Comment réaliser un échantillonnage fiable des eaux usées brutes issues de maisons individuelles

Cet article présente enfin l’exploitation des résultats concernant les volumes journaliers rejetés par habitant et par jour, mesurés à 84 litres par habitant et par jour.

L’échantillonnage permet d'obtenir les informations sur les volumes, les concentrations et les charges polluantes que reçoit l'installation de traitement des eaux usées. Tout ouvrage de traitement des eaux usées a un domaine de traitement garanti, pour lequel ses conditions de fonctionnement permettent d’obtenir les performances exigées.

Pour exiger des performances : le Domaine de Traitement Garanti (DTG)

Le domaine de traitement garanti est impératif pour tout ouvrage de traitement des eaux usées, quelle que soit sa taille, car les eaux usées reçues ne sont pas constantes en qualité et en quantité, tous les jours de l'année. En conséquence, l’ouvrage peut être amené à fonctionner en surcharge ou en sous-charge par rapport à son dimensionnement pour une charge organique nominale à traiter et dans ces conditions délicates, il peut ne pas atteindre les per

formances exigées. De plus en plus, dans les pays européens, on a coutume de parler de performances garanties sur un pourcentage donné du temps de fonctionnement.

Comment sont échantillonnées les eaux usées brutes de stations d’épuration collectives (STEP)

Veolia Eau assure l’exploitation et l’entretien de nombreuses stations d’épuration pour le compte de collectivités ou d’industriels. La mise en place et la réalisation de l'auto-surveillance réglementaire de ces installations fait partie des missions qui lui incombent contractuellement. L'auto-surveillance correspond au suivi des charges polluantes collectées et transportées par le réseau d’assainissement, complété du suivi des performances épuratoires des installations d’assainissement. Elle est mise en œuvre selon un cahier des charges très précis, décrit par l’arrêté du 22 juin 2007 (projet modificatif en cours). Il fixe notamment les fréquences de surveillances par an et par paramètre (MES, DCO, DBO, NGL + formes azotées (NO₃, NO₂, NH₄, NTK et Ptotal) selon la capacité nominale de la STEP.

Les stations sont a minima équipées, en fonction de leur taille :

> d'un dispositif de mesure du débit assorti d’aménagements pour obtenir des prélèvements représentatifs des effluents en entrée et sortie pour les stations de moins de 120 kg/j de DBO₅ ; > d'une mesure et d’un enregistrement du débit en continu avec des prélèvements asservis au débit au moyen de préleveurs automatiques pour les stations de plus de 120 kg/j de DBO₅.

Les agences de l’eau assurent l’expertise technique régulière des dispositifs de mesure de débit et de prélèvement d’échantillons, de leur bon fonctionnement ainsi que de leurs conditions d’exploitation.

Les résultats d’analyses sont régulièrement transmis sous format électronique aux autorités (Agence de l’eau et service de police), accompagnés d’un bilan annuel sur la base duquel les services de police calculent les conformités annuelles des stations d’épuration. Une déclaration dans la base ministérielle alimente enfin le « reporting » national et européen.

Dans le cadre de cette auto-surveillance, ce sont des échantillons moyens 24 h sur l’eau brute qui sont obtenus. Les préleveurs automatiques sont programmés pour recueillir des échantillons élémentaires, soit proportionnellement aux débits admis à l’entrée des stations d’épuration (multi-flacons 12 ou 24 flacons), soit à une fréquence horaire (mono-flacon) pour les plus petites stations.

Dans le premier cas, les échantillons élémentaires sont utilisés pour reconstituer l’échantillon moyen 24 h dans des proportions qui tiennent compte du profil journalier du débit d’entrée. Dans le second cas, le mono-flacon utilisé délivre directement l’échantillon moyen collecté sur 24 h.

Les prélèvements se font dans un endroit où la prise d’échantillon permet de garantir la représentativité de l’eau usée prélevée, en général après l’ouvrage de dégrillage. L'auto-surveillance permet d’accéder aux volumes journaliers arrivant sur la station d’épuration, et aux concentrations moyennes sur 24 h à partir d’un échantillon reconstitué. Il est admis par l’état de l’art que cette pratique garantit les valeurs moyennes à ± 5 % sur les débits et de l’ordre de 10 à 20 % selon les paramètres physico-chimiques pour les concentrations.

