Réflexions sur l'introduction d'eaux parasites dans les réseaux d'eau et ses conséquences sur l'épuration

Le fascicule n° 70 « Canalisations d’assainissement et ouvrages annexes » (décret du 2 octobre 1978, n° 78-1078) du Cahier des Clauses techniques générales applicables aux marchés de Travaux publics passés au nom de l’État, impose, pour la construction des réseaux d’égouts, un certain nombre de prescriptions qui devraient notamment garantir une parfaite étanchéité des réseaux neufs ; malheureusement les réalisations ne sont pas toujours satisfaisantes. Les égouts anciens sont rarement en bon état et exceptionnellement étanches. Dans beaucoup de régions (hormis les grandes villes) les réseaux unitaires sont constitués par des canalisations qui servaient à l’origine à l’écoulement des eaux pluviales, voire au drainage de sources. Le fonctionnement de déversoirs d’orage installés sur ces réseaux a pour effet (comme le manque d’étanchéité des réseaux d’eaux usées) de favoriser le déversement de germes pathogènes dans le milieu naturel et de polluer les eaux souterraines, en composés azotés notamment. Il est fréquent que des erreurs de branchement aient pour effet le déversement d’eaux pluviales dans un collecteur d’eaux usées et, inversement, il n’est pas rare que des eaux usées soient introduites de la sorte dans un réseau pluvial.

Les conditions d’un bon fonctionnement des ouvrages d’assainissement sont, comme nous pouvons le constater, rarement remplies, et les réseaux d’eaux usées acheminent souvent des « eaux parasites » vers les stations d’épuration qui leur servent d’exutoires. Cette situation est très lourde de conséquences au plan financier (ce n’est pas notre propos, mais il faut le souligner). Elle est aussi parfois cause de mécontentement de la population qui ne trouve pas toujours dans la qualité du service public de l’assainissement la satisfaction qu’elle est en droit d’attendre.

C’est dire par conséquent l’importance de l’action à entreprendre pour obtenir l’étanchéité des réseaux et, notamment pour les ouvrages neufs, la rigueur avec laquelle doivent être faites les épreuves d’étanchéité lors des réceptions de travaux.

Qu’appelle-t-on les eaux parasites ?

On distingue deux grands types d’eaux parasites dans les réseaux d’eaux usées :

1 — Les eaux toxiques

Celles-ci résultent de rejets non conformes à la réglementation, principalement d’origine industrielle, dans les réseaux. Ces eaux toxiques ont évidemment des effets très néfastes sur les ouvrages (corrosion chimique) et sur l’épuration (destruction ou inhibition de la flore bactérienne).

2 — Les eaux claires

Elles ont deux origines : d’une part des introductions d’eaux de la nappe phréatique du fait de la mauvaise étanchéité, et d’autre part des introductions d’eaux pluviales du fait d’erreurs de branchements.

Dans la suite de notre exposé, nous nous intéresserons uniquement à l’introduction des eaux claires, ainsi désignées par opposition aux eaux usées et à ses conséquences sur l’épuration, dans les réseaux d’eaux usées. Nous examinerons successivement :

• — les conséquences pour l’épuration des eaux usées de l’arrivée des eaux parasites ;
• — le diagnostic des arrivées d’eaux parasites ;
• — les procédés actuels de réhabilitation des conduites.

LES CONSÉQUENCES SUR L’ÉPURATION DES EAUX USÉES DE L’ARRIVÉE DES EAUX PARASITES

L’arrivée d’eaux claires dans une station d’épuration peut avoir pour conséquences :

• - une surcharge hydraulique de la station dont le dimensionnement des ouvrages a été calculé en tenant compte uniquement du débit correspondant aux eaux usées.

  Cette surcharge hydraulique se traduit par une augmentation de la vitesse de passage des effluents dans les ouvrages de prétraitement : dessablage-déshuilage notamment, puis dans les décanteurs primaires et secondaires. Une mauvaise décantation primaire entraînera une surcharge pour le traitement biologique. Une mauvaise décantation secondaire ne permettra pas de clarifier correctement les eaux épurées et l'on constatera un entraînement des boues activées dans le milieu naturel.

  Par ailleurs, au niveau de l’étage biologique, la diminution du temps de contact des effluents à traiter et de la biomasse amènera l’abaissement du rendement épuratoire.

• - la dilution des effluents

  La dilution trop importante des effluents entraînera le ralentissement du taux de croissance de la biomasse et, par voie de conséquence, l’efficacité du processus biologique.

• - une consommation inutile d’énergie, principalement dans les installations de relevage et de recirculation des boues.

