La gestion des eaux pluviales évolue, la possibilité de mise en oeuvre d'une taxe pluviale, les exigences de la Directive Cadre Européenne (DCE) et l'augmentation des inondations accélèrent ce processus. Des solutions ont été développées pour permettre la limitation de faibles débits et le traitement des eaux pluviales dans le cadre des techniques alternatives. L?étude des systèmes de régulation de débit à permis de déterminer la technologie la plus adaptée à ce type de gestion des eaux pluviales. Par ailleurs, les avancées récentes sur les connaissances des eaux issues de petites parcelles et une connaissance accrue du terrain et des contraintes associées à la gestion des eaux pluviales ont permis à Saint Dizier environnement de développer un système particulièrement adapté au traitement des eaux pluviales avant rejet ou infiltration dans le milieu naturel. Les retours des suivis sur sites prouvent l'efficacité du STOPPOL® dans sa version 10CKF.
La problématique de gestion et de traitement des eaux pluviales évolue. Nous sommes passés du « tout tuyau » qui avait pour objectif l’évacuation la plus rapide des eaux pluviales pour des raisons de salubrité publique, à un objectif d’intégration des eaux pluviales dans la ville. Ceci afin de limiter les débits rejetés vers le milieu naturel et ainsi, les risques d'inondations et de crues. La possibilité pour les communes de mettre en place une taxe pluviale (décret de juillet 2011) montre l’importance d’une bonne gestion des eaux pluviales en zones urbaines. En effet, outre l’aspect hydraulique, les eaux pluviales représentent des coûts importants pour les communes.
Les techniques alternatives possèdent l'avantage de pouvoir s’intégrer dans un urbanisme paysager verdoyant, elles sont relativement peu chères à mettre en œuvre et permettent de lutter efficacement contre les inondations. Par contre, elles nécessitent la présence de sols perméables, une profondeur de nappe phréatique suffisante et la mise en place de nouveaux outils d’exploitation. Il est alors nécessaire de bien prendre en compte l'incidence de la pollution des eaux pluviales sur les milieux naturels à moyen et long terme afin d’éviter de polluer durablement les sédiments, les nappes phréatiques et les cours d’eau. En effet, la baisse de volume ne réduit pas les concentrations en polluants dans les eaux. La révolution est en marche, il faut désormais que les urbanistes, les maîtres d’ouvrage, les maîtres d’œuvre et les services en charge de l’exploitation travaillent ensemble et inventent des solutions nouvelles pour une gestion la plus en amont possible des eaux pluviales. On remarque que la priorité de ce type de gestion des
eaux pluviales est la limitation des débits.
Il ne faut cependant pas oublier la problématique de protection des milieux naturels.
Les eaux pluviales ne sont pas dénuées de pollution, il faut donc développer des solutions de traitement adaptées aux techniques alternatives et prouver leur efficacité sur ce type de pollution.
La maîtrise des faibles débits
L'objectif ultime des techniques alternatives est de réussir à ne rejeter aucun débit d'eau pluviale en dehors de la parcelle. Cet objectif n’est pas toujours envisageable et, bien souvent, il est d’abord question de stockage avec restitution à très faible débit. Quelles sont donc les solutions pour limiter les débits de fuite ?
> Les contraintes à prendre en compte
La limitation des débits d’eaux pluviales en réseau séparatif doit permettre la régulation de faibles débits. Elle doit s’adapter aux fortes variations de hauteurs d'eau et doit nécessiter le minimum d’exploitation. De plus, il ne faut pas que la mise en place d’un ouvrage de limitation de débit entraîne des colmatages trop fréquents.
Des études technico-économiques ont été menées afin de comparer les différents systèmes de régulation et de chercher le domaine d'utilisation de chacun. Il s’avère que le système le plus adapté aux contraintes énumérées ci-dessus est le limiteur de débit Vortex.
> Caractéristiques des limiteurs Vortex
Les limiteurs de débit Vortex, par leur forme et leur conception, entraînent la création d'un trou d’air central. L'air prend la place de l'eau, limitant ainsi le débit traversé par l'ouvrage. Les vortex permettent une augmentation de la section de passage du fluide de 250 à 350 % par rapport à un ajutage (tableau 1). Cette augmentation de section limite les risques de colmatage. De plus, la prise d’eau étant siphonée, les flottants présents dans les regards et les bassins de stockage risquent moins de colmater les ouvrages.
Certains limiteurs Vortex sont également relevables depuis la surface, ce qui simplifie beaucoup l’exploitation.
