Performances bactériologiques des petites installations d'assainissement

Dans le but de mieux connaître les performances des Petites Installations d’Assainissement (PIA) Veolia Eau a réalisé depuis 2006 en plateforme des études :

• au Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) de Nantes (étude comparative de 8 PIA durant 4,5 années),
• au Bildungs und Demonstrationszentrum (BDZ) de Leipzig (étude comparative de 12 PIA durant 40 semaines).

Lors de ces travaux coordonnés par un Comité de Pilotage associant les meilleurs experts français et allemands sur les PIA, un des objectifs de Veolia Eau a été de tester les filières choisies dans des conditions de fonctionnement exigeantes pour accéder à leurs performances épuratoires. Ces situations peuvent être rencontrées, même si certaines d’entre elles restent exceptionnelles. Ceci nous a conduits à imaginer un protocole de tests plus contraignant que celui de la norme EN 12566-3+A1. L’alimentation de ces filières a été réalisée selon un régime hydraulique et de pollution représentatif de la réalité supposée et communément admise en Europe aujourd’hui, d’une maison individuelle : 150 L/j.hab, 60 g DBO₅/j.hab, profil hydraulique quotidien sur 11 heures avec 40 % du volume reçu par la filière sur 2 heures, effet de vidange quotidien de baignoire de 200 litres, surcharges de week-ends, etc.

Le protocole en conditions sollicitantes a été créé par Veolia, et a pour objectif de reproduire les rejets d’eaux usées d’une maison individuelle.

Soumises à ce protocole de test, nous avons pu comparer les performances de vingt petites installations d’assainissement différentes, représentatives des techno-

Mots clés : Petites installations d’assainissement, tests en plateforme et in situ, performances bactériologiques.

Tableau 1 : Le protocole en conditions sollicitantes® d’alimentation des filières

Tableau 3 : Récapitulatif des différentes phases d’alimentation des filières installées sur la plateforme de Nantes (janvier 2006 – août 2010)

Les filières testées sont données dans le tableau 2.

À la suite du protocole en conditions sollicitantes®, d’autres programmes d’alimentation des filières ont été appliqués sur la plateforme du CSTB de Nantes avec :

• des modulations de charges hydrauliques et organiques,

• la reproduction des séquences centrales du protocole en conditions sollicitantes®,

• des conditions particulières comme l’injection de produits chimiques toxiques et le fonctionnement avec des eaux usées artificielles recréées,

• le maintien en fonctionnement en avril 2009 de 3 des 8 filières (les 5 autres ont été mises hors service) avec une alimentation à 100 % du nominal hydraulique jusqu’en février 2010,

• l’application une troisième fois des séquences centrales du protocole en conditions sollicitantes® précédant le démontage final des filières en septembre 2010.

L’ensemble de ces séquences d’alimentation a pour but de tester les limites de fonctionnement des filières en leur appliquant des charges organiques et des charges hydrauliques plus élevées que celles que le protocole de marquage CE (norme EN 12566-3 +A1) impose.

Le tableau 3 présente les différentes phases appliquées sur les filières, accompagnées de leur durée d’application tout au long de cette étude.

Cette publication a pour but de comparer les performances bactériologiques de ces 20 filières lors de l’application du protocole en conditions sollicitantes® et des 8 filières de Nantes sur l’ensemble des protocoles. Les résultats seront ensuite comparés à ceux obtenus sur des filtres à sable in situ choisis sur l’ensemble du territoire français.

Tableau 2 : Les filières testées sur les plateformes de Nantes (1 à 8) et de Leipzig (9 à 20)

Matériel et méthodes

Bien que les filières de petit assainissement ne soient pas conçues pour traiter les pollutions microbiologiques, et bien qu’il n’existe pas de normes de rejets concernant ces pollutions, l’évolution de l’abattement en paramètres microbiologiques a quand même été suivie.

A Leipzig, les échantillons ont été prélevés selon un protocole prévoyant la prise d'échantillons pendant trois jours consécutifs. À Nantes, les prélèvements ont été réalisés une fois chaque mois pendant toute la durée de l'étude.

Les résultats seront donnés ici en n/100 ml. Le tableau 4 présente les normes des analyses utilisées par les laboratoires accrédités qui ont reçu les échantillons.

Tableau 4 : références des analyses normalisées utilisées pour les études

Plusieurs paramètres peuvent influencer l'abattement des paramètres bactériologiques. Ainsi, le temps de séjour des effluents, l’épaisseur des filtres utilisés, l’âge des filtres ou encore le volume et la surface des filtres et des cuves peuvent contribuer à faire varier « l'efficacité bactériologique » de ces filières. Cet article a pour objet de faire le point sur les résultats de ces travaux.

