Dimensionnement et entretien des fosses toutes eaux : nouvelles tendances

Un préfiltre du type de ceux commercialisés en Amérique du Nord a été testé en conditions réelles et les contraintes d’utilisation ne sont pas compensées par un bénéfice au niveau de la qualité de l’effluent.

La vérification périodique du bon fonctionnement des installations d’assainissement non collectif ainsi que leur entretien se résume souvent à une vidange de la fosse toutes eaux. Cette vidange doit avoir lieu tous les 4 ans, la périodicité étant fréquemment réduite à 3 ans, voire 2, à titre de sécurité. Par ailleurs, l’application de la réglementation conduit à installer des fosses de 3 m³ pour les logements comprenant jusqu’à 5 pièces principales, le volume de la fosse étant augmenté de 1 m³ par pièce supplémentaire. Or, très souvent, des logements de grande capacité se retrouvent après quelques années occupés par 2 à 4 personnes, desservis par une fosse de 4 à 5 m³ très largement dimensionnée. Cette situation est très courante lors des opérations de réhabilitation. Par ailleurs, nous savons que les phénomènes de digestion anaérobie dans les fosses toutes eaux sont très longs à trouver un régime stationnaire et que, de ce fait, les taux d’accumulation des boues (exprimés en litre par personne et par jour) évoluent à long terme : en passant de 0,35 l/personne/jour après 6 mois de fonctionnement à 0,15 l/personne/jour après 3 ans et demi (Philip et al., 1993).

De plus, on constate sur les fosses toutes eaux de type horizontal et non compartimentées que la surface de décantation est souvent plus que proportionnelle au volume. Ainsi, une fosse Eparco Assainissement de 5 m³ (Brevet EP 0240412) présente une surface utile pour la décantation de 3,95 m², contre 1,71 m² pour 3 m³. Le contexte réglementaire conduit donc à une situation paradoxale :

• une proportion importante d’installations sont très largement dimensionnées avec une surface de décantation de la fosse présentant un coefficient de sécurité de 2 à 4 par rapport au minimum nécessaire et une capacité de digestion et de stockage des boues permettant des intervalles de vidange supérieurs à 10 ans ;
• un grand nombre de ces installations sont vidangées sans nécessité tous les 2 ou 3 ans. Cette situation va à l’encontre du premier principe concernant la gestion des déchets.

Mots clés : fosse septique, fosse toutes eaux, assainissement individuel, assainissement non collectif, assainissement autonome, épuration des eaux usées domestiques.

en éviter la production. On démontre ici tous les avantages apportés par une modification des règles de dimensionnement des fosses toutes eaux afin d’optimiser la production de boues et de faciliter la gestion globale des systèmes d’assainissements non collectifs.

La nécessité de contrôler l’assainissement autonome : une histoire ancienne

(Rambaud, 2003)

Depuis l’invention de la “vidangeuse automatique et inodore” du français Jean-Louis Mouras en 1881, jusqu'à aujourd'hui, la problématique de l’entretien et du dimensionnement des fosses septiques est restée d’actualité. Ainsi, dès le 1ᵉʳ juin 1910 une Ordonnance de Police sur les fosses septiques institue un “Certificat de vérification officielle” dans lequel est demandé un rejet après épandage ou passage sur un lit bactérien d’oxydation, avec réseau étanche entre fosse et épurateur, et on interdit les “puits absorbants”. Le niveau d’épuration y est même défini par des valeurs de MES (30 mg/l) et d’oxydabilité au KMnO₄ en 3 minutes à 30 °C. Ce régime se révéla assez inefficace en pratique. Ainsi, une enquête du laboratoire de la Préfecture de Police de la Seine, en 1922, portant sur 1234 fosses septiques visitées, montra que 12 seulement répondaient aux conditions de l’Ordonnance de 1910. Les conclusions de l'enquête étaient sévères : “Les entrepreneurs, architectes et propriétaires recherchent le bon marché, avec des dimensions réduites donc insuffisantes. L'installation doit être entretenue or les usagers en sont incapables”.

