Les stations d'épuration des eaux usées urbaines et la réglementation

Quelles données de base ?

Lors de l'élaboration du cahier des charges définissant une station d’épuration, les maîtres d’œuvre sont amenés à décrire deux aspects fondamentaux :

• les bases de dimensionnement des ouvrages à partir de la caractérisation des effluents à traiter ; • le réseau des contraintes :

- contraintes de rejet (performances à atteindre, niveau de rejet...), - contraintes d'insertion (nuisance sonore, nuisance olfactive, architecture, documents d’urbanisme...), - contraintes de site (géotechnique, hydrologie locale...), - contraintes de sécurité (inondabilité,...)

La deuxième notion doit résulter de constats et doit être précisée dans le cadre de l'étude d'impact et notamment des mesures compensatoires. Les contraintes de rejet en relation directe avec la notion d'impact sur le milieu constituent un chapitre important de l'étude d'impact. Afin que les performances épuratoires à requérir soient réalistes, il apparaît nécessaire de préciser clairement la nature du flux (notion de traitabilité).

Le présent article décrit une approche méthodologique pour fiabiliser la détermination des bases de dimensionnement d’ouvrages d'épuration de façon à répondre aux exigences du terrain et à s'inscrire dans le cadre des derniers textes de la réglementation.

Bases de dimensionnement : les objectifs réglementaires

Ce paragraphe n'a pour but que de faire un bref rappel des textes régissant la définition des bases de dimensionnement d'une station d’épuration. Ces bases sont réglementairement à définir pour étayer :

– le marché de travaux liant contractuellement « l'entreprise » de réalisation de la station d’épuration au maître d’ouvrage, – le dossier de demande d'autorisation préfectorale qui engage le maître d'ouvrage à respecter des seuils de rejet (charges, concentrations, débits), sachant qu'une station d'épuration est soumise au régime d'autorisation dès lors que sa capacité dépasse 2000 équivalents-habitants (E.H.) suivant le décret n° 93-742 du 29 mars 1993.

À noter d'emblée, la position délicate du maître d’ouvrage qui, à la fois, est le donneur d’ordre et le responsable des dommages.

Litiges provoqués par un ouvrage qu’il n’a pas conçu mais dont il est propriétaire. Cette position ne garantit pas au Maître d’Ouvrage la possibilité de se retourner contre l’Entreprise en cas de non-respect des clauses de l’autorisation [il est possible de concevoir une situation où la station d’épuration ne respecte pas les contraintes de rejet imposées par l’arrêté d’autorisation, mais reste conforme aux contraintes imposées au Constructeur dans son marché de travaux].

En examinant les aspects réglementaires évoqués précédemment et notamment les textes ou documents les régissant, on note deux définitions des bases de dimensionnement :

• Fascicule 82 titre 11 article 11.2 du CCTG travaux : définir une capacité nominale servant de base à la définition du domaine de traitement garanti.
• Arrêté du 22 décembre 94 article 3d : définir le débit et les charges de référence.

Il apparaît évident, notamment pour éviter de placer en porte-à-faux le maître d’ouvrage, que les notions de capacités nominales du marché et le débit et les charges de référence de l’arrêté d’autorisation soient identiques. La définition des valeurs de référence d’une station d’épuration fait appel à une notion de rationalité, notamment si l’on se réfère au Cahier des Clauses Techniques Générales (C.C.T.G.) : la définition des éléments rationnels de dimensionnement est fonction

• des conditions de fonctionnement,
• des ouvrages considérés,
• des objectifs de fiabilité.

L’arrêté du 22 décembre 94 introduit la notion de fonctionnement dégradé pour les débits et les charges excédant les débits et les charges de référence.

Enfin, ces deux textes introduisent également la notion de « fiabilité » avec notamment la prise en compte des incidents de fonctionnement (périodes d’entretien et de réparations lourdes) durant lesquelles des performances acceptables doivent pouvoir être garanties. La multiplicité des objectifs peut conduire au final à certaines incohérences :

• la station d’épuration est dimensionnée pour une charge et un débit de référence qui ne sont pas forcément le débit et la charge maximum qu’elle va recevoir ;
• la notion de fiabilité (résumée à tort par le terme « 95 % de conformités ») n’intervient qu’au niveau de l’aspect conception de la filière mais n’intervient pas au niveau de la définition des flux de référence.

Approche du dimensionnement

Qu’est-ce que la charge de référence ?