Par ailleurs, il y a lieu de noter que la remise en ordre du processus biologique d’une station d’épuration demande un temps plus ou moins long. Il n’est pas rare de constater, par exemple à la suite d'un orage, un lessivage de la station d’épuration avec abaissement très important du taux de boues activées (qui peut tomber à quelques pour-cents) ; il faudra plusieurs semaines avant de reconstituer une biomasse suffisante pour assurer correctement l’épuration.

Rappelons pour mémoire que ces eaux parasites peuvent être aussi la cause de perturbations dans le fonctionnement des réseaux : mise en charge, inondations de caves, ensablement ou envasement, etc.

LE DIAGNOSTIC DES ARRIVÉES D’EAUX PARASITES

Un bon diagnostic s’effectuera en deux phases : l’une d’évaluation globale, et l’autre de localisation.

Première phase dite d’évaluation globale

Cette phase nécessite plusieurs opérations qui sont les suivantes :

Appréciation du volume et de la nature des eaux parasites arrivant à la station d’épuration

Pour cela on est amené à effectuer des observations en continu, lesquelles portent en général sur les débits, la concentration des effluents et la pluviométrie. Elles doivent être conduites sur des périodes plus ou moins longues et à différentes époques de l’année. D’une façon pratique, on enregistre l’évolution des débits arrivant à la station d’épuration sur un hydrogramme qui permettra de tirer plusieurs renseignements quant à l’importance et à la nature des eaux parasites :

a) en comparant par temps de pluie l’hydrogramme obtenu au hyétogramme (enregistrement des précipitations) de la même période, il est possible de juger de l’importance et de la nature des eaux parasites liées à l’introduction d’eaux pluviales dans le réseau d’eaux usées. En effet, les temps de réponse seront différents en fonction de la nature des sources d’apport (ruissellement sur les surfaces imperméabilisées, fossés, sources).

b) l’hydrogramme obtenu pour la tranche nocturne horaire, de minuit à 5 heures du matin à différentes périodes de l’année, permet de juger de l’importance et de la nature des eaux claires provenant de la nappe phréatique (eaux d’infiltrations, drains, sources).

Un recensement des différents éléments relatifs au réseau :

• — plans des réseaux avec si possible les profils en long des réseaux primaires,
• — plans et ouvrages spéciaux tels que déversoirs d’orages, regards mixtes,
• — éléments relatifs à l’histoire du réseau (par exemple, un réseau unitaire devenu séparatif),
• — le taux de raccordement des immeubles,
• — le relevé des consommations d’eau.

Des visites sur le terrain

Ces visites sont très importantes ; elles permettent d’avoir une idée du fonctionnement du réseau en période de pluie, et de recenser les anomalies visibles telles que les regards non étanches, les déversoirs d’orages mal réglés ou ensablés, le raccordement de fosses, de lavoirs, de fontaines, etc.

Deuxième phase dite de localisation des introductions d’eaux parasites

Connaissant le volume global des eaux parasites arrivant à la station d’épuration, et la part relative d’eaux claires d’origine pluviale ou provenant de la nappe phréatique, il y a lieu d’orienter les recherches de localisation des désordres sur le réseau.

Notons tout d’abord que sur des réseaux importants il y a intérêt à découper le secteur desservi par le réseau en bassins versants homogènes et à compléter les observations faites précédemment par des observations similaires au point de sortie aval de chaque

bassin versant. Ces observations sont en général particulièrement intéressantes au niveau des postes de relèvement existants sur le réseau et sur lesquels on peut avoir facilement des renseignements quant au temps de marche des pompes.

Les méthodes d'investigation sur le réseau seront différentes selon que l'on s'intéresse aux eaux souterraines ou aux eaux pluviales.

Localisation des arrivées d'eaux souterraines

Il s'agit tout d'abord de procéder à des observations visuelles en période de hautes eaux de la nappe phréatique pour déterminer les tronçons critiques. Ces observations peuvent être éventuellement complétées par des mesures de température ou de conductivité à l'aide de sondes que l'on déplace à l'intérieur du tronçon du réseau étudié.

Les tronçons critiques font ensuite l'objet d'une inspection télévisée permettant de localiser avec précision les points d'infiltrations dans le réseau ; cette inspection peut être complétée par un test à l'air de l'étanchéité de chaque joint sur le tronçon inspecté.

L'inspection par caméra de télévision des réseaux non visitables devient une pratique répandue. Elle permet de déceler de façon précise tous les défauts tels que : cassures ou fissures des tuyaux, joints déboîtés ou joints décalés, contrepentes, obstacles ou éléments étrangers — telles que des racines — dans la canalisation. Les inspections sont faites à l'aide d'un fourgon-laboratoire équipé d'une caméra étanche disposant de son éclairage propre et montée sur un chariot automoteur permettant son déplacement dans la canalisation. La caméra est reliée par un câble multiconducteur à un ensemble de contrôle, et l'opérateur peut suivre de l'intérieur du fourgon le déroulement des images sur un écran vidéo tout en assurant la télécommande du chariot. Un dispositif photographique permet de fixer les images des anomalies constatées sur l'écran après identification de la prise de vue grâce à l'inscription, à l'aide d'un générateur de caractères, d'un texte en superposition sur l'image. Le déroulement de l'inspection peut également être enregistré sur cassettes.