Tableau 1
Comparatif ajutage/vortex PVX
| Q max H = 1 m | 5 l/s | 10 l/s | 15 l/s |
|---|---|---|---|
| Ajutage (mm) | 48 | 69 | 85 |
| Vortex PVX (mm) | 80 | 120 | 160 |
| Gain section (%) | 277 % | 302 % | 354 % |
Spécificités des eaux pluviales
Les caractéristiques des eaux pluviales sur les grands bassins versants ont été étudiées par le CEREVE dans les années 1990 (TSM n° 11, 1995). Par contre, nous ne disposons encore que d’assez peu d’informations sur les caractéristiques des eaux pluviales issues des petits bassins versants. Plusieurs études et thèses ont été réalisées et sont en cours sur ce sujet (Clothilde d’Elboeuf 2004, Sally Zgheib 2008, Adèle Bressy 2010). Elles prennent en compte, non seulement les paramètres globaux (MES, pH, DCO), mais aussi les micropolluants définis dans la directive-cadre européenne (DCE 2000/60/CE) et leurs parts particulaires et dissoutes. Les études récentes montrent une grande disparité des résultats en fonction de l’activité des sites, des pluies et des périodes. En effet, à l’échelle d'un petit bassin-versant, l’effet de la prépondérance d’un type de toiture ou de rejets atmosphériques industriels est beaucoup plus important.
On remarque toutefois la présence de nombreux micropolluants en quantité non négligeable dans les eaux pluviales étudiées et parfois à des teneurs supérieures aux NQE (Bressy 2010). On note ainsi la présence de 43 % des polluants prioritaires dans les eaux pluviales étudiées, 41 % des polluants dangereux prioritaires et 63 % des autres contaminants urbains recherchés (Zgheib 2008). De plus, les fractions particulaires sont plutôt faibles (environ 50 % pour les PCB et le cuivre et 30 % pour le zinc) sauf pour les HAP (85 %) (Bressy 2010).
Ces résultats montrent donc l'importance du développement de nouvelles technologies de traitement de ces eaux avant infiltration du rejet dans les milieux naturels, technologies devant traiter à la fois la fraction particulaire mais aussi les fractions dissoutes et colloïdales.
Caractéristiques du STOPPOL® 10CKF
Le STOPPOL® 10CKF a été développé pour répondre à cette problématique de qualité des eaux pluviales dans le cadre des techniques alternatives. La validation de son fonctionnement hydraulique et de son efficacité épuratoire a été validée en laboratoire avant sa mise en œuvre sur des sites pilotes.
Le STOPPOL® 10CKF est un ouvrage en composite avec des équipements en acier inoxydable et en composite (figure 5). Il comprend une première étape de dégrillage grâce à un panier dégrilleur extractible (figure 5 numéro 1 et figure 6), les eaux vont ensuite sur les coupelles de décantation.
Un caisson siphoïde de reprise des eaux (2) permet de retenir les flottants dans l’ouvrage. Ce caisson contient également un filtre (figure 7), développé et breveté par Saint Dizier environnement, permettant de retenir une partie de la pollution colloïdale et dissoute. L'exploitation est facilitée par une colonne d'aspiration des boues munie d’un raccord pompier (figure 5 n° 3 et figure 8) et par un caillebotis permettant de descendre dans l'ouvrage afin de changer les filtres aisément.
Par son faible encombrement (1 m de diamètre sur 1,5 m de haut) et son faible poids (70 kg), le STOPPOL® est une réponse adaptée au traitement des eaux pluviales dans le cadre des techniques alternatives. Le volume de stockage des boues est de 340 litres, ce qui représente une autonomie minimale d’une année pour un bassin-versant urbain. Les retours d’expérience de cette installation montrent que cet ouvrage doit faire l'objet d’un changement semestriel des filtres et d’une vidange annuelle. Le STOPPOL® s'implante à l’aval d’un ou plusieurs avaloirs, avant rejet vers des techniques alternatives (bassins, noues,…) avec infiltration ou rejet au milieu naturel. Afin de valider ses capacités hydrauliques et épuratoires, différents essais ont été menés en laboratoire avant sa mise sur le marché.
Développement du STOPPOL® LOCKF
> Validation hydraulique
Le débit de pointe retenu pour cet ouvrage est de 30 l/s. Ce débit représente un débit décennal sur la moitié nord de la France pour une surface de ruissellement de 1000 m². Afin de valider la conception, des simulations hydrauliques ont été réalisées sous Floworks (figure 2). On constate sur cette simulation l'absence de réentraînement des boues et une bonne répartition hydraulique sur toutes les coupelles de décantation.
Des essais sur banc hydraulique ont été réalisés pour valider cette simulation. Le STOPPOL® LOCKF est rempli de boues synthétiques et un débit de 30 l/s est envoyé dans l’ouvrage. La teneur en MES en sortie est de 12 mg/l. L'ouvrage peut donc supporter un débit de 30 l/s sans entraîner de relargage massif de boues.
> Capacités épuratoires
Des tests sur banc d’essais ont été réalisés afin de valider les capacités épuratoires du STOPPOL® LOCKF. Un effluent synthétique constitué de silice en poudre (ayant une d50 de 35 µm) contenant environ 100 mg/l de MES alimente le STOPPOL® LOCKF et des prélèvements réguliers sont effectués en entrée et en sortie afin de calculer l’abattement moyen sur ce paramètre (figure 3). Les abatements constatés varient entre 50 et 65 %.
Le STOPPOL® LOCKF est donc efficace sur la décantation des MES. Afin de valider ces résultats en situation réelle, nous avons effectué un suivi sur plusieurs ouvrages installés sur des parkings.
