Pluviatech : des techniques nouvelles de traitement et de résorption des eaux pluviales

L’objectif fixé par la mairie de Toulouse est des plus clairs. Les zones à équiper en cette fin du vingtième siècle étant sur le territoire de la commune, très éloignées des exutoires naturels constitués par la Garonne et les rivières Touch et Hers, le calcul des ouvrages pluviaux à installer conduirait, par application de la circulaire de juin 1977, à des canalisations de très gros diamètre représentant des investissements de l’ordre de 400 millions de francs pour accéder aux besoins de la population.

Réduire ces dépenses, en imaginant de diminuer les dimensions des collecteurs par des techniques de réinjection dans la nappe phréatique après dépollution in situ des effluents ruisselés n’apparaît pas aujourd’hui comme une solution totalement chimérique, et si la faisabilité technique commence à voir le jour, nul n’a besoin que lui soit précisée la taille de l’enjeu économique.

Dans cette opération, le programme Pluviatech assure le débroussaillage des pistes possibles ; certes, quelques lecteurs avertis contesteront l’usage d’effluents reconstitués qui ne réalisent jamais une image fidèle, l’assainissement, tant en eaux usées qu’en eaux pluviales, se révélant un domaine où la reproductivité des phénomènes est aléatoire et où les systèmes mis en place valent aussi par leur aptitude à faire face à des problèmes impromptus. D’aucuns, également, regretteront qu’il ne s’agisse que de pistes et que les expérimentations sur site restent à mettre en œuvre ; tout ceci est bien le reflet de la réalité, mais dans un secteur où les besoins sont aujourd’hui énormes, dans un milieu pour lequel il convient d’apporter des solutions, il faut gommer toutes ces imperfections pour ne retenir que l’essentiel : l’assainissement pluvial est en pleine remise en question : avant-hier, seuls les débits comptaient, hier la sacro-sainte notion d’orage décennal était battue en brèche, aujourd’hui il s’agit de s’attaquer au problème de la pollution de ces eaux de ruissellement, que l’on a voulu ignorer jusqu’à ce jour par manque de moyens, et ainsi la voie nouvelle de la saine cohabitation égout pluvial — nappe phréatique — rivière pourra être ouverte.

Au sein de Pegase, Pluviatech est l’émergence d’une nouvelle forme de pensée dans l’assainissement pluvial ; d’autres réalisations, d’autres résultats vont suivre à bref délai : une ère nouvelle pour notre environnement se met harmonieusement en place, et cela est important pour la vie...

Christian Vignolles Ingénieur en chef du Service Assainissement de la Mairie de Toulouse

Confrontées aux problèmes d’évacuation et de traitement des eaux pluviales contaminées, les grandes agglomérations sont à la recherche de solutions alternatives au « tout réseau ». Cette démarche se justifie sur les plans économique, technique et écologique.

S’inspirant de technologies nouvelles récemment développées, la Ville de Toulouse a décidé de lancer, en novembre 1987, une opération de recherche et développement dénommée « Pluviatech », avec, pour objectif, de privilégier « l’assainissement autonome pluvial », au-delà de la simple recherche d’une régulation hydraulique.

Nous avons mené les études expérimentales avec la participation financière du Plan Urbain et d’un groupement d’industriels spécialisés dans le domaine de l’assainissement : les sociétés Eternit, Flygt et Sommer.

Le présent article fait le point sur les principaux résultats obtenus à l’issue d’une année de recherches.

Origines et caractéristiques principales de la pollution pluviale

La nature de la pollution véhiculée par les eaux pluviales dépend de son origine, du type d’urbanisation, du relief, du climat, etc. (tableaux I, II et III)

• — les apports routiers (par usure de matériaux de chaussée et des pneumatiques) atteignent 5 à 20 kg par jour et par km ;
• — la fraction d’origine éolienne représen

représenterait 1/20 à 2/3 de la charge totale suivant les paramètres mesurés ;

• présentes en proportion importante, les matières organiques proviennent de déchets (papiers, mégots, pollution canine, etc.) et de raccordements parasites d’eaux usées ;
• les hydrocarbures et métaux lourds qui sont détectés dans la quasi-totalité des eaux pluviales, leur origine étant principalement liée au trafic routier et à la pollution atmosphérique ;
• la contamination bactérienne ou virale est fixée sur les matières en suspension, dont diverses études ont montré l’importance.