Pour ce qui concerne les volumes journaliers attribués à l’équivalent habitant, ils sont théoriques car le volume total journalier mesuré est composé des rejets d’eaux usées domestiques et intègre aussi des eaux parasites, des rejets non domestiques et le fait que le taux de raccordement au réseau d’eaux usées est mal maîtrisé. Rapporté à la capacité nominale de l’installation, il est compréhensible que ce volume total journalier soit une approche fortement par excès du volume rejeté par équivalent habitant.

Les charges polluantes et hydrauliques peuvent être calculées. Elles servent à vérifier que la station reçoit des charges conformes au domaine de traitement garanti (CCTG fascicule 81), et à évaluer les rendements épuratoires (grâce aux analyses réalisées également sur les eaux traitées).

Dernière remarque, et non la moindre pour le présent sujet, dans un réseau d’assainissement collectif les variations quantitatives et qualitatives des rejets issus de centaines de foyers parviennent lissées à la station d’épuration située au bout du tuyau.

Comment échantillonner des eaux usées brutes issues d’une maison individuelle

L'objectif est d’accéder aux mêmes données fondamentales : les volumes journaliers, les concentrations journalières et les charges organiques journalières.

Pour retenir la meilleure méthode d’échantillonnage, il faut avoir conscience de la nature physique d’une eau brute issue d’une maison individuelle. Rappelons que les eaux usées domestiques sont composées :

> des eaux grises qui sont un mélange d’eaux usées en provenance de la cuisine (préparation des repas, vaisselle), de la salle de bain (douches / bains, divers hygiènes corporelle), de la buanderie (lavage du linge) et toute autre activité domestique ; > des eaux noires (ou eaux vannes) en provenance directe des WC.

Les eaux grises sont plutôt « liquides » même si elles contiennent quelques matières particulaires et des corps gras. En revanche, les eaux noires contiennent des matières solides de taille et densité variables (matières fécales et papiers), accompagnées de liquides (eau et urine) en faible quantité.

Contrairement à l’assainissement collectif, où les caractéristiques des rejets sont lissées, nous avons à la sortie d’une maison de façon aléatoire et avec des fréquences non maîtrisables, des rejets divers à l’unité très différents en volume et en nature : une chasse d’eau, une douche, un bain, une lessive, une vaisselle, etc.

Pour ces conditions particulières de nature et de volume de rejet d’eaux usées domestiques à la maison individuelle, envisageons trois approches classiques d’échantillonnage et jugeons de leur pertinence pour aboutir à une évaluation fiable de la charge organique produite dans une période de 24 h, ainsi que le volume journalier :

Échantillonnage ponctuel

cette pratique est totalement contestable car on ne sait ni quoi prélever (du liquide, des matières), ni dans quelles proportions le faire. Les analyses réalisées sont trop dépendantes de la nature du rejet au moment où l’échantillonnage est effectué (chasse WC, douche, etc.). Pour la mesure

du volume, la seule solution pour ce présent cas est d’avoir recours au relevé du compteur d’eau potable.

Échantillonnage proportionnel au débit (comme sur les stations de grande taille) :

outre le fait que cette approche est complexe à mettre en œuvre si l’on veut instrumentaliser l’échantillonnage (mesure des débits et programmation des prélèvements élémentaires), cette pratique revient à réaliser des prélèvements ponctuels répétés à des fréquences fixées, sur une eau usée très hétérogène. Certes, un échantillon moyen peut être reconstitué à partir des prélèvements élémentaires, mais avec un niveau de précision médiocre sur les proportions à introduire pour chacun d'entre eux.

De plus, la notion de proportionnalité est basée uniquement sur des volumes, alors que les charges polluantes de chaque volume rejeté (lié à chaque usage) sont très différentes. Nous ne retenons donc pas la méthode, car elle ne peut pas donner des résultats représentatifs du rejet journalier. Cette méthode fut pourtant utilisée par les auteurs des rares publications proposant des valeurs d’eaux usées brutes à la maison individuelle ou pour des groupes de maisons. Pour ce qui concerne la mesure du volume journalier, même instrumenté, le résultat de la mesure est entaché de grandes incertitudes. Il faut également avoir recours au relevé du compteur d'eau sur la période.

Échantillonnage à partir du volume journalier collecté dans sa totalité.

Cette approche radicale est bien la seule qui permette de capter toute la pollution, et tous les volumes rejetés sur une période donnée, 24 h dans notre cas. C’est l’approche que nous avons retenue, elle est détaillée ci-après.