Abattements moyens

Les filières de Leipzig

Les eaux usées brutes d’alimentation des filières ont des concentrations dont la moyenne est donnée dans le tableau 5.

Tableau 5 : concentrations bactériologiques des eaux usées d’entrée de la plateforme de Leipzig

En sortie des filières (dans l'eau traitée), les concentrations moyennes en paramètres bactériologiques sont présentées dans le tableau 6. Elles ont été calculées comme la moyenne des valeurs trouvées sur trois jours consécutifs (1er, 2 et 3 décembre 2008).

Tableau 6 : concentrations moyennes de sortie des filières de Leipzig

À la désinfection avec les membranes ou le traitement UV. Selon les paramètres, ce sont les seuils ou bien les abattements qui sont donnés comme objectifs d’épuration. Voici les objectifs fixés par la Directive n° 2006/7/CE du 15/02/06 concernant la gestion de la qualité des eaux de baignade et abrogeant la directive 76/160/CEE (tableaux 7 et 8). Le graphe 1 présente les abattements constatés lors du protocole en conditions sollicitantes à Leipzig.

Deux filières se détachent des dix autres : il s'agit de la filière 16 (massif filtrant à sable à écoulement vertical suivi d’horizontal, planté de roseaux avec UV) et de la filière 18 (cultures libres et membranes). En effet, ces filières sont les seules à utiliser respectivement une unité de traitement UV et des membranes, systèmes qui sont couramment utilisés pour la désinfection de l'eau et la désactivation de microorganismes.

Tableau 7 : directive pour les eaux intérieures

Tableau 8 : directive pour les eaux côtières et les eaux de transition

En tout état de cause, on n’atteint pas des eaux, par exemple, de qualité baignade, mis à part pour les deux filières qui sont adaptées.

Tableau 10 : concentrations moyennes de sortie des filières de Nantes - Protocole en conditions sollicitantes®

Tableau 11 : moyenne des concentrations bactériologiques des eaux usées d’entrée de la plateforme de Nantes sur l’ensemble des phases

Tableau 9 : moyenne des concentrations bactériologiques des eaux usées d’entrée de la plateforme de Nantes lors du protocole en conditions sollicitantes®

L’ensemble des filières présentent des abattements inférieurs ou égaux à 2 unités log. Seule la filière 2 (filtre à sable à écoulement vertical suivi d’horizontal planté de roseaux) semble sur cette période posséder des abattements supérieurs aux autres puisque compris entre 3 et 4 log. À noter que cette filière est plus jeune que les autres ce qui, semble-t-il, a peut-être une incidence sur la performance de rétention des germes.

Tableau 12 : concentrations moyennes de sortie des filières de Nantes – Toutes phases

Les abattements associés à cette période sont de l’ordre de 5 à 7 unités log selon les paramètres. Peu de différences sont observées parmi les résultats sur les autres filières. Elles ont quasiment toutes des abattements inférieurs à 2 unités log.

Les filières de Nantes

Lors du protocole en conditions sollicitantes®

Les eaux usées brutes d’alimentation des filières ont des concentrations dont la moyenne lors des 40 premières semaines de test est donnée dans le tableau 9. Les concentrations moyennes en paramètres bactériologiques des eaux usées traitées par ces filières sur cette période sont présentées dans le tableau 10. Il s’agit d’analyses ponctuelles réalisées chaque mois durant toute la durée de l’étude.

Sur l’ensemble des phases

Les eaux usées brutes d’alimentation des filières ont des concentrations dont la moyenne sur toutes les phases étudiées est donnée dans le graphe 2.

donnée dans le tableau 11.

Les concentrations moyennes en paramètres bactériologiques des sorties des filières sur cette période sont présentées dans le tableau 12. Il s’agit d’analyses réalisées un jour chaque mois durant toute la durée de l'étude.

Les abattements constatés des paramètres microbiologiques sur les filières de Nantes sur toute l'étude sont présentés dans le graphe 3.

Les deux premières filières (à massif de sable) présentent des abattements compris entre 2 et 3 log pour l’ensemble des paramètres analysés. Ce sont les filières dites extensives. Toutes les autres filières présentent des abattements constatés encore plus faibles. Les différences entre tous ces résultats sont peu significatives. Les bons résultats de début de période pour le massif planté de roseaux ne semblent pas se poursuivre sur la durée. Il est probable que des massifs filtrants à sable jeunes présentent des performances à peine meilleures que d'autres filières, mais que le vieillissement de la filière diminue ces avantages initiaux.