Tableau I

Tableau établi d’après les relevés du rapport « Étude de la pollution du réseau Eaux pluviales (Seine-St-Denis – DDE – 1972) ».

Tableau II : Charge journalière moyenne de pollution à la suite d’une période de 20 jours sans ruissellement (Fillaudeau – AFBSN 1980).

Charge journalière de pollution/ha

Tableau III : Concentrations lors de ruissellements sur chaussées de l’autoroute A4 (LCPC 1985).

Aspect hydraulique du ruissellement urbain

Les régimes d’écoulement pluviaux dépendent des volumes d’eau précipités, de la surface des bassins versants et d'un coefficient d’imperméabilisation lié à la nature du sol et à l’urbanisation. La connaissance de ces différents paramètres est indispensable pour faciliter le choix et l'établissement de bases de dimensionnement des ouvrages de traitement et de résorption.

Pour limiter le ruissellement, la conservation des espaces verts ou la mise en place de structures-tampons sont nécessaires. Rappelons que lors d’un orage décennal les débits d'eau à évacuer peuvent atteindre 0,04 à 0,5 m³ pour un hectare et que les volumes annuels des eaux de ruissellement représentent, suivant le type d’urbanisation, 30 à 80 % des volumes d’eaux usées évacués (tableau III et figure 4).

Recherche de solutions alternatives pour le traitement des eaux pluviales

La diminution à la source des apports polluants et des charges hydrauliques est fréquemment mise en œuvre (notamment grâce au nettoyage des chaussées, à la lutte contre l’érosion, à l'installation de chaussées poreuses, etc.) et les dispositifs issus de techniques classiques, déjà utilisés en traitement des eaux usées, ou ceux développés spécifiquement pour les eaux pluviales, se généralisent. Ces procédés assurent la rétention de matières facilement piégeables (dessablage, tamisage, déshuilage) ou permettent d’abattre de façon importante les différentes formes de pollution associée aux fractions fines des MES. Afin de pouvoir développer

des techniques alternatives faisant appel à des matrices filtrantes, nous avons réalisé différents bancs d’essais pour y vérifier l'efficacité des fonctions élémentaires telles que la décantation et la filtration sur matières granulaires ou fibreuses sur les principaux polluants rencontrés dans les eaux pluviales.

Les caractéristiques des eaux pluviales sont extrêmement variables ; aussi, pour s’affranchir au mieux de cette contrainte, les essais sont-ils réalisés à partir d’effluents en partie artificiels définis avec la collaboration des services techniques de la ville de Nantes.

À cet effet, deux types d’échantillons sont sélectionnés :

• — une série d’échantillons liquides provenant du lavage d'une zone de parking (site de Talensac) situé à proximité d'un marché ; la superficie nettoyée est voisine de 3300 m², et la pente assure une évacuation rapide des 5 m³ d'eau utilisées. Le rythme de nettoyage (6 jours sur 7) permet un approvisionnement régulier en effluent frais. Les volumes prélevés sont de l’ordre de 150 l. Les concentrations de cet effluent se rapprochent de celles d'un effluent domestique (tableau IV). Les concentrations en métaux lourds atteignent 3,3 mg/l pour le plomb, 2,8 mg/l pour le zinc, soit respectivement 1,6 et 1,4 g/kg MES, et 16 mg/l pour les hydrocarbures. La corrélation entre les teneurs en métaux lourds et les MES est significative : (r = 0,97) ;
• — des échantillons solides réalisés à partir de matières prélevées par les véhicules chargés du nettoyage urbain (E1 à E4). Les caractéristiques granulométriques de la fraction inférieure à 12 mm sont précisées sur la figure 2.