En 1924, le Conseil Supérieur d’Hygiène Publique de France (CSHPF) s’inquiète de la situation créée par l’assainissement individuel : il produit un rapport le 18 mai 1925 qui conduit à l’Arrêté du Ministère de la Santé du 22 juin 1925. Il s'agit du 1ᵉʳ règlement technique, solide et cohérent. Les points forts de ce texte sont les suivants :

• * Chaque appareil comporte 2 éléments : le collecteur et liquéfacteur (fosse septique) et le lit bactérien ou élément épurateur,
• * La fosse pour 1 à 10 usagers a au minimum, par usager, un volume de 250 l pour les seules eaux vannes et de 500 l si l'on y adjoint les eaux ménagères (sauf les bains),
• * Les chasses des WC sont de 6 l afin que dans la fosse, le taux de NH₄ soit < 200 mg/l,
• * Le lit bactérien reçoit l’effluent automatiquement et par intermittence sur toute sa surface, avec 1 m² au moins pour 10 usagers sur une épaisseur de 1 m !

Ensuite les textes importants sont les suivants :

L’arrêté du 14 juin 1969 qui stipule que les fosses septiques sont destinées à la collecte et la liquéfaction des matières excrémentielles. Il impose les caractéristiques suivantes pour les fosses : volume de 1 m³ pour 4 usagers maximum, plus 0,5 m³ par tranche de 2 usagers supplémentaires (jusqu’à 5 m³ pour 20 personnes). Ces volumes doivent être doublés lorsque les eaux ménagères sont admises dans la fosse. Enfin, la hauteur d’eau dans la fosse doit être de 1 m minimum et le dispositif de raccordement à l’élément épurateur doit être plongeant.

L’arrêté du 3 mars 1982 qui introduit la fosse “toutes-eaux” d’un volume minimum de 2 m³ à 4 pièces principales ; le plateau absorbant est exclu. Au-delà de ces changements de forme, le nouveau texte réglementaire modifie la façon de percevoir l’assainissement autonome et sa place parmi les systèmes de traitement des eaux usées. La circulaire du 20 août 1984 qui précise les modalités d'application de l’arrêté du 3 mars 1982 définit l’assainissement autonome comme un choix de la collectivité en fonction du mode d’urbanisation et des caractéristiques du site. L’assainissement autonome devient une filière de traitement en soi.

La loi sur l'eau du 3 janvier 1992 renforce encore cette conception notamment dans son article 35 : les communes prennent obligatoirement en charge les dépenses de contrôle des systèmes d’assainissement non collectif et elles peuvent prendre en charge les dépenses d’entretien.

Enfin, l’arrêté du 6 mai 1996, avec sa circulaire d’application de mai 1997 qui fixent aujourd'hui les prescriptions techniques applicables aux systèmes d'assainissement non collectifs et qui présentent les modalités de contrôle et d’entretien des systèmes.

En 100 ans, les techniques concernant la fosse septique ont évolué, en parallèle de la réglementation, et il convient de faire un point sur les nouvelles tendances.

Fonctionnement des fosses toutes eaux : la conception hydraulique prime

Les systèmes d’assainissement autonome mettent en jeu, dans la plupart des cas, une fosse toutes eaux qui assure deux fonctions :

• - la décantation des effluents,
• - la liquéfaction des boues formées par la rétention des matières solides.

On sait que la première fonction est liée à des phénomènes hydrauliques. En particulier la décantation dépend de la surface en plan utile pour la décantation, les surfaces utilisées pour les systèmes d’entrée et de sortie n’étant pas prises en compte comme cela est présenté sur la figure 1.

On sait (Philip, Rambaud, Maunoir, 1994) que c’est le rapport entre le débit entrant et la surface de décantation qui détermine la vitesse ascensionnelle des effluents selon le rapport : Q (m³/h) / S (m²) = Va (m/h). Toutes les particules dont la vitesse de chute V₀ est supérieure à Va seront retenues. Les particules dont la vitesse de chute V₀ est inférieure à Va seront retenues dans le rapport V₀ / Va. Ainsi, pour améliorer la décantation,

il faut augmenter à débit égal la surface utile pour la décantation, et non pas simplement le volume. Pour cette même raison, plusieurs fosses sont à installer en parallèle et non en série.

