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Filières extensives : 50 ans plus tard, elles inspirent toujours…

31 mai 2021 Paru dans le N°442 à la page 45 ( mots)
Rédigé par : Pascale MEESCHAERT de EDITIONS JOHANET

30 037, c’est le nombre de communes rurales en France au 1er janvier 2018 selon les chiffres clé des collectivités locales. 8 894 communes comptent moins de 200 habitants, 9 823 moins de 500 habitants, 11 320 de 500 à 2 000 habitants. Dans un pays aussi rural que la France, pas étonnant que les filières extensives se soient fortement développées depuis les années 70 pour traiter les eaux usées des petites collectivités. Désormais vieillissant, le parc des stations doit faire l’objet de réhabilitation, soit pour satisfaire l’accroissement des exigences de qualité sur le milieu récepteur, soit pour faire face à des évolutions de charge organique nécessitant un traitement supplémentaire.

Un peu d’histoire. En milieu rural, le traitement des eaux résiduaires s’est longtemps fait par lagunage naturel. Cette méthode éprouvée permet de traiter les effluents peu concentrés des petites communes, crée un écosystème, et constitue l’une des solutions les plus économiques tant en investissement qu’en exploitation. Selon le dernier rapport du Groupe de Travail de l’EPNAC consacré à l’Évaluation des Procédés Nouveaux en Assainissement des petites et moyennes Collectivités, 4 173 sur 6 000 lagunes recensées sont en service sur le territoire, pour une taille moyenne de 500 Équivalent Habitant (EH).
Aérateurs flottants à turbine rapide Flopulse et hydro-éjecteurs Hydropulse en fonctionnement dans une lagune.  

Autre filière, expérimentée pour la première fois dans les années 1950, le filtre planté de roseaux-FPR, dont la compacité limite de moitié l’emprise foncière, s’est imposé depuis le début des années 1990 comme la solution préférentielle des communes rurales. « Globalement, la technologie est la plus plébiscitée par les agences de l’eau pour des capacités de 10 à 4 000 EH. Elle nécessite moins d’espace que le lagunage et est la plus répandue en France, notamment à travers la filière française de traitement des eaux, qui recourt à du gravier comme matériau filtrant à la place du sable » avance Stéphane Troesch, directeur recherche et développement du bureau d’études Ecobird, spécialisé en génie écologique. 4 620 unités sont actuellement recensées par l’EPNAC. Résultat : les techniques extensives, c’est-à-dire qui nécessitent de grandes surfaces pour être exploitées, représentent 35 % des petites installations françaises.

Plantons le décor : soleil, vent, micro-organismes

Choisi en filière prioritaire par les petites communes, le lagunage est considéré comme le procédé qui associe le meilleur coût total de possession à une grande fiabilité en termes de performances épuratoires attendues (DBO5, DCO, MES) pour les petites stations. En comparaison avec d’autres procédés, le système épuratoire présente l’avantage d’être tolérant vis-à-vis des variations de charges hydrauliques, d’accepter des eaux parasites et de stabiliser les boues. Il ne consomme pas d’énergie, nécessite peu d’entretien, un fauchage annuel est conseillé et un curage des boues tous les 10 ans.
En imitant l’écosystème des ripisylves, la technique favorise en outre la biodiversité et participe à l’enrichissement du patrimoine local.
Installation de 3 brasseurs autonomes solaire Sungo sur un lagunage isolé dans les Alpes de Haute Provence pour optimisation de fonctionnement.  

Concrètement, le lagunage naturel repose sur plusieurs vastes bassins peu profonds dans lesquels l’eau s’écoule lentement par gravité. L’épuration est assurée par des organismes aérobies, parfois aussi anaérobies, sans ajout de réactifs chimiques. La forme des bassins favorise la photosynthèse et les échanges gazeux, le temps de séjour de l’eau étant suffisamment long pour permettre à la nature de faire son œuvre. Dans le cadre d’un procédé de lagunage naturel, l’oxygène est apporté naturellement. Mais le développement par des acteurs spécialisés tels que Isma, Faivre ou Aquago d’aérateurs ou de turbines flottantes a permis de forcer l’aération, entraînant le développement soutenu d’un autre procédé : le lagunage aéré. L’aération artificielle permet de ramener la surface au sol de 15 à 2 ou 3 m²/EH, tout en diminuant notablement le risques d’apparition de nuisances odorantes. L’équipe d’Aquago utilise notamment la technique du brassage lent qui permet de limiter les zones mortes et de favoriser la photosynthèse et le fonctionnement aérobie de la biologie pour stimuler la dynamique épuratoire des lagunages naturels.