La fraction comprise entre 25 et 0,315 mm représente 80 à 90 % du total ; ces matières sont facilement piégeables par décantation ou filtration. La fraction inférieure à 160 μm est contaminée par les métaux lourds et la matière organique (tableau V).

Approche expérimentaleà échelle réduite

Les différents prototypes réalisés permettent de vérifier le pouvoir de coupure de techniques séparatives vis-à-vis d'effluents pluviaux artificiels dont les caractéristiques se rapprochent d’échantillons réels. Il s'agit avant tout d'observer le comportement de différents types de MES, notamment les fines et les hydrocarbures associés.

Caractérisation d’un effluent pluvialsur colonne de décantation

Le dispositif expérimental comprend :

• — une colonne de décantation transparente de diamètre 120 mm et de hauteur 1,5 m,
• — un collecteur de fraction à barillet, chaque réservoir ayant une capacité utile de 90 ml,
• — un dispositif d’injection et de répartition des MES.

L'appareil permet de mesurer les vitesses de décantation et de récupérer différentes fractions granulométriques pour l’établissement éventuel d'un pollutogramme.

Une première série d’essais est réalisée à partir de l’échantillon E1 sur la fraction inférieure à 0,160 mm ; l'injection de 8,5 g de MES est suivie de six prélèvements successifs espacés de 100 secondes.

Les résultats obtenus mettent en évidence :

• — une vitesse de décantation supérieure à 27 m/h pour 49 à 54 % des MES,
• — une vitesse de décantation supérieure à 9 m/h pour 76 à 87 % des MES.

Une seconde série d'essais est réalisée avec l'effluent de Talensac après homogénéisation de l'effluent dans la colonne. Des prélèvements sont effectués après 5, 10 et 20 minutes de décantation. Les résultats obtenus montrent qu'une simple décantation permet d’éliminer après 20 minutes 90 % de la DCO et des MES ainsi que les trois quarts des métaux lourds (Pb-Zn).

Piégeage des matièresen suspensionsur « digue » filtrante

Le dispositif expérimental comprend une cuve parallélépipédique (125 l), un massif de sable filtrant incliné (0,25 m²) et un équipement de vidange à niveau réglable. L’appareil permet de piéger les MES contenues dans les eaux pluviales par décantation et filtration à l'interface sable/effluent.

Le gradient hydraulique appliqué au dispositif varie entre 5 et 20 cm et permet d’assurer un débit de 0,3 à 1,2 m³/h. Les essais sont effectués avec des MES de taille inférieure à 0,160 mm puis avec l'effluent prélevé place de Talensac (120 l). Une scarification de la surface filtrante s'avère nécessaire entre chaque injection pour maintenir les débits.

Les performances épuratoires sont élevées pour les MES, la DCO, les métaux lourds et hydrocarbures, mais restent faibles en ce qui concerne la pollution bactérienne.

Tableau IV : Degré de contamination d’un effluent pluvial artificiel (7 échantillons).

Tableau V : Degré de contamination des MES sèches issues du nettoyage urbain de Nantes.

Caractéristiques de la fraction < 0,16 mm

Infiltration-percolationsous chaussée poreuse

Le dispositif expérimental comprend deux colonnes ; les couches successives de matériaux sont les suivantes (figure 3) :

• — gravillons sur 20 cm,
• — géogrille,
• — structure de réservoir en Nidaplast* sur 45 cm,
• — aquatextile aiguilleté Sommer,
• — sable de Loire au fond de la première colonne et sable de fonderie (perméabilité réduite) au fond de la seconde colonne.

Soumis à une alimentation en eau claire et pour un gradient hydraulique de 22 cm dans le Nidaplast, les sables sous-jacents acceptent des débits de 1,9 et 0,9 m³/m²/h.

Une première série d’essais est réalisée sur des échantillons reconstitués à partir de prélèvements « à sec ». Le débit de résorption est diminué par les fines accumulées sous le Nidaplast (1,24 et 0,64 m³/m²/h) mais les différentes fonctions recherchées sont conservées : stockage de l’eau (dans la structure réservoir), rétention des matières (sous le Nidaplast), résorption lente et épuration de l’effluent stocké.