Article 3d – Arrêté du 22/12/94 en référence aux articles L 372-1-1 et L 372-3 du Code des Communes

• La charge de référence est constituée : des débits et charges produits en temps sec,
• de la part du débit et des charges des eaux pluviales retenues.

Le débit et les charges de référence tiennent compte des variations saisonnières.

Cette charge est nécessairement établie pour une situation future, ce qui implique la prise en compte :

• des extensions,
• des améliorations du réseau (réduction des débits d’eaux parasites et/ou des apports d’eaux de pluie),
• des projets de traitement spécifique (traitements ou pré-traitements industriels, techniques alternatives...).

Tout ceci découle du programme d’assainissement (section 13 du décret n° 94-469 du 3 juin 1994 relatif à la collecte et au traitement des eaux usées mentionnés aux articles du Code des Communes L 372-1-1 et L 372-3) dont l’établissement est un préalable à tout projet de station d’épuration.

Approche des flux d’eaux usées vraies

Les flux de temps sec sont constitués par :

• les eaux usées vraies (eaux vannes rejetées par les habitants et eaux polluées rejetées par les industriels) ;
• les eaux parasites dues à des introductions d’eaux claires (eaux de drainage, captage de sources voire de cours d’eau, rejet d’eau industrielle non polluée, eau de refroidissement...).

« Quelles valeurs retenir pour les eaux usées vraies ? »

• Approche théorique : menée à partir des données de population, de consommation d’eau potable, de données d’enquêtes,...
• Approche « mesures » : menée à partir des résultats de campagnes de mesure sur le réseau de collecte.

L’approche théorique fait appel à plusieurs hypothèses (ratios de pollution, taux de retour à l’assainissement des volumes d’eaux potables consommés...).

L’approche « mesures » soulève le problème de la représentativité des mesures.

En global, il semble que les deux approches doivent être menées afin d’avoir, en comparaison finale, la possibilité :

• de mettre en évidence les éventuels dysfonctionnements (pertes de pollution, casses, déversoirs d’orage fonctionnant en temps sec, apport inattendu de pollution...);
• d’appréhender le taux réaliste de raccordement.

La prépondérance dans le choix final d’une approche par rapport à l’autre va dépendre de l’importance des mesures. En effet, les données de mesure à disposition peuvent

résulter d'un simple bilan 24 heures ou alors d'un suivi annuel (autocontrôle).

Il est clair que la faible représentativité d'un bilan 24 heures sera compensée par l'approche théorique, et plus tard par une sécurité importante au niveau de la définition des charges de référence.

À l'opposé, la prise en compte de nombreux résultats de mesure va conduire à délaisser les conclusions de l’approche théorique dans le choix des charges de référence (l'approche théorique ne sera utilisée que pour vérifier la cohérence des mesures et appréhender d'éventuels dysfonctionnements).

Dans l'exemple ci-après présentant une série de 7 mesures de charge en DCO, on observe une valeur qui s'écarte notablement des autres et de la valeur théorique indiquée : facteur 2,5 par rapport à la seconde valeur la plus importante (figure 1).

Que doit-on faire de cette valeur extrême :

• l'intégrer dans la moyenne,
• la retenir comme valeur maximale,
• l'éliminer comme valeur aberrante ?

Dans l'exemple de la figure 2 où est représenté un échantillon de 17 valeurs (valeurs classées par ordre croissant), on constate 3 valeurs au-dessus de la valeur théorique. On note une relative progressivité dans la linéarité de la courbe et aucune valeur ne s'écarte notablement des autres. Le nombre restreint de valeurs ne permet pas d'optimiser le choix de la charge de référence. L'incertitude sur la représentativité des mesures reste importante et va conduire à prendre nécessairement une sécurité au niveau du choix final. Si l'on accroît le nombre de valeurs disponibles, il est possible d'introduire une notion d'optimisation.

Sur les deux exemples présentés ci-après, nous disposons de 47 et de 67 valeurs de volume journalier de temps sec. Mais dans les deux cas, nous pouvons encore nous poser la question du choix de la valeur à retenir. Doit-on retenir :

• la valeur maximale,
• la valeur moyenne,
• le maximum de la valeur moyenne sur 7 jours consécutifs ?

À ce jour, aucun texte réglementaire n’oriente ce choix. À tort, a-t-on utilisé la notion de valeurs non dépassées 95 % du temps. Cet usage semble résulter d'un rapprochement avec le nombre d'échantillons devant être conforme en procédure d'autocontrôle d'une station. Le choix a un impact économique non négligeable.