Le coût de l'ensemble du matériel varie actuellement entre 400 000 et 600 000 F et la mise en œuvre nécessite une équipe de deux agents dont un technicien expérimenté. De ce fait, un grand nombre de collectivités préfèrent s'adresser à des sociétés spécialisées pour effectuer ces inspections.

Le test à l'air des joints est un complément indispensable à l'inspection télévisée pour contrôler leur bonne étanchéité. En effet, lorsque la nappe phréatique est plus basse que la canalisation il n'est pas possible de déceler par caméra de télévision les infiltrations d'eaux parasites. Seuls les tests à l'air effectués sur les joints le permettent ; pour cela, on dispose de manchons gonflables qui sont positionnés à l'aide de la caméra au droit des joints à tester. Une fois le manchon mis en place, on procède à l'injection d'air sous 0,5 à 1 bar de pression et l'on observe sur le manomètre de contrôle la tenue de la pression d'air.

Localisation des arrivées d'eaux pluviales

Il s'agit de localiser les erreurs de raccordement. Pour cela, on utilise principalement deux méthodes d'investigation :

• - l'examen global d'un tronçon de réseau par test à la fumée,
• - l'examen branchement par branchement à l'aide de fluorescéine.

Le test à la fumée consiste à injecter par un regard de visite dans un tronçon de canalisation la fumée d'une bombe fumigène à l'aide d'un groupe de ventilation forcée. La fumée chemine dans la canalisation et les branchements pour ressortir par les orifices ouverts à l'air libre (grilles, gouttières, etc.).

* * *

En résumé, l'étude de diagnostic, qui peut durer plusieurs mois, permettra de connaître :

• - la nature des eaux parasites (eaux de nappe, eaux de pluie),
• - les débits approximatifs par nature d'eaux parasites,
• - la localisation des secteurs sensibles à ces introductions où devra être réalisée une inspection.

LES PROCÉDÉS DE RÉHABILITATION DES CONDUITES

Jusqu'à un passé récent, la réhabilitation d'un tronçon détérioré s'effectuait traditionnellement par l'ouverture d'une fouille et le remplacement du tronçon ou des tuyaux endommagés. L'augmentation du coût des travaux et les difficultés d'intervention surtout en milieu urbain (encombrement du sous-sol, gêne des usagers) et l'utilisation des nouveaux moyens d'inspection, ont contribué au développement de nouvelles techniques de réhabilitation par l'intérieur même des ouvrages. Parmi ces techniques, on peut citer :

• — le fraisage des racines, des branchements pénétrants ou de tout autre obstacle dur à l'intérieur des canalisations ;
• — l’injection de produits colmatants (résines, mortiers spéciaux) dans les fissures ou les joints défectueux ;
• — le tubage par éléments PVC ou polyéthylène à l'intérieur de la canalisation défectueuse ;
• — le gainage intérieur d’un tronçon de canalisation.

Le fraisage des racines peut être effectué à l'aide de divers outils mécaniques introduits à l’intérieur de la canalisation à partir des regards de visite, outils qui sont plus ou moins performants suivant leur conception.

Le fraisage hydromécanique faisant appel à la haute pression d’eau d’un camion de curage hydrodynamique est, certainement à l’heure actuelle, le plus performant. La technique de mise en œuvre est la même que celle du curage des canalisations. L’appareil est constitué d'un moteur hydromécanique entraînant un porte-outil circulaire adapté au diamètre de la canalisation, sur lequel sont fixés différents outils de coupe tels que :

• — lames de scie pour le fraisage des racines ;
• — fraises acier pour le fraisage des branchements pénétrants ;
• — fraises au carbure pour le fraisage des dépôts durs tels que la laitance de ciment.

Les techniques d’injection de produits colmatants permettant notamment d’assurer l'étanchéité des joints défectueux mettent en œuvre un manchon gonflable qui est positionné au droit du joint défectueux à l'aide d'une caméra de télévision. Le manchon est gonflé sous pression de part et d’autre du joint de manière à créer une chambre d’injection annulaire. Le produit colmatant est ensuite envoyé sous pression depuis l’extérieur dans la chambre d’injection d’où il pénètre dans le joint défectueux pour se répartir dans le sol environnant. Lors de sa prise en masse, il se forme un amalgame de terre et de produit qui adhère à la canalisation et assure l’étanchéité du joint. Après étanchement du joint, le manchon est dégonflé puis retiré.