Mode opératoire d’échantillonnage des eaux brutes issues de maisons individuelles retenu

Pour éviter tout biais et garantir la précision des données, les eaux brutes sont collectées dans leur totalité, par période de 24 h.

Afin de s’assurer que la collecte est bien totale, surtout face à l’hétérogénéité des matières brutes, un regard est aménagé sur la sortie des eaux usées des maisons, dans lequel une pompe du type « vide cave eau chargée » est placée.

Le volume de ce regard permet à la pompe munie d’une poire de niveau de fonctionner correctement. Dès que la poire déclenche le démarrage de la pompe, les eaux usées sont envoyées dans une cuve de stockage d’un volume suffisant pour accueillir la totalité des eaux générées par les occupants de la maison dans la période de 24 h. La cuve utilisée possède un volume de 1 m³, elle est graduée pour faciliter le relevé du volume collecté sur la période.

À l’issue des 24 h, la pompe est retirée, le fond du regard est nettoyé avec une petite quantité d’eau dont le volume est connu, le tout est aspiré avec un aspirateur à eau et déversé dans la cuve de stockage. Cette opération est indispensable car la petite quantité de matière restant au fond du regard lorsque la pompe s’arrête (zone de marnage de la pompe) peut contribuer jusqu’à près de 20 % de la charge organique totale sur les 24 h d’échantillonnage. Il ne faut donc surtout pas négliger ce reliquat d'eau brute. Les imprécisions dues au point de prélèvement et à la méthode d’échantillonnage sont évitées avec la méthode adoptée.

Par période de 24 h, on dispose alors d'un volume journalier total parfaitement mesuré.

Ce volume est ensuite homogénéisé à l’aide d’un mélangeur-malaxeur, durant une dizaine de minutes. Ceci a pour conséquence de finaliser le fractionnement des matières les plus grosses, et permet ainsi de réaliser des prises d’échantillons élémentaires homogènes. L’échantillonnage est réalisé par échantillons élémentaires successifs entre chacun desquels une ré-homogénéisation est appliquée, pour finalement reconstituer un échantillon moyen journalier.

Leur conditionnement en flacons de deux litres mis en glacière précède leur acheminement immédiat vers un laboratoire accrédité. Sur ces échantillons sont analysés les paramètres DBO₅, DCO, MES, NTK, NH₄, NO₂, NO₃, Ptotal. Des analyses bactériologiques sont aussi réalisées, sur quelques échantillons.

Durant la période d’échantillonnage, le nombre précis de personnes occupant la maison est relevé, ainsi que les périodes d’absence des habitants. En plus de la mesure précise du volume recueilli sur 24 h, le compteur d’eau potable est relevé pour en apprécier les écarts éventuels, ainsi que les usages de l'eau n’ayant pas d'impact sur le rejet des eaux usées (ex : arrosage) ou pouvant en avoir (ex : utilisation de l'eau)

d'un puits privé pour les WC par exemple). Les occupants ont aussi pour consigne de noter les utilisations courantes de l’eau qui sont faites dans la maison au cours de chaque période (douches, utilisation du lave-linge, etc.).

Vérifier si les consommations et charges polluantes sont les mêmes tous les jours de la semaine

Cette opération est répétée tous les jours de la semaine afin d’obtenir des mesures représentatives de la vie des occupants d’une maison individuelle, avec les usages (rejets) de jours ouvrables et les usages de week-end qui peuvent être différents. Ainsi l’échantillonnage démarre le plus souvent un lundi matin, pour se terminer le lundi matin suivant, soit 7 jours consécutifs. Pour chaque maison étudiée, nous obtenons donc 7 échantillons moyens 24 h. Pour quelques maisons, il a été procédé à une répétition des prélèvements 7 jours consécutifs à une autre période de l’année (soit 14 échantillons moyens 24 h). Les maisons investiguées sont situées dans 5 départements différents (cf. carte figure 4).

Volume total collecté

Comme décrit précédemment, la totalité des rejets émis par les habitants de chaque maison sont recueillis sans exception par période de 24 h. Au cours de ces périodes, la présence des habitants est relevée, à la fois le temps de présence sur les 24 h et les tranches horaires d’absence. Toutefois, savoir si « l’absence » a impacté la qualité et la quantité de rejets d’eaux usées de la maison n’est pas accessible puisque nous ne savons pas si l’habitant lors de son absence a généré une pollution là où il se trouvait plutôt qu’à son domicile. Dans ces conditions, la valeur factuelle mesurée de volume par jour et par habitant est une valeur minimale, de façon systématique.