Dans le cadre de la réglementation, on s'aperçoit que pour des habitations importantes (7 pièces principales) on est conduit à utiliser des fosses de 5 m³ alors que dans la très grande majorité des cas la famille ne comporte que 3 ou 4 personnes.

Augmentation des performances hydrauliques

Nous avons essayé d’évaluer l'impact du surdimensionnement, observé en pratique, vis-à-vis de la rétention des MES. L’étude s'est déroulée en 3 volets :

Un premier volet concerne les observations effectuées sur notre première plate-forme expérimentale alimentée en eaux usées strictement domestiques. Nous avons étudié le niveau de MES en sortie de 2 fosses Eparco de 3 m³ comparativement à 2 fosses Eparco 5 m³. Afin de ne pas biaiser les résultats par le fait que les fosses de 5 m³ auraient eu une hauteur de boues moindre, celles-ci ont été remplies au départ de l’expérience avec 40 cm de boues, alors que les 3 m³ étaient en eau claire au départ. La charge reçue par chaque fosse de 3 ou 5 m³ était de 4,9 EH. Les résultats obtenus pendant 560 jours sont présentés dans le tableau 1.

Ce tableau montre des différences significatives avec un écart de l’ordre de 10 mg/l en faveur des fosses 5 m³. Cette différence moyenne doit s’apprécier par le fait que les écarts-types sont plus faibles en sortie des 5 m³, ce qui traduit une plus grande stabilité qualitative de l’effluent. Ainsi, alors que le taux maxi de MES n’atteint que 75 mg/l pour une 5 m³, on enregistre jusqu’à 130 mg/l pour une 3 m³. On peut noter qu’au niveau de la DCO de l'effluent prétraité on trouve en moyenne 25 mg/l de moins en sortie de la 5 m³.

Le deuxième volet de l'étude de la rétention des MES concerne des données recueillies sur le terrain. Aussi, 3 fosses de 5 m³ (fosses A, B et C), utilisées chacune par 4 usagers, ont fait l’objet d’un bilan 24 heures. Les résultats sont présentés dans le tableau 2.

Les valeurs mesurées sont représentatives d'un bon fonctionnement, et on retrouve exactement les mêmes valeurs de MES que sur notre plate-forme.

Le troisième volet de l'étude de la rétention des MES concerne le fonctionnement de 6 fosses de 5 m³ sur notre nouvelle plate-forme expérimentale. Cette plate-forme est présentée sur la photo 1.

Les effluents d'origine exclusivement domestique issus d'un lotissement de 14 villas sont collectés via un réseau d’assainissement séparatif de 200 m. Six filières d’assainissement autonome sont installées en parallèle alimentées par un système de distribution automatisée. Les effluents septiques de la plate-forme alimentent également des pilotes de laboratoires (colonnes de filtration, etc.), et les laboratoires sont équipés de matériels permettant de traiter jusqu’à 50 échantillons d'eau usée par jour (chromatographie ionique, carbone organique et total, chromatographies en phase gazeuse, etc.).

Les fosses sont en légère surcharge. En effet, leur dimensionnement théorique est de 9 EH, nos mesures effectuées en continu montrent que la charge réellement reçue est de 9,9 EH en hydraulique (sur la base de 150 l/EH) et de 11 EH en organique (sur la base de 120 g DCO/EH). Les effluents de sortie après 300 jours de fonctionnement ont les caractéristiques données dans le tableau 3. Le niveau moyen est de 71 mg/l en MES et 387 mg/l en DCO. (Remarque : les effluents d'entrée ont les valeurs de 322 mg/l en MES et de 774 mg/l en DCO).

Ces valeurs restent bonnes et montrent la capacité d'une fosse de 5 m³ à absorber une pointe de pollution, qui peut d’ailleurs se produire sur n’importe quelle installation unifamiliale.

Tableau 3 : Sortie des fosses 5 m³ de la plate-forme

(moyenne du dernier mois après 300 jours de fonctionnement)

Cette première partie montre donc que, par rapport à une 3 m³, une fosse de 5 m³ permet :

• - d'optimiser le taux de MES en sortie,
• - d'absorber des pointes exceptionnelles.

Une fosse de 5 m³ permet donc de sécuriser et d’augmenter la durée de vie du système d’épandage ou du filtre à l’aval.