Les principales qualités requises du produit colmatant sont :

• — une faible viscosité au moment de l’injection ;
• — le maintien de l’élasticité du joint ;
• — une bonne résistance dans le temps à l’eau et aux agents chimiques éventuels ;
• — l’absence de toxicité ;
• — une bonne adhérence au support.

L’étanchéité des joints s’effectue par injections de ciment, de polyuréthane ou de résine acrylique :

• — le ciment, généralement associé à la bentonite, n’est plus que rarement utilisé dans des canalisations non visitables compte tenu des difficultés de mise en œuvre ;
• — les polyuréthanes (utilisés dans certains cas particuliers) font prise au contact de l'eau par expansion de leur volume (jusqu’à plus de dix fois le volume initial) et deviennent caoutchouteux ; toutefois, en raison de leur viscosité, ils pénètrent peu dans le sol environnant le joint ;
• — les résines acryliques sont plus couramment utilisées. Le produit d'étanchement est en fait la combinaison de deux monomères organiques et d’un catalyseur qui permet la polymérisation du produit sous forme d’un gel. Le temps de polymérisation peut varier de quelques secondes à plusieurs minutes suivant les proportions utilisées. Lors de l’injection, la très faible viscosité de certaines résines acrylamides (une à deux centipoises) permet une bonne migration du mélange qui pénètre ainsi dans tous les interstices du joint et du sol. Après polymérisation, le gel obtenu garde une souplesse suffisante pour continuer à adhérer à la canalisation, même en cas de légers tassements différentiels au niveau du joint.

La technique du tubage consiste à chemiser la canalisation défectueuse par un tuyau formé d’éléments assemblés au fur et à mesure de son introduction dans un regard de visite ou un puits d’accès. La mise en place à l’intérieur de la canalisation s’effectue par tractage ou par poussée du train de tubes. L’espace annulaire compris entre la canalisation et le tuyau est généralement rempli par un matériau de garnissage injecté à partir des extrémités. L’assemblage des éléments est assuré :

• — soit par collage, utilisé principalement pour les tuyaux PVC ;
• — soit par thermosoudage, utilisé notamment pour les tuyaux souples en polyéthylène ;
• — soit éventuellement par emboîtement à vis ou à joint caoutchouc.

L’avantage de cette technique est de permettre une réhabilitation à caractère structurant, du fait de la rigidité du matériau utilisé. Par contre, elle présente deux inconvénients qui sont d’une part, une réduction de la section d’écoulement et d’autre part, d'amener généralement à pratiquer des fouilles au droit des branchements pour assurer leur remise en service.

Enfin, les techniques de gainage d'un tronçon de canalisation permettent dans certains cas de défauts de structures importants, notamment de déjointements, d’apporter une solution originale. Ces techniques récentes consistent en la mise en œuvre d'une gaine souple, préalablement enduite de résine thermodurcissable et introduite à l’intérieur des tronçons de canalisation à réhabiliter soit par tractage, soit sous l'effet de la pression d'une colonne d’eau (méthode dite d’inversion). Une fois la gaine mise en place, elle est plaquée sur les parois de la canalisation par la pression de l'air ou de l'eau. Il reste ensuite à chauffer l’ensemble pour permettre la polymérisation de la résine.

CONCLUSION

Il y a lieu de souligner l'importance qui doit être accordée à la bonne étanchéité d’un réseau d’assainissement. L'expérience prouvant malheureusement qu’un grand nombre de réseaux ne sont pas étanches, il y a lieu d’être particulièrement attentif au contrôle régulier de l'état des canalisations. Ces contrôles peuvent être facilement réalisés par caméra de télévision et par des tests d’étanchéité, notamment au moment de la réception des réseaux neufs, à des coûts marginaux par rapport à ceux des travaux.

Les anomalies ainsi constatées peuvent être dans la majorité des cas, réparées par l'intérieur des canalisations, même dans les ouvrages non visitables, par la mise en œuvre de techniques moins coûteuses que celle qui consiste à ouvrir la chaussée pour remplacer le tronçon ou les tuyaux défectueux.

Certaines de ces techniques relativement récentes ne permettent pas encore de connaître le comportement des réseaux ainsi réhabilités. Néanmoins, les techniciens s'accordent pour penser que la plupart des procédés habituellement mis en œuvre offrent une probabilité de durée supérieure à vingt ans.

C’est ainsi que l'injection de résines acryliques pour l'étanchement de joints est utilisée aux U.S.A. depuis le début des années 1960, et des tests d’étanchéité effectués sur des joints traités il y a plus de quinze ans se sont avérés positifs.