Une seconde série d’essais effectués avec effluent de Talensac montre des rendements d’épuration excellents pour l’ensemble des paramètres contrôlés.

Récemment appliquée comme structure tampon d’infiltration-percolation, cette technique alternative offre des perspectives d’utilisation prometteuses pour la rétention et le traitement des eaux pluviales.

gravier

structure réservoir

Piégeage des hydrocarbures et des métaux lourds sur cartouches filtrantes aquatextiles

Les dispositifs expérimentaux comprennent deux cuves parallélépipédiques en série équipées chacune de deux cartouches siphonoïdes. La matrice filtrante est constituée d’aquatextiles de polypropylène ou de laine (Flocons MILCAP). Les temps de séjour appliqués au dispositif sont faibles : 3 minutes. Les essais réalisés à l’aide de l’effluent artificiel montrent de bonnes propriétés d’adsorption du polypropylène pour les hydrocarbures et de faibles résultats pour la laine (incidence du caractère oléophile) : tableau VI.

Sédimentation par ruissellement sur matière filtrante aquatextile

Les premières techniques séparatives étudiées trouvent rapidement leurs limites au niveau des temps de séjour nécessaires, notamment pour les particules les plus fines très contaminées. La démarche proposée consiste à favoriser la sédimentation et le piégeage à grande vitesse. Le dispositif expérimental comprend les éléments principaux suivants (figure 4) :

• — une zone de distribution de l’eau et des MES,
• — un plan incliné divisé en quatre zones et constitué d’un aiguilleté reposant sur une géogrille.

Un échantillon artificiel de matières en suspension est élaboré à partir de 500 g de résidus de nettoyage de chaussée. La répartition granulométrique et la composition de l’ensemble est la suivante :

Total : 500 g

dont : Zn : 312 mg, Pb : 1 210 mg, matières organiques 6,2 %.

La charge hydraulique appliquée de 1 l/s correspond à un temps de séjour dans le dispositif de moins d’une minute. L’échantillon dilué préalablement est injecté en amont du dispositif de façon quasi instantanée. Les matières sont prélevées :

• — en aval à intervalles de 5 s,
• — sur l’aiguilleté après séchage,
• — sous l’aiguilleté, dans la géogrille, après séchage.

Deux essais sont réalisés à l’aide d’aiguilletés différant par l’épaisseur et la densité de leur texture.

La pointe de pollution non retenue par le dispositif apparaît entre 5 et 10 s après injection mais ne représente que 3 % des métaux lourds présents initialement et 5 à 6 % de la fraction inférieure à 0,160 mm (les matières non retenues étant toutes comprises dans cette fraction). La proportion des matières piégées dans l’aiguilleté représente 77 % du total récupéré, 23 % ayant migré dans la géogrille (zone de stockage).

L’utilisation d’un textile encore plus lâche devrait permettre de faciliter le transfert vers la zone de stockage et d’augmenter ainsi la durée de vie efficace de la matrice.

Les expérimentations menées sur bancs d’essais de faibles dimensions et à partir d’effluents artificiels montrent la possibilité de piéger une forte proportion de la pollution pluviale avec différentes techniques séparatives :

• — la décantation permet d’obtenir de bonnes performances pour un temps de séjour de 10 minutes,

*/il s’agit de structures en nid d’abeille, en polypropylène.

• les techniques de filtration sur sable sont très efficaces mais susceptibles de colmatage à plus ou moins long terme, la durabilité n’étant pas étudiée dans cette première approche,
• l'utilisation d'aquatextile permet d’obtenir des taux de capture importants et pour des temps de séjour très courts.

Les performances des dispositifs essayés sont récapitulées dans le tableau VI.