Pour accéder au volume rejeté par jour et par habitant nous utilisons la méthodologie suivante :

• • À partir des mesures de volumes journaliers rejetés par une maison sur les sept jours consécutifs d’une semaine, nous accédons au volume journalier rejeté par habitant et par maison en divisant le volume mesuré par le nombre d’habitants de la maison.
• • Il n’est pas précis de faire la moyenne générale à partir des valeurs moyennes de volumes par jour par habitant et par maison, car les maisons ne sont pas toutes occupées par le même nombre d’habitants. Pour accéder à une valeur moyenne du « volume journalier par habitant », il convient de descendre non plus au niveau de la maison mais à celui de ses habitants, et de raisonner sur autant de données en mesures de volumes journaliers qu’il y a d’habitants. Concrètement, notre échantillon a porté sur 147 mesures journalières, 21 séquences d’une semaine, 12 maisons et 561 habitants.

La courbe de répartition des valeurs mesurées des volumes journaliers par habitant est tracée à la figure 5. La moyenne sur un échantillon de 147 mesures est identifiée à 89 litres par habitant et par jour.

On peut constater qu’il y a une assez large dispersion des valeurs, avec des extrêmes mesurés à 17 et 237 L/hab/j.

Le rapport entre ces volumes extrêmes par jour et par habitant est de 14.

Afin de fixer une approche plus exacte de la moyenne du volume journalier par habitant nous proposons de conserver la courbe de la figure 5 dans l’intervalle percentile 10/90. Ceci nous permet de nous affranchir des valeurs extrêmes sans doute trop exceptionnelles pour avoir une signification scientifique.

La valeur moyenne du volume journalier retenue dans l’intervalle des percentiles 10-90 est de 84 litres par jour et par habitant. En recentrant les valeurs sur les événements compris dans les bornes percentiles 10-90, les résultats des volumes journaliers montrent une amplitude de variation pouvant aller du simple au quadruple. Le tableau 1 reprend les résultats factuels.

mesurés tenant compte de ce recentrage des données sur les bornes percentiles 10-90.

Comparaison des volumes collectés avec les relevés compteur

Tableau 1 : moyennes et ratios entre maxima et minima, pour la totalité des observations (147), et pour les événements compris entre les percentiles 10 et 90

– Pour l’ensemble des mesures : moyenne des volumes journaliers 89 L/hab ; extrêmes des volumes journaliers 17 à 237 L/hab ; ratio des volumes journaliers extrêmes 14.

– Pour les événements entre les percentiles 10 et 90 : moyenne des volumes journaliers 84 L/hab ; extrêmes des volumes journaliers 38 à 159 L/hab ; ratio des volumes journaliers extrêmes 4,2.

Les deux mesures ont été systématiquement effectuées sur quelques sites. Le graphique de la figure 6 (comparaison des volumes mesurés, et relevés au compteur d'eau potable) trace les résultats obtenus : en rose les volumes relevés aux compteurs eau potable pour la période de collecte, en bleu les mesures factuelles des volumes collectés.

On fait le constat que pour environ 50 % des maisons, le volume mesuré et le volume donné par le compteur d'eau potable sont cohérents, à moins de 5 % près. Pour les autres 50 % des maisons, le compteur semble sous-compter ou sur-compter au-delà de 5 %, avec des extrêmes pouvant atteindre l’ordre de grandeur du volume factuellement mesuré.

Amplitude des variations des volumes journaliers au cours de la semaine

La figure 7 (comparaison des variations journalières des volumes collectés par habitant pour chaque maison) est réalisée avec les mêmes mesures journalières 24 h, mais on s'intéresse à présent à ce qui se passe pour chacune des maisons, chaque jour de la semaine (à chaque bâton correspond un bilan 24 h, et à chaque couleur correspond une maison). Cet exercice met en évidence que les jours se suivent sans se ressembler nécessairement.

De façon plus détaillée, l'examen de ces mesures met en évidence :

• Des variations avec des amplitudes importantes par période de 24 h sur une séquence de 7 jours de mesures consécutives, pouvant aller jusqu’à plus de 4.

• Le constat de non-reproductibilité d’une semaine à l'autre pour une même maison des volumes hebdomadaires consommés, même s'il conviendrait d’attendre des séries hebdomadaires plus nombreuses pour conclure de façon certaine. On retiendra que si la valeur moyenne de consommation journalière est de 84 L/hab, avec des volumes extrêmes de 38 à 159 L/hab, on doit aussi tenir compte d’une variation d’un jour à l'autre dont l’amplitude peut aller jusqu’à 4. On enregistre également une tendance vers de forts niveaux de consommation de fin de semaine pour une moitié de l’échantillon des maisons « mesurées ».