Rhizosph’air® Smith Haut Laffitte-source de Caudalie.

Essentiel pour le bon fonctionnement hydraulique, les lagunes sont forcément étanchées par des géomembranes pour éviter le risque d’infiltration dans les nappes phréatiques et doivent prévoir, dès la conception, des travaux d’étanchéification pour garantir le fonctionnement normal des bassins. L’installation de by-pass fixes facilite les opérations de curage et permet d’éviter la mise en place de tuyaux temporaires, difficilement maniables dans le cas des lagunages de grandes capacités.

A l’image du lagunage, les filtres plantés de roseaux assurent une bonne élimination des matières oxydables (DBO5, DCO) et des matières en suspension (MES). « Connu depuis 30 ans, le filtre planté de roseaux est perçu de manière plus positive qu’une station compacte classique, parfois vécue comme une gêne supplémentaire, parce qu’il présente des qualités paysagères évidentes et qu’il ne génère aucune nuisance olfactive ou sonore, et aucun moustiques » explique Benoît Chancerel, responsable secteur PhytoSerpe et vice-président de la Fédération de l’Épuration Végétalisée (FEVE).
Le procédé se compose de deux étages de culture fixée sur gravier et repose principalement sur l’activité mécanique des roseaux pour assurer la filtration superficielle des matières en suspension et sur leur activité bactérienne pour limiter la concentration en fibre. L’alimentation des filtres doit se faire par bâchées afin d’optimiser l’oxygénation et répartir la charge polluante sur l’ensemble du casier. La caractéristique principale de ce type d’épuration réside dans le fait que les filtres du premier étage de traitement, peuvent être alimentés directement avec les eaux usées brutes dégrillées (sans décantation préalable). Cela évite à la commune de gérer les boues primaires qui présentent une stabilisation imparfaite.
A l’occasion du salon Vinitech 2020,Clairéo a remporté le Trophée de Bronze de l’Innovation pour le nouveau système de traitement des effluents In-É-Co, mis en place à l’Ifv (Institut français du vin) de Lisle sur Tarn.

Question exploitation, si globalement le bilan est positif, des points de vigilance ont été recensés par le groupe Syntea, impliqué depuis ses origines dans le développement du procédé et les acteurs institutionnels (Irstea, agences de l’eau, SATESE…). « Si la filière FPR est considérée comme rustique, elle n’en reste pas moins une station d’épuration » pointe Pierre-Yves Rioual, président de Syntea (Synthèse d’Epur Nature et d’Agro Environnement). Condition du succès de l’épuration des eaux usées : la diffusion des compétences, plaide l’expert. Plusieurs guides, ouvrages ont été publiés par l’EPNAC et Syntea, pour permettre aux exploitants concernés d’acquérir les compétences nécessaires. « La question qui concerne notamment le curage des casiers se pose avec acuité, poursuit Pierre-Yves Rioual. Le gisement en milieu rural étant relativement important, 15 millions d’habitants, il montre l’importance d’une station bien conçue, bien exploitée et bien réhabilitée pour assurer la norme de rejet avec un cout de réalisation et d’exploitation maitrisé ». Les collectivités et les exploitants doivent donc être exigeants. « Nous le sommes dans notre dialogue avec les maîtres d’ouvrage car c’est dans l’intérêt de la pérennité de leur modèle économique d’intégrer ces critères de durabilité », complète Stéphane Troesh, dont le bureau d'études revendique 25 ans d’expérience et une connaissance fine des systèmes.

Poussées par cette exigence dans un contexte de forte demande, plusieurs entreprises du secteur, dont Aquatiris, Atelier Reeb, Créa Step, Ineautec, Maaneo, PhytoSerpe, Phytorestore, Scirpe, Syntea, regroupées autour de la Fédération professionnelle des entreprises du secteur de l’épuration végétalisée (FEVE), poursuivent l’ambition de bousculer efficacement les filières pour accompagner la transformation des collectivités et des industries.