Définition des projets expérimentaux pour la Ville de Toulouse : opération Pluviatech 1989

Les services techniques de la ville de Toulouse ont choisi trois sites pour la mise en place de prototypes de traitement et de résorption des eaux pluviales :

• Ramelet Moundi : les équipements traditionnels (avaloirs et canalisation de diamètre 800 mm) n'y permettent pas l'évacuation totale des eaux de ruissellement en cas d’orage. Des puits d’infiltration sont proposés pour stocker et résorber les eaux en excès par infiltration ;
• Impasse Bénézé : ce quartier subissait régulièrement des inondations ; l'installation récente des deux avaloirs et d'un puits a résolu le problème mais le site reste cependant intéressant pour contrôler l'efficacité de nouvelles techniques ;
• Château de Chantelle : les services techniques envisagent la création de parking et une voie rapide longe les terrains de Ginestou. Les conditions sont favorables à la mise en place de techniques expérimentales pour le traitement d'effluents riches en hydrocarbures et métaux lourds.

Ramelet Moundi

Le dispositif proposé correspond à un puisard dont les fonctions sont l’épuration avant résorption, l’infiltration, le stockage et éventuellement le by-pass en cas de forte pluie (figure 5).

Les différents composants comportent notamment :

• un regard en amiante-ciment Eternit à fond filtrant alimenté par un avaloir à grille,
• une surverse protégée par une crépine avec trop-plein pour les orages exceptionnels,
• un réservoir latéral sous trottoir associant le Nidaplast et un géotextile de distribution (Sommer),
• un filtre comprenant une couche active éventuellement renouvelable et une couche de sable protégée par une grille.

Tableau VI : Performances obtenues sur différents bancs à partir d'échantillons artificiels.

Élimination %

* relargage de polypropylène

Impasse Bénézé

La filière de traitement associe un filtre à sable horizontal à un puits d’infiltration sans by-pass (figure 6). Chaque module élémentaire comprend un piège à MES, un filtre à sable horizontal surmonté de dalles poreuses et une bande latérale gravillonnée.

En fonction de l'intensité des pluies, un ou plusieurs modules sont sollicités, le puits n’étant actif qu’en période d'orage.

Château de Chantelle

Le premier dispositif (figure 7) est composé d'un équipement de prétraitement rassemblant la fonction de dessablage-déshuilage et d'un équipement de résorption associant le Nidaplast et un aquatextile Sommer à forte transmissivité. Le réservoir-tampon est surmonté de dalles filtrantes.

Le second dispositif associe un équipement de prétraitement (dessablage-déshuilage) à une matrice composite aquatextile Sommer piégeant par sédimentation les fines. La rétention des hydrocarbures est complétée par une cartouche filtrante supplémentaire.

Contrôle des installations-pilotes

Un programme de vérification de l'efficacité des filières de traitement, élaboré par le CSTB en collaboration avec les …

Services techniques de la ville de Toulouse et les partenaires industriels, prévoit :

• — la vérification du comportement hydraulique des ouvrages soumis à des pluies artificielles,
• — l'évolution des performances en fonction du temps,
• — l'analyse des contraintes d'exploitation,
• — la définition de composants industrialisables,
• — une approche économique.

Conclusion

Les eaux pluviales, plus ou moins contaminées par les matières organiques, les hydrocarbures et les métaux lourds constituent une menace pour la plupart des milieux récepteurs. Sur le plan de l'hydraulique, l'évacuation par réseaux d’assainissement n’est plus la seule solution.

Des études récentes mettent en évidence l’intérêt de solutions techniques décentralisées. Les recherches que nous avons menées à la demande de la ville de Toulouse et d’industriels s’inscrivent dans cette optique afin de répondre aux besoins exprimés par de grandes collectivités.

Le contrôle de la traitabilité des matières en suspension sur bancs d’essais, et l'utilisation d’effluents pluviaux élaborés à partir de prélèvements in situ montrent les possibilités de retenir toute forme de pollution en faisant appel à des solutions simples et pour de faibles temps de séjour.

Les filières mises au point dans le cadre de cette recherche seront expérimentées en conditions réelles sur les trois sites toulousains précités afin d’en vérifier l'efficacité.