont toutes accessibles dans leurs organes principaux pour assurer leur entretien. Il n'y a donc pas de grosses surprises.

Par ailleurs, dans leur cas, il s’agit plus d'un diagnostic que d'une autopsie puisque rien de ce qui a été réalisé n’a été destructif pour accéder aux informations collectées, ce qui a nécessité tout au plus un simple démontage.

L’autopsie des filières compactes non accessibles reste à faire, et le second chapitre de cet article la décrira.