La réhabilitation : des enjeux essentiels

Si le lagunage naturel est un procédé rustique largement éprouvé, les exigences environnementales de plus en plus contraignantes induisent parfois sa non-conformité. Depuis l’arrêté du 21 juillet 2015, les performances minimales des stations d’épuration devant traiter une charge brute de pollution organique inférieure ou égale à 120 kg/jour de DBO5 (< 2.000 EH) doivent atteindre un rendement minimum de 60 % pour la DBO5 et DCO ; et 50 % pour les MES. « Les objectifs qualitatifs demandés aux stations de traitement ont bien évolué et le lagunage ne permet pas (toujours) d’atteindre ces niveaux, explique Pierre-Yves Rioual. Dans ce contexte, 6.000 collectivités doivent réhabiliter leur station pour satisfaire à une double obligation : améliorer la qualité des rejets et faire face aux variations de charge hydraulique. Une des réhabilitations simples à mettre en œuvre consiste à procéder par décantation-filtration par un filtre rocheux placé en aval de la dernière lagune. Ce procédé, que nous avons développé, présente un coût peu élevé et est attractif notamment pour les petites collectivités, en l’absence de contraintes particulière sur l’azote ».
A l’occasion d’une campagne de terrain lancée en avril et juin 2016 sur la station de Vaux Rouillac en Charente de 350 EH, l’expérimentation associant le procédé rock-filter avec aération forcée a permis d’évaluer les capacités à traiter les charges hydrauliques et organiques, étage par étage. Les résultats ont mis en évidence la qualité de rejets du filtre rocheux pour les paramètres visés (DBO5, DCO, MES), avec une concentration maximum observée de 20 mg.L-1 de MES en sortie de filtre et permis en même temps de confirmer l’intérêt de l’aération pour réduire le risque de colmatage. « Ces résultats consacrent le procédé rock-filter comme le procédé le plus robuste et économique pour atteindre les rejets exigés pour les stations < 2.000 EH. Ils expriment aussi le fait que la version rock-filter aéré permet d’aller plus loin et offre un traitement quasiment total de l’azote avec un niveau de rejet très poussé. Le dispositif fait l’objet d’un suivi spécifique réalisé par l’EPNAC dont les résultats sont disponibles », souligne Pierre-Yves Rioual.
Rock Filter aéré Vaux Rouillac.

En 2016, Syntea a breveté une filière plus compacte (0,9 à 1,2 m²/EH), Rhizosph’air®, qui combine la rusticité d’un premier étage planté de roseaux alimenté en eaux usées brutes avec une intensification par aération mécanique. Testée sur la station de traitement des eaux usées de la commune de Tarcenay (25), la solution a fait l’objet d’un suivi des performances de fonctionnement par Inrae au cours de 4 campagnes de mesures menées en mars et juillet 2018, puis en avril et juin 2019. « Les performances hydrauliques et épuratoires du procédé Rhizosph’air® ont montré qu’il offre un compromis entre un système végétalisé et un système muni d’une injection douce, permettant d’atteindre des niveaux de rejet équivalents à un procédé de boues activées avec une emprise foncière deux fois moindre», explique Stéphane Troesh. Outre le gain et l’optimisation fonciers, l’intérêt de la filière était de pouvoir également viser des objectifs de traitement sur l’azote global. Malgré une station non dimensionnée pour cela, des modifications de fonctionnement ont été réalisées pour étudier son potentiel sur l’azote global et les voies d’optimisation. Pour cela, il a principalement été réalisé différents séquençages et durées d’aération en lien avec une compartimentation des filtres pour augmenter les charges. Les principales conclusions des campagnes ont fait ressortir un traitement très performant sur la pollution organique et azotée d’origine domestique ou agroalimentaire, mais également sur de nombreux micropolluants organiques d’origine industrielle. Ainsi, « le brevet comble non seulement un trou technologique entre le système naturel expansif et des systèmes intensifs mécanisés, mais surtout il permet de déplacer le curseur de 4.000 EH à 10.000 EH », résume le président de Syntea, qui revendique une douzaine de référence en France, et anticipe le besoin de renouvellement de l’ensemble du parc de FPR.

Une demande accrue en milieu industriel

Outre la réhabilitation d’un parc communal vieillissant, les professionnels des filières végétalisées font face à une demande accrue de stations biologiques en milieu industriel.
Parc des Aigrettes-Zone de Rejet Végétalisée de Vauvert (30).

Rarement utilisées en propre pour les effluents industriels, les concentrations de pollution et les variations de charge ne permettant pas de les traiter avec des filières 100 % végétalisées, d’autres formes de procédés combinant systèmes biologiques traditionnels avec des traitements secondaires et tertiaires végétalisés ont émergé depuis 15 ans.