En conclusion, nous pouvons affirmer qu'il n’y a pas de différences significatives pour l'ensemble des filières étudiées à Nantes ou à Leipzig sur l’abattement bactériologique des paramètres étudiés, à l’exception des filières qui utilisent des traitements spécifiques comme des UV ou des membranes, utilisés dans ce but, pour la désinfection des eaux usées.

Comparaison des périodes été et hiver (filières Nantes)

Dans l’objectif de voir si les températures influencent l’abattement bactériologique des paramètres étudiés sur les filières de Nantes, les résultats ont été regroupés par période : été (mai-octobre) et hiver (novembre-avril) dans le tableau 13.

Les différences ne sont pas significatives sur les eaux usées d’entrée quelle que soit la période.

Les graphes 4 à 7 présentent les moyennes des abattements bactériologiques calculés sur les périodes été et hiver.

Il est difficile avec ces résultats de conclure que les bactéries sont sensibles à la température et que la période où elle est plus élevée favoriserait l’abattement microbiologique. En effet, pour les E. Coli, les valeurs sont quasiment équivalentes pour toutes les filières, sauf pour les deux microstations où les abattements sont supérieurs en hiver (filières 7 et 8).

Pour les coliformes totaux, les valeurs des abattements sont globalement supérieures en été, sauf encore pour les deux microstations ; c’est encore plus marqué pour les entérocoques, où les différences commencent à être significatives.

En revanche, pour les salmonelles, ce sont les abattements en période hivernale qui sont le plus élevés, mais les écarts sont encore une fois peu significatifs.

Influence des caractéristiques des dispositifs

Plusieurs paramètres, propres aux dispositifs, peuvent avoir une influence sur l’abattement des paramètres microbiologiques. Ainsi, pour les massifs

filtrants, le volume, l’épaisseur et la surface du filtre sont à prendre en compte, alors que pour les autres filières (en milieu saturé), seul le volume peut être considéré. Les tableaux 14 et 15 présentent les caractéristiques des dispositifs étudiés.

Comparaison des filières : influence du volume

Tableau 14 : caractéristiques des massifs filtrants

Tableau 15 : caractéristiques des cultures libres ou fixées

Comme l’on peut le voir dans les tableaux, les filières possèdent des volumes totalement différents. Certaines ont recours à de grands volumes de filtration comme la filière 1 (filtre à sable) : 17,5 m³, alors que d’autres utilisent des cuves de moins de 1 m³ comme la filière 18 (culture libre à membranes) ou la filière 13 (massif à textile).

Nous avons volontairement enlevé pour l’ensemble des graphes qui suivent les filières 16 et 18 qui présentent de bons abattements bactériologiques car elles sont conçues pour, grâce aux UV ou aux membranes. Leur volume, surface ou épaisseur ne peuvent donc pas être pris en compte pour les comparer aux autres filières.

La filière 13 (massif filtrant textile) et la filière 8 (cultures fixées) présentent pour certains paramètres des abattements par unité de volume significativement supérieurs à ceux des autres filières ; ce sont deux filières dont les volumes sont proches de 1 m³, soit les plus faibles de l’étude.

Tous les autres dispositifs, même ceux dont le volume est également faible, présentent peu de différences significatives dans leur abattement par unité de volume.

Comparaison des massifs filtrants : influence des surfaces de filtration

Deux filières utilisent une surface importante : le filtre à sable vertical drainé (filière 1 : 2 m²) et le filtre planté de roseaux (filière 2 : 15 + 5 m²), alors que d’autres filières comme la filière 13 (filtre à massif de textile : 1,5 m²) utilisent des surfaces très faibles. La plupart des autres filières ont des surfaces de filtration équivalentes, de l’ordre de 4-6 m².

Le graphe 9 présente les abattements des E. coli, coliformes totaux, entérocoques et salmonelles des dix filières utilisant un massif filtrant par rapport à la surface de filtration utilisée. Les filières 16 et 18 ne sont pas représentées.

La seule filière à massif filtrant qui présente des abattements par unité de surface significativement supérieurs à ceux des autres filières est la filière 13 (textile) et c’est elle qui possède la surface de filtration la plus faible du groupe (1,5 m²).