Amélioration des performances biologiques

Nous avions montré lors d'une étude de 3 ans (Philippi et al., 1992) réalisée entre 1989 et 1992 et portant sur un parc de 33 fosses de 3 m³, pour l'essentiel, que les taux d’accumulation des boues évoluaient à long terme. Après s’être stabilisés, autour de 0,2 l/jour·personne, ils descendaient à 0,15 après 3 ans. Une étude récente que nous avons réalisée sur le terrain (2001-2002), portant sur 9 fosses de 3 à 5 m³ utilisées par 2 à 4 personnes pendant 3 à 5 ans, a permis de relever également un taux moyen de 0,2 l/jour·personne.

En se basant sur le cas d'une famille de 4 personnes et à raison d'une accumulation possible des boues dans la fosse de 50 % du volume utile, et d’un taux d'accumulation de 0,2 litre/personne·jour, on calcule que :

• - une fosse de 3 m³ doit être vidangée tous les 5,1 ans ;
• - une fosse de 5 m³ doit être vidangée tous les 8,6 ans.

Avec une hypothèse de taux d’accumulation de 0,15 litre/personne·jour permise par le plus long temps de séjour, la fosse de 5 m³ ne serait plus à vidanger que tous les 11,4 ans.

On peut considérer qu’une famille de 4 personnes constitue un standard à prendre en compte en assainissement non collectif individuel. En effet, nos études de terrain ont révélé les chiffres suivants :

• - 2,9 personnes en moyenne et 4 personnes maximum lors de notre étude récente sur 9 fosses de 3 et 5 m³ ;
• - 3,7 personnes et 5 personnes maximum lors de l’étude de 1989-1992 sur 33 installations individuelles.

Par ailleurs, les données de l’INSEE montrent que la moyenne des ménages français en zone rurale est de 2,57 personnes (Bulletins INSEE Première, n° 750 et 789).

De plus, le volume de la fosse est lié à la taille de l’habitation qui est dans les faits indépendante du nombre réel d’usagers.

Une bonne gestion passe par la mesure de la hauteur des boues

La conséquence de ce qui précède est qu'un gain important peut donc être réalisé sur la production des matières de vidange. La mesure du niveau des boues est donc essentielle. Cette mesure peut s’effectuer notamment grâce à deux types de détecteurs développés par Eparco Assainissement :

• - Le détecteur mobile (voir photo 2). Un faisceau lumineux est réfléchi par un miroir à 45° dans un tube gradué que l’on plonge dans la fosse. La mesure du niveau des boues est obtenue au centimètre près. Grâce à cet appareil portable, il est possible de réaliser des campagnes de mesures avec des relevés intégrés à un diagnostic complet de l’installation (environ 6 à 8 visites par jour).
• - Le détecteur fixe (voir photo 3). Un système de détection optique placé en permanence dans la fosse permet, suivant les versions, de mesurer à différents niveaux ou de simplement détecter un niveau d’alerte, avec possibilité de départ en limite de parcelle, à l’instar d'un compteur d’eau ou d’électricité. Une mesure à distance est également réalisable.

L’équipement d’un parc avec des fosses de 5 m³ minimum et la réalisation des vidanges selon les caractéristiques particulières des ouvrages et de l’occupation des locaux (validés de fait par le suivi du volume des boues) conduiraient à optimiser la production des matières de vidange tout en assurant une protection maximale du système à l'aval de la fosse.

Tableau 4 : Performances des fosses après la mise en place de nouveaux systèmes de sortie

…mettrait par rapport à un parc classique, vidangé systématiquement tous les 3 ans, de réduire au minimum de 60 % le volume des matières de vidange.

Nécessité et rôle des préfiltres

L'influence des préfiltres sur le fonctionnement des fosses toutes eaux a déjà été montrée dans des études préalables (Philip, Rambaud et Maunoir, 1994). On rappelle que la conception hydraulique d'une fosse est le facteur prédominant pour la rétention des MES. En effet, on a démontré que des fosses de 3 m³, alimentées de manière identique en eau usée brute, toutes deux munies d’un préfiltre garni de pouzzolane, donnaient des résultats très différents en sortie en ce qui concerne le paramètre MES : 60 mg/l ± 13, dans un cas contre 128 mg/l ± 78 dans l'autre cas (durée d'observation = 6 mois, nombre de mesures = 16). On en conclut donc que l'installation d'un préfiltre ne garantit pas un bon résultat d'une fosse dont la conception hydraulique est mauvaise.