Sur un autre exemple (la ville de Cavaillon) :

• valeur maximale : 7 560 m³/jour,
• deuxième valeur maximale : 6 700 m³/jour,
• valeur maxi 7 jours consécutifs : 5 212 m³/jour,
• valeur moyenne : 4 600 m³/jour.

Il est clair que le choix ne peut résulter que de l'examen d'une courbe de valeurs classées. Cet examen doit être une approche critique intégrant la nature et le fonctionnement du réseau. Il est nécessaire de prendre en compte la définition des ouvrages.

En conclusion :

• Il semble nécessaire d'examiner le fonctionnement des ouvrages pour des valeurs mesurées dépassant la valeur de référence retenue et notamment appréhender l'impact qui en résultera sur le milieu récepteur ;
• le choix peut être différent suivant la filière considérée, suivant même les ouvrages constitués.

De l'usage, il résulte qu'il n'est pas nécessaire de trop affiner les calculs des valeurs de référence pour le fonctionnement en temps sec car c'est le fonctionnement en temps de pluie (volumes amenés au traitement, charges et concentrations élevées générées par les remises en suspension des dépôts) qui reste prépondérant dans le dimensionnement final.

Approche des eaux parasites de temps sec

Les « eaux parasites de temps sec » se décomposent en :

• apports d’eaux claires (eau de refroidissement, rejet d'eau potable...),
• apports d’eaux de drainage.

Les premières sont, a priori, constantes dans l'année et peuvent être appréhendées par la mesure.

Les secondes vont dépendre d'une part des niveaux de nappe et d’autre part sont à relier à l'existence des phénomènes de ressuyage des sols après la pluie.

Ces derniers apports peuvent dans certains cas être relativement importants. Citons l'exemple récent de mesures faites sur un réseau où les débits d'eaux claires parasites ont été multipliés par un peu plus de 3 à la suite d'une pluie de 37 mm ; le retour à la valeur initiale n'a été obtenu qu'au bout de 14 jours. L'accroissement du débit minimum représentait 60 % de la valeur de débit maximale mesurée en période de sécheresse. Cet exemple montre bien l'importance de ce débit de ressuyage et met aussi en évidence la difficulté à atteindre une bonne représentativité à partir d'une campagne de mesure d'eaux claires parasites. (Une mesure est une simple « photographie » d'un phénomène qui peut être complexe et variable dans le temps).

Approche des flux de temps de pluie

Dans le dimensionnement d'une station d’épuration, l'approche « temps de pluie » ne peut être négligée. Les mesures faites sur les réseaux démontrent que lors d’épisodes pluvieux, les débits maximums, les concentrations, les volumes et les charges véhiculées par les réseaux sont augmentés de manière notable.

Approche législative : L’arrêté du 22/12/94, pour ce qui concerne la pluie précise :

point où se raccordera la station d'épuration) ont révélé la présence d’un premier flot d’orage nettement plus concentré en matières polluantes que le reste de l'écoulement (4 à 7 fois plus).

Le projet retenu aboutit à la mise en place d'un bassin d’orage en amont du refoulement précédant la station d'épuration. Le dimensionnement de cet ouvrage a été conduit :

"contiennent une part de débit et de charge d'eau pluviale."

"Le choix des valeurs à retenir incombe au maître d’ouvrage."

"Le maître d’ouvrage peut choisir des ouvrages évolutifs."

En conclusion, on ne relève aucune règle. Il convient donc de rechercher l’optimisation entre « économie de projet et objectif à atteindre » et de concevoir le système avec la notion d’évolutivité afin de pouvoir pallier demain aux manques de connaissances actuelles.

Démarche à entreprendre :

Du fait de la mise en place très récente des diagnostics permanents, une durée d’observations au moins annuelle des phénomènes pluvieux sur un réseau reste, à ce jour, exceptionnelle.

L'observation du fonctionnement en temps de pluie est soit inexistante, soit se limite à l'établissement d'une série d'hydrogrammes et de pollutogrammes. L'absence d'observations ne doit pas conduire à ignorer ce problème. Même si le débit de pointe admis sur la station sera limité au niveau des ouvrages de tête (relevement), sa durée d’apparition étant plus longue qu’en période de temps sec, le volume à admettre en traitement sera plus important, les concentrations en matières polluantes seront plus élevées et donc la charge admise sur les ouvrages de traitement sera fréquemment supérieure à celle de temps sec.