Les deux filières extensives (filière 1 et 2 à sable et à sable planté de roseaux) sont celles logiquement qui présentent les abattements par unité de surface les plus faibles car leur surface est beaucoup plus élevée que toutes les autres. Il faut toutefois relativiser car toute la surface de filtration n’est pas opérationnelle en raison

de la médiocre répartition des eaux en surface de filtre.

Influence de l’épaisseur des filtres

Un autre paramètre important pour comparer les filières utilisant un massif filtrant est l’épaisseur du filtre. Car avec une épaisseur de filtration importante, l’eau passe beaucoup plus de temps sur le filtre et la rétention des bactéries devrait être plus optimale. Les épaisseurs des filtres testés sont du même ordre de grandeur, comprises entre 0,5 et 1 m.

Aucune filière ne présente un abattement par mètre d’épaisseur de massif filtrant significativement supérieur aux autres. Les massifs varient de 0,5 à 1 m d’épaisseur, ce qui, sans doute, ne représente pas un panel suffisamment varié. La filière 2 est la filière dont l’épaisseur est la plus forte (1,05 m) et la filière 6 celle dont l’épaisseur est la plus faible (0,5 m). Si l’on classe les filières par épaisseur de filtration croissante, on obtient le graphe 11.

Sur le graphe 11, on peut constater que la filière la plus épaisse présente les abattements les plus forts et la filière la moins épaisse les abattements les plus faibles. Pour toutes les autres, les écarts ne sont pas significativement différents.

Tableau 16 : temps de séjour de l’effluent dans les dispositifs

Influence du temps de séjour

Le temps de séjour joue un rôle important, car plus l’effluent reste longtemps sur le filtre ou dans la cuve de traitement, plus il sera traité et plus les paramètres microbiologiques seront éliminés. Les temps de séjour des effluents dans les filières sont donnés dans le tableau 16.

Le graphe 12 présente l’abattement des paramètres microbiologiques des filières par rapport au temps de séjour des effluents.

dans les dispositifs. Les filières 16 et 18 ont été là aussi retirées.

La seule filière qui présente des abattements bactériologiques significativement supérieurs à ceux des autres filières est la filière 19 (cultures libres SBR) ; elle fait partie des filières qui présentent des temps de séjour très faibles de l’ordre de deux jours. Les autres filières semblent être groupées autour de valeurs non significativement différentes.

Nous avons classé les filières selon les temps de séjour croissant pour voir d'une autre façon l’influence du temps de séjour. Le graphe 13 présente ces résultats. Contrairement aux idées reçues sur le sujet, le temps de séjour n’est pas un paramètre qui influence les abattements bactériologiques. En effet, les temps de séjour des filières s’échelonnent de 2 à 26 jours et pourtant les abattements des filières à forts temps de séjour ne sont pas systématiquement significativement plus élevés.

Comparaison de ces résultats en plateforme avec des filtres à sable in situ

Des campagnes de prélèvement ont été réalisées sur une vingtaine de filtres à sable en fonctionnement réel chez des particuliers, en pratiquant des analyses bactériologiques sur les E. Coli, les coliformes totaux et les entérocoques. L’intérêt est de comparer ces résultats avec ceux obtenus sur le filtre à sable testé à Nantes. Les filtres à sable sur lesquels les prélèvements ont été effectués sont listés dans le tableau 17.

Pour chaque filtre, les charges organiques (60 g de DBO₅ par habitant et par jour) et les débits hydrauliques (150 L/j/hab) reçus par les filtres ont été calculés. Pour calculer les abattements, les résultats microbiologiques de l'eau brute de Nantes ont été utilisés, faute de mesure des paramètres microbiologiques des eaux brutes pour chaque site.

Le graphe 14 présente les abattements de ces filtres à sable, en logarithme.

Une première remarque concernant la variabilité des résultats peut être faite. Les abattements, pour des filières possédant les mêmes caractéristiques, sont inégaux et s’échelonnent entre 2 et 7,2 unités log. La filière filtre à sable de Nantes ne se situe pas très bien dans cette comparaison, car ses abattements sont inférieurs à quasiment tous ceux des autres filtres à sable. Certains filtres à sable possèdent des abattements supérieurs à 5 log pour tous les paramètres, il s’agit des filtres K, N et T. Ils reçoivent respectivement les charges de 4, 2 et 4 habitants, et sont vieux de 2 ans et demi, 3 ans et 5 ans. Le filtre K mesure 25 m³, les deux autres 30 m³ ; ils sont donc très surdimensionnés.