Valeurs des moyennes hebdomadaires de volumes rejetés par habitant

Les variations journalières existent, c'est un fait, mais il faut sans doute s'intéresser de plus près aux valeurs moyennes hebdomadaires dans la perspective de caractériser au mieux les eaux brutes en vue de proposer des tests appropriés.

Dans le tableau 2 (moyenne hebdomadaire des volumes journaliers par habitant et par maison), la colonne « moyenne » représente la moyenne des mesures journalières sur la semaine, alors que les colonnes mini, maxi et ratio concernent les valeurs journalières des séquences hebdomadaires de mesure.

Si l'on considère les moyennes des volumes journaliers par période hebdomadaire et par maison, on observe une amplitude de variation de l’ordre de 3,2.

Par ailleurs, les amplitudes des variations journalières entre les volumes maxi et mini sont globalement comprises entre 2 et 4.

Tableau 2 : moyenne hebdomadaire des volumes journaliers par habitant et par maison

(V / jour L /hab par maison – toutes valeurs par maison et par séquence d’échantillonnage)

Tableau 3 : comparaison des volumes moyens en jours ouvrés contre jours de week-end

(V / jour L /hab par maison – toutes valeurs par maison et par séquence hebdomadaire d’échantillonnage)

Regardons à présent si des tendances jours ouvrés contre jours de week-end sont identifiables. Pour cela, le tableau 2 précédent est complété de deux groupes de colonnes, avec des moyennes réalisées sur les 5 jours ouvrés, comparées à la moyenne sur les 2 jours de fin de semaine.

Le traitement de chacun des bilans de jours ouvrés par rapport à ceux des jours de week-end montre que les écarts les plus importants sont obtenus pendant les périodes de week-end (ratio de 2,9 pour les jours ouvrés contre 3,6 pour les jours de week-end).

En résumé, pour 45 % de l’échantillon de maisons, on mesure une consommation d’eau de l’ordre de + 20 % le WE. Pour 40 % des maisons, la consommation est équivalente la semaine et le week-end, alors que pour 15 % des maisons, la consommation est de l’ordre de 10 à 20 % de moins le WE.

Conclusion

Échantillonner des eaux brutes de maisons individuelles pour en connaître les charges organiques et hydrauliques demande des précautions particulières pour obtenir des mesures fiables et précises. Il n’est pas envisageable de faire des prélèvements ponctuels, ni même un échantillonnage proportionnel au temps ou au débit. Pour s’affranchir de toute source d’erreur, la méthode employée est simple : tout collecter. Ainsi, une parfaite homogénéisation de l’eau brute rend possible un échantillonnage moyen de précision, et la mesure du volume collecté est directe.

Déjà pour les volumes collectés, nous constatons que le volume moyen journalier de 150 L par jour et par habitant, s’il l’a jamais été, n’est plus une vérité en 2012. Sur 147 bilans 24 h, la moyenne obtenue est de 84 L par jour et par habitant si l’on ne considère que les valeurs centrées sur les percentiles 10-90.

Lorsque l’on compare les volumes relevés sur les compteurs d’eau potable des maisons échantillonnées, on observe sur plus de la moitié de l’échantillon des écarts de volumes pouvant aller jusqu’à l’ordre de grandeur du volume mesuré. La référence au compteur d’eau n’est donc pas une source fiable de données, sauf à avoir au préalable réellement étalonné le compteur avec des volumes réels prélevés.

Éléments bibliographiques donnés à titre indicatif

– Évaluation sur sites des performances des systèmes d’assainissement individuels conformément à la procédure européenne. H. Jupsin et J.-L. Vasel.

– Qualitative and quantitative characterization of waste water for small communities. R. Pujol, A. Lienard.

– Étude séquentielle des variations des rejets journaliers d’eaux usées au niveau d’une habitation individuelle. A. Rambaud, Ch. Alozy, B. Redoul et J. Bontoux. Travaux de la Société de Pharmacie de Montpellier 1977 ; Fasc. 3, pp 195-206.

– Caractérisation d’effluents d’assainissement individuel et essai de matériels d’assainissement autonome. R. Blanc et J.-P. Benneton. T.S.M. Novembre 1989.