« Cela fait des années que nous cherchons à supprimer les cloisons entre les systèmes intensifs et extensifs notamment en déposant un brevet en 2005 associant les systèmes aérobies et filières végétalisés, bien adapté à la viticulture, industries agroalimentaires et distillerie », explique Pierre-Yves Rioual. « En effet, il est impossible de proposer des solutions pré-établies aux industriels, poursuit Stéphane Troesh. Le dimensionnement de la station d'épuration doit s'adapter d'une part à la concentration des effluents à traiter et d'autre part à l'hydraulique, d'où l'intérêt de combiner les procédés ».
Les effluents les plus à même de s’ouvrir aux filières végétalisées restent avant tout des effluents industriels biodégradables. « Cela va concerner prioritairement les industries agro-alimentaires, la viti-viniculture, la distillerie », énumère Matthieu Planté, gérant de la société bordelaise Clairéo, spécialisée dans le traitement des effluents vinicoles.
Le process développé par Clairéo est un procédé à la fois aérobie et de phyto épuration qui se distingue par sa simplicité de mise en oeuvre et de fonctionnement. Il repose sur une première étape de collecte des effluents au sein d’un lagunage aéré par microbullage et d’une filtration sur lit de roseaux. La solution se décline en cuve enterrée et aérée, et peut être subventionnée par les agences de l’eau. Eprouvé depuis plus de 20 ans, les performances épuratoires sont élevées. « En moyenne, la DCO de l’effluent est passée de 15.000 mg/L en entrée de process à 125 mg/L grâce à l’amenée des effluents sur un lit de roseaux ». Co-financé en 2019 par l’ADI Nouvelle Aquitaine (Agence de développement et d’innovation) avec le support d’Innovin (l’Institut français du vin), le logiciel de pilotage et de suivi du traitement développé par Clairéo permet de gérer chaque typologie d’effluent et de contrôler la qualité des rejets sur place ou à distance pour adapter le traitement si besoin.


Depuis 2020, Clairéo a fait évoluer sa suite logicielle en partenariat avec l’IFV et la société de conseil Adéquabio, spécialisée dans la conception de bactéries pour le traitement des effluents, pour répondre à deux objectifs : limiter à la fois l’empreinte carbone dans le traitement des effluents mais aussi réduire le coût énergétique lié à ce traitement. « Comparées aux eaux usées urbaines, les charges polluantes véhiculées par les effluents vinicoles sont dix fois plus importantes que celles des eaux usées urbaines. On s’est rendu compte que lorsqu’on construit une station d’épuration, on la dimensionne toujours sur le pire scénario de pollution et de charge, et non sur les volumes des effluents annuels constatés ». Ainsi, la mission a demandé d’équiper les chais de l’IFV d’un certain nombre de sondes pour augmenter la connaissance des niveaux de pollution au cours du processus afin de synchroniser de manière optimale le système de programmation. Mis en service en avril 2020, l’algorithme “In-é-co”, qui a obtenu un financement de l’Ademe, est en cours de définition. Il enclenchera de meilleurs réglages sur les paramètres visés et permettra de traiter les effluents au juste prix.
Dans un premier temps, il vise les petites exploitations, mais la solution intéresse aussi le secteur du cognaçais, très engagé dans le respect des normes environnementales et celui de la distillerie, tous deux confrontés à des coûts fonciers élevés. « On s’est notamment exporté au Liban, à 1 000 m d’altitude pour traiter 6 000 m³ d’effluents à la fois vinicoles et d’arak et on a intensifié la présence de FPR ». En altitude aussi, le dimensionnement de l’installation et l’offre logicielle revêtent une importance capitale. Pour cette raison, Clairéo est intervenue sur place pour superviser et valider le dimensionnement du système de traitement et apporter les modifications techniques nécessaires.
Dans un contexte d’urgence climatique, d’autres industries ont entamé une mue écologique et revisitent leurs systèmes de traitement épuratoire. Les fonctionnalités hydrauliques, écologiques et paysagères des zones naturelles favorisent ainsi l’émergence de zones de rejets végétalisées (ZRV) placées entre la station d’épuration et le milieu naturel à sauvegarder. Selon une combinaison de processus physiques, chimiques et biologiques, « elles recréent des conditions favorables pour une faune et une flore locales et peuvent contribuer à faciliter le piégeage des matières en suspension dans le cadre d’une conception et d’une gestion adaptées », explique Benoit Chancerel. « Le fait de passer au travers de ces zones humides artificielles a pour effet de restituer au milieu un effluent biologiquement plus sain en le rendant plus naturel, enrichi en micro-algues, microfaunes, et plus oxygéné ».
Ce type de démonstration devient de plus en plus visible et fait émerger des réserves de biodiversité, à l’image de la zone de rejet végétalisée de Vauvert (30) devenue en 2018 le Parc des Aigrettes.
A noter également que le développement de systèmes combinés ou hybrides de même que l’association de plusieurs systèmes extensifs naturels, en cultures libres ou fixées, en série ou en parallèle, est parfois mise en œuvre pour permettre d’adapter le traitement à un but spécifique : qualité du rejet, intégration des eaux pluviales, effluent particulier…etc. 


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