> Résultats analytiques
Des prélèvements ponctuels et des bilans massiques sur 6 mois ont été réalisés afin de constater les rendements épuratoires sur différents paramètres.
> Parking de nos bureaux à Gondecourt (59)
Les prélèvements ponctuels étant difficiles à réaliser et la mise en place de mesure de débit impossible sur cet ouvrage, le choix s'est porté sur la réalisation d'un bilan massique sur 6 mois. Ce bilan consiste en la mesure de la quantité et de la qualité des boues retenues dans le STOPPOL® LOCKF tous les 6 mois en prenant en compte la plu.
Tableau 2 : polluants retenus dans le STOPPOL® LOCKF de Gondecourt (59)
| | Paramètre | | Concentrations moyennes aval | | Concentrations moyennes interceptées | | Rendement moyen | |
|---|---|---|---|
| |---|---|---|---| | |||
| | MES (mg/l) | | 29 | | 28 | | 50 % | |
| | DCO (mg/l) | | < 25 | | 33 | | > 25 % | |
| | HCT (mg/l) | | < 0,1 | | 0,13 | | > 23 % | |
| | HAP's (ng/l) | | 250 | | 1200 | | 83 % | |
| | Plomb (µg/l) | | 13 | | 19 | | 60 % | |
| | Cuivre (µg/l) | | 16 | | 28 | | 57 % | |
| | Zinc (µg/l) | | 27 | | 69 | | 72 % | |
Pluviométrie de la zone concernée.
Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau 2. On constate que les concentrations moyennes interceptées sont presque tout le temps supérieures aux concentrations relevées en entrée de l’ouvrage.
Des teneurs élevées en HAP’s avaient déjà été relevées sur cette zone dans une étude précédente et sont confirmées dans ce bilan. On note aussi des teneurs non négligeables en métaux dans ces boues et dans les filtres.
> Parking d’un site industriel à Reims (51)
Un prélèvement a été effectué au cours d'une pluie sur cet ouvrage mis en place depuis quelques mois sur un parking. Les résultats sont présentés dans le tableau 3. On constate des abattements très importants sur les MES et l’Azote.
Tableau 3 : abattements obtenus sur le site de Reims (51)
| Paramètres | Amont | Aval | Rdt % |
|---|---|---|---|
| MES | 51 mg/l | 2,8 mg/l | 94 % |
| DCO | 32 mg/l | <30 mg/l | > 6 % |
| DBO₅ | 4,5 mg/l | 1,7 mg/l | 62 % |
| HCT | <0,1 mg/l | <0,4 mg/l | / |
| Azote total | 4,5 mg/l | 2,1 mg/l | 55 % |
Les résultats obtenus sur sites sont donc très encourageants. Nous avons aussi constaté des abattements sur la bactériologie qui sont très prometteurs pour des applications zone de baignade par exemple.
Conclusions
La gestion intégrée des eaux pluviales implique la prise en compte de nombreux facteurs dès la conception (exploitation, description des Techniques Alternatives dans les SIG, coordinations des différents acteurs, etc...). Certaines communes sont déjà très avancées dans la démarche et mettent en place des outils et méthodologies adaptés.
Cette « révolution » dans l'approche de la gestion des eaux pluviales en zones urbaines s'accompagne d'innovations et de nouveaux ouvrages de traitement et de régulation de débit tels que les limiteurs vortex et le STOPPOL®. L'innovation est au cœur des priorités de Saint Dizier environnement, le STOPPOL® 10CKF a reçu le premier prix de l’éco-innovation par le CD2E lors du dernier salon Environord à Lille. Le développement de ce produit a été financé par des aides OSEO et des aides européennes FEDER.
La nécessité d’un développement durable des techniques alternatives, associée à l'amélioration de la qualité des milieux, le développement des techniques d’analyse des polluants et micropolluants va entraîner encore beaucoup d’innovations dans ce secteur : traitement spécifique en fonction de l’activité et des surfaces reprises (zinc pour les toitures, micropolluants...), réduction de la pollution bactérienne avant rejet sur des zones de baignade, protection des captages d’eaux potables, gestion et dépollution des sédiments, cycle de vie des produits, etc...
Références bibliographiques
* Chebbo G., Mouchel J-M., Saget A., Gousailles M., La pollution des rejets urbains par temps de pluie : flux, nature et impacts, TSM n° 11, 1995.
* CLT42, Classeur technique publié aux éditions Techni.Cités sur la gestion et le traitement des eaux pluviales.
* Elboeuf C., Viau J.-Y., Aires N., Herman A., Bonneau P., Nobecourt A., Pebay P., Caractérisation des rejets par temps de pluie sur les petites et moyennes surfaces imperméabilisées, Novatech Lyon, 2004.
* Zgheib S., Moilleron R., Saad M., Chebbo G., Les polluants prioritaires dans les eaux pluviales urbaines : identification et concentrations, JDHU 2008.
* Bressy A., Flux de micropolluants dans les eaux de ruissellement urbaines. Effets de différents modes de gestion des eaux pluviales, 2010