Par ailleurs, on sait que certains types de préfiltre subissent un phénomène d’auto-colmatage par la biomasse qui s'y développe avec des risques de relargage en absence de nettoyage. Ce colmatage a une périodicité variant de 1 à 2 ans sur les modèles de fosses de 3 m³ que nous avons observés. Cependant, pour pallier à une mauvaise conception hydraulique des ouvrages, on voit apparaître sur le marché, notamment en Amérique du Nord, des kits de préfiltres vendus seuls, généralement cylindriques, verticaux (Ø 100 à 200 mm) composés de tamis à maillage assez fin à connecter sur le tuyau de sortie des fosses. Ces kits sont par exemple fortement recommandés pour la réhabilitation d’anciennes fosses dont on ne connaît pas les performances dans le but de protéger le massif filtrant situé en aval.

Afin de démontrer l'efficacité de tels systèmes, nous avons mis en place une série de tests en conditions réelles sur les fosses de la plate-forme expérimentale Eparco à Mèze. Deux fosses Eparco de 5 m³ alimentées toutes deux depuis 350 jours en conditions réelles par des effluents domestiques ont été comparées, l'une (la fosse n° 6) étant équipée d’un kit commercialisé dans l'Ontario (Canada). On indique que pendant les 350 premiers jours de fonctionnement, avant cette modification les performances des deux fosses testées étaient identiques, avec une moyenne de MES en sortie de 71 ± 1,5 mg/l, pour 70 mesures. Au 350ᵉ jour, le nouveau système a été installé en lieu et place du système Eparco et le suivi des performances concernant les MES en sortie de fosse a été effectué pendant 125 jours par 37 prélèvements ponctuels et par un prélèvement moyen composé de 32 prélèvements sur 24 heures (aj 371).

Le tableau 4 présente les résultats.

Il apparaît que le préfiltre nord-américain testé dans une fosse Eparco donne des résultats significativement moins bons, avec deux effets négatifs marqués : d'une part des relargages ont été mesurés à différentes périodes avec des concentrations maximum en MES en sortie de 355 mg/l, et d'autre part, un colmatage précoce après 126 jours de fonctionnement qui a entraîné une mise en charge de la fosse suivie de déboires lors du nettoyage du tamis. Le test a été arrêté après 175 jours à la suite d’autres colmatages entraînant des relargages néfastes pour l’épandage aval.

Il ressort de ce test que le système de sortie d'une fosse septique est un élément primordial qui doit être conçu et dimensionné en fonction de l’ouvrage lui-même et en fonction des contraintes d’entretien que l'on souhaite lui imposer.

Conclusion

Le passage du volume minimal des fosses toutes eaux de 3 m³ à 5 m³ permet :

• d’abaisser à environ 50 mg/l le taux de MES en entrée de filtre ou d’épandage et de pérenniser l'installation ;
• d’augmenter le temps de séjour des boues et d’abaisser leur taux d’accumulation ;
• de réduire la fréquence des visites de surveillance et d’entretien : une première visite sans vidange 4 ans après la mise en route paraît suffisante.

Des outils de détection du niveau des boues, fixes ou portables, permettent dans tous les cas de figure de ne vidanger que si nécessaire.

Des préfiltres commercialisés en Amérique du Nord ont été testés en conditions réelles et les résultats n’ont pas été satisfaisants.

Sur le plan de la gestion des systèmes d’assainissement non collectifs, ces données permettent :

• de préconiser une visite de contrôle après les quatre premières années de fonctionnement et tous les deux ans ensuite, visites au cours de laquelle seront observés :
  • les bons écoulements à l’aval de la fosse
  • le bon fonctionnement des aérations
  • l’absence de dégâts dus à des charges roulantes, des tassements de terrain, des inondations, des terriers...
  • le niveau des boues grâce à un détecteur adapté.