Le filtre à sable de Nantes ne se situe pas très bien ici, mais c’est le seul filtre, avec le filtre O, qui reçoit une pollution équivalente à 5 équivalent-habitant. Toutes les autres filières reçoivent seulement une pollution équivalente à 2, 3 ou 4 EH. De plus, beaucoup de ces filtres ont moins d'un an d’âge. Cependant, lorsque l’on essaie de voir le lien entre l’âge des filtres et le bon comportement de ceux-ci, aucune corrélation ne peut être avancée. Comme le montre le graphe 15, aucun lien n'est observé entre l'abattement et l’âge du filtre.

Tableau 17 : caractéristiques des filtres à sable étudiés

Peu importe l’âge du filtre (dans une période de 8 ans), l’abattement ne variera pas linéairement avec l’âge du filtre à sable.

Dans le but de comparer ces filtres en tenant compte de la charge organique qu’ils reçoivent, les ratios abattements par charge organique reçue ont été calculés et les résultats sont présentés sous la forme d’histogramme dans le graphe 16.

À première vue, il semble globalement que les abattements bactériologiques sont de moins en moins élevés lorsque la charge appliquée augmente.

Il apparaît trois groupes de filtres : ceux qui reçoivent entre 60 et 120 g DBO₅/j, ceux qui reçoivent entre 180 et 240 g/j et ceux qui reçoivent 300 g DBO₅/j. Les écarts ne sont pas très significatifs mais l’allure du graphe montre cette constatation. L’âge du filtre, en revanche, ne paraît pas être un paramètre influant l’abattement bactériologique. La taille des filtres à sable (comprise entre 25 et 36 m² selon les filtres) n’est pas non plus un paramètre significatif.

Abattements bactériologiques des filtres à sable in situ en fonction de la charge organique appliquée.

Conclusion

Les filières étudiées dans le cadre de nos tests en plateforme ne sont pas destinées à traiter les paramètres bactériologiques des eaux usées qui les alimentent. Seules deux filières, comprenant pour l’une des membranes et pour l’autre un système de désinfection UV, présentent des abattements de l’ordre de 5 à 7 log. Toutes les autres filières ont des abattements inférieurs ou égaux à 2 log.

L’ensemble des résultats présentés dans cet article va à l’encontre d’un certain nombre d’idées reçues :

• • le volume, la surface ou l’épaisseur des massifs filtrants n’influencent que très peu les abattements bactériologiques ;
• • le temps de séjour n’est pas non plus un paramètre d’influence significatif : malgré des temps de séjour très variables, les différences obtenues sont faibles ;
• • la température des effluents n’est pas un paramètre significatif, puisqu’il y a peu de différences entre les abattements mesurés en hiver et en été, les conclusions étant parfois même inverses à ce que l’on pouvait attendre (meilleurs abattements en période estivale).

Notre étude des filtres à sable in situ montre que l’abattement des paramètres bactériologiques est très variable d’un filtre à l’autre puisqu’il s’échelonne entre 2 et 7 unités log. Les abattements ne sont pas liés à l’âge des filtres, compris entre quelques mois et huit ans.

sont tous sur-dimensionnés et ne reçoivent donc pas la charge pour laquelle ils ont été dimensionnés.

La taille n’a pas d’influence sur les abattements bactériologiques, seule la charge reçue est corrélée à l’abattement bactériologique : plus la charge reçue est importante plus l’abattement est faible, mais les écarts ne sont pas toujours très significatifs.

Mais si aucune corrélation vis-à-vis de l’âge n’a été observée avec ces filtres in situ car il y a trop de paramètres inconnus, dans ces cas, il n’en reste pas moins que, à alimentation équivalente, des filtres jeunes semblent bien retenir les germes, cette performance s’estompant avec le temps.

Il faut donc être prudent sur des performances mesurées en laboratoire au cours d’essais sur colonnes, sur de courtes périodes, car les tendances ainsi observées ne paraissent pas reproduites lors d’une vraie vie de filtre à sable.

Enfin, il n’est pas possible de passer sous silence les différences importantes entre les eaux usées issues de réseaux d’assainissement unitaires qui alimentent en eaux usées les plateformes européennes de tests et les vraies eaux usées issues de maisons individuelles dont les caractéristiques sont très différentes tant pour les concentrations physico-chimiques que pour les dilutions sur les concentrations bactériologiques.

Des suivis bactériologiques in situ de dispositifs sur des périodes longues sont à envisager dans le cadre d'une lutte efficace contre le danger sanitaire qui reste une réalité mal prise en compte en 2011.