L’existence d'hydrogrammes et de pollutogrammes permet une meilleure définition des charges de référence. Cette exploitation conduit fréquemment à l'utilisation d'une modélisation avec calage du modèle à partir des résultats des mesures. À ce niveau, plusieurs méthodes peuvent être utilisées :

• – exemple de l'étude de définition du fonctionnement en temps de pluie sur la ville de Cavaillon permet d'imager les approches. Les mesures faites sur l'exutoire du réseau d’assainissement de la ville de Cavaillon (au par la méthode de la pluie caractéristique. Le raisonnement a consisté à déterminer le volume supplémentaire généré par différentes hauteurs de pluie journalière de durée de retour connue sur l’année. Cette démarche semble encore imprécise car elle ne fait intervenir ni la durée de la pluie ni les notions de charge ;
• – en simulant une année moyenne synthétique (déterminer les débits et les charges représentatives de différentes valeurs de pluie caractéristiques aussi bien en hauteur qu'en durée et représentative d'une année moyenne).
• - en déduire la chronique des charges véhiculées en temps de pluie, et en simulant le fonctionnement d'un bassin de pollution à examiner l’efficacité de différents dimensionnements ;
• - en simulant une année réelle où les pluies étaient connues avec des pas de temps de 1 heure. Dans ce dernier cas, la comparaison finale de l’efficacité de bassin d’orage pour différents volumes a été faite :

en raisonnant sur les volumes et les charges déversées au milieu sans traitement sur l'ensemble de l'année. Dans ce cas, une approche a été menée pour comparer l’efficacité et les coûts de solutions mixtes :

• accroissement de volume du bassin de pollution,
• accroissement de la capacité de la station d'épuration,
• et en raisonnant sur les charges maxi déversées et en essayant notamment d'appréhender l’effet obtenu sur le milieu récepteur.

Cet exemple démontre la multiplicité des approches. Dans tous les cas, il ne faut pas omettre les problèmes d’incertitudes qui existent quelle que soit la démarche employée. Et gardons toujours en tête le souci de pouvoir faire évoluer le mode et les dimensions du traitement des eaux de pluie.

La démarche générale d’étude exposée ci-avant révèle l'importance et la nécessité des études devant précéder l’élaboration des cahiers des charges. Il convient de recenser en tout premier lieu les études préalables (dont notamment les études diagnostiques et les études qui ont pu conduire à l’élaboration du schéma d’assainissement). La partie « mesures et investigations de terrain » est déterminante. Un échantillon de valeurs de débits et de charges mesurés conséquent permet d’introduire une notion d’optimisation et de fiabilité dans le choix des valeurs de référence nécessaires au dimensionnement des ouvrages. L’exploitation des valeurs doit être effectuée avec un esprit critique pour la bonne prise en compte :

• - de la représentativité de la période de mesure,
• - du domaine de validité des valeurs (valeurs qui s’écartent notablement des autres) :
• valeurs aberrantes (erreurs de mesure, …) ?
• valeurs représentatives d’un phénomène exceptionnel ? (opération de curage de réseau, événement exceptionnel sur le bassin versant pouvant conduire à un accroissement des rejets un jour par an – foire par exemple).

Les études diagnostiques et de définition du schéma d'assainissement comportent la présentation d’un constat et d’un état des lieux de l'existant. Elles ne doivent pas a priori conclure à la définition des charges de référence, le choix de ces dernières étant de l'autorité du maître d'ouvrage (qui doit intégrer dans sa décision les notions d’impact sur le milieu).

Le deuxième stade des études doit donc viser à guider le choix du maître d’ouvrage : études de faisabilité, d'avant-projet. Ces dossiers doivent intégrer une synthèse des études précédentes, les conclusions des études d'impact à mener en parallèle et les contraintes d'adaptation au site :

• – examen technique des différentes filières de traitement que l'on peut mettre en place afin de répondre aux exigences et aux contraintes,
• – comparatif technico-économique des différentes solutions.

L'examen ne doit pas se limiter au fonctionnement « charges nominales ». La réflexion doit être étendue au-delà en envisageant la réponse des ouvrages pour des dépassements de charges prévisibles. Cet examen doit se faire par étape de traitement (prétraitement, traitement secondaire, filière boue).

Le but final est la formalisation en pleine concertation des différents critères devant définir la station d’épuration :

Débits et charges de référence ; ces valeurs doivent ressortir d'une analyse technico-économique intégrant la périodicité des dépassements de charge et la réponse des ouvrages à ces dépassements.

d’attirer l’attention des décideurs sur le fait d’éviter la multiplication des sécurités pouvant conduire à un surdimensionnement inutile, onéreux et peut-être préjudiciable au fonctionnement de la station d’épuration (conjuguer pour le calcul des charges, le volume maximum mesuré avec la concentration maximale, sans se soucier de la probabilité d’apparition simultanée des deux phénomènes).

Mode de fonctionnement en temps de pluie

Définir pour chaque partie d’ouvrages le niveau de charge et de débit à prendre en compte ainsi que les caractéristiques dimensionnelles des ouvrages propres à leur traitement (volume des bassins de pollution, débit et charge admis sur les traitements pluviaux spécifiques).

Débit et charge de dimensionnement de chaque filière de traitement ou organe de filière

Dans de nombreux cas, il apparaît opportun de définir pour chaque stade de traitement les caractéristiques de dimensionnement auxquelles doit répondre l’ouvrage isolé. Par exemple :

• – un dimensionnement de prétraitement permettant en temps de pluie d’admettre un débit supérieur au reste du traitement,
• – le dimensionnement d’un traitement de boue peut être établi en raisonnant sur des périodes hebdomadaires correspondant au temps de fonctionnement des ateliers de déshydratation. Le dimensionnement sur la pointe journalière ayant une occurrence forte paraît excessif,
• – dans le cas de la biologie et en particulier de la nitrification qui fait intervenir l’âge des boues (15 à 20 jours), retenir la charge de référence journalière paraît aberrant ; on retiendra plutôt la valeur moyenne maximum sur 15 à 20 jours consécutifs.

Niveau de rejet.

La définition des niveaux de rejet ne doit pas résulter seulement de la stricte application de l’arrêté du 22/12/94 (exigences épuratoires minimales), le choix doit correspondre à un compromis entre l’impact du rejet sur le milieu récepteur et les capacités épuratoires des ouvrages prévisibles (notion de traitabilité). L’objectif est de retenir des valeurs possibles à respecter à un coût de traitement raisonnable.

Le cahier des charges

Comme indiqué précédemment, le cahier des charges est le lien contractuel existant entre le constructeur et le maître d’ouvrage. Il est, pour la phase de consultation, le document qui doit regrouper tous les éléments permettant de guider les constructeurs dans leur définition des ouvrages. En final, le cahier des charges doit comporter :

• – les charges et le débit de référence correspondant à la globalité du projet : ces notions sont contractuelles, elles engagent le constructeur ;
• – le positionnement de ces données de référence par rapport aux autres valeurs : correspondent-elles à la valeur maximale connue ? Quelle est la marge de sécurité par rapport à la situation actuelle ? Sont-elles dépassées ?
• – une représentation des flux à traiter : celle-ci peut être figurée par une chronique classée des valeurs mesurées, ou des valeurs interprétées (moyenne annuelle, moyenne mensuelle, valeur sur 7 et 20 jours consécutifs…)
• – les bases de dimensionnement particulières des ouvrages : ces valeurs peuvent être contractuelles. Dans ce cas, un engagement de performance doit être défini s’il apparaît différent de celui correspondant à toute la station d’épuration.

Exemples

• – prétraitement devant traiter un débit supérieur en temps de pluie ;
• – traitement de boue dimensionné sur la production de boue moyenne d’une période de 21 jours ;
• – étage biologique pouvant admettre des charges supérieures avec un rejet dégradé mais sans perturbation de la filière (départ de boues…), et conservant la capacité de respecter le niveau de rejet dès le retour à des valeurs de charges et de débit inférieures aux valeurs de référence ;
• – les niveaux de rejet prévus dans l’arrêté d’autorisation, et correspondant au débit et aux charges de référence.

Conclusion

De l’exposé précédent, il ressort :

Que la réglementation laisse une latitude importante au maître d’ouvrage pour caractériser ses ouvrages d’épuration. La nécessité d’avoir une démarche logique et pragmatique, fondée sur une observation importante du fonctionnement de l’existant. Cette démarche doit être consensuelle. À noter donc l’importance du cahier des charges replaçant les charges de référence dans leur contexte pour l’atteinte d’un dimensionnement des ouvrages proche de la réalité.