Provenance des eaux unitaires
Les principales sources d’alimentation des RE unitaires sont : — les eaux usées d’origines domestiques et industrielles ; — les eaux d’infiltration, ou eaux claires parasites (ECP) ; et — les eaux de ruissellement en temps de pluie.
Les deux premières, présentes à la fois en temps sec et en temps de pluie, sont raisonna- blement prévisibles (Verbanck,1995;Tchobanoglous et al.,2003). En effet, les eaux usées do- mestiques se caractérisent principalement par une dynamique journalière en rapport avec les activités de la population. De légères différences peuvent être observées entre les jours ouvrables, les jours de congé ou encore les journées d’évènements, telle qu’illustrée dans la rubrique intitulée "Sewer sociology" du magazine Water Environment & Technology. Cepen- dant, l’importance de ces différences peut être réduite selon les objectifs de l’étude, notam- ment lorsqu’on étudie les phénomènes à l’échelle des bassins versants. De même, l’apport d’eaux usées d’origine industrielle peut être plus ou moins régulier selon l’activité considé-
rée. Cependant, pour que leur raccordement à la StaRRE municipale soit acceptée, l’effluent doit respecter des normes. L’importance de prendre en compte ces apports dépend égale- ment du cas d’études.
Il en va de même pour les ECP, pour lesquelles la quantité à prendre en compte pour un RE donné est relativement constante pendant la journée (De Bénédittis et Bertrand-Krajewski, 2005;Karpf et Krebs,2011). Les variations sont principalement saisonnières et dépendent de l’environnement et du climat (De Ville et al.,2014).
Les eaux pluviales, quant à elles, présentent une variabilité beaucoup plus forte et apportent une importante charge aux RE unitaires, autant en débit qu’en qualité (Gromaire-Mertz et al., 1999;Tchobanoglous et al.,2003). De plus, avec l’accroissement des surfaces imperméables, consécutif au développement urbain, vient l’augmentation des volumes d’eau et des débits de pointe dans les RE lors des évènements pluvieux. Ce phénomène peut être atténué, no- tamment par les méthodes alternatives de contrôle à la source privilégiant l’infiltration (Mik- kelsen et al.,1996), mais difficilement supprimé. Dès le début des années 1900, des experts ont exprimé leurs inquiétudes face au déversement de ces eaux non traitées dans le milieu ré- cepteur (Geiger,1998). Dès lors, de nombreuses études ont cherché à identifier, comprendre et résoudre les problématiques du temps de pluie en RE unitaire. C’est également dans ce cadre que s’inscrit ce projet de thèse.
Composition des eaux unitaires en temps de pluie
Les rejets urbains de temps de pluie (RUTP) sont une source majeure de pollution des mi- lieux naturels, autant en RE séparatif qu’unitaire. Le Tableau1.1fournit des fourchettes de concentrations observées pour les polluants classiques. On observe que les plus grosses va- riations sont dues aux eaux pluviales (cf. les deux dernières colonnes du Tableau1.1). TABLEAU1.1 – Fourchette de concentrations (en mg/L) des rejets par temps sec et temps de pluie (Bertrand-Krajewski,2006)
Paramètres Eau résiduaire urbaine Rejets pluvieux séparatifs Rejets pluvieux unitaires MeS 150 - 500 21 - 2600 176 - 2500
frac. org. MeS 70 - 80% 18 - 30% 40 - 65%
DCO 300 - 1000 20 - 500 42 - 900 DBO5 100 - 400 3 - 184 15 - 301 DCO/DBO5 2 5 - 7.5 3.4 - 6.0 N-NTK 30 - 100 4 - 20 21 - 28.5 N-NH4 20 - 80 0.2 - 4.6 3.1 - 8.0 P-Pt 10 - 25 0.02 - 4.3 6.5 - 14.0
Sources de pollution
En RE unitaire, Gasperi et al. (2010) distinguent trois sources de pollution, à l’origine des différences de comportements des polluants associés :
— les eaux usées (domestiques et industrielles) ; — les eaux de ruissellement ; et
— les processus en réseaux.
Eaux usées. Les polluants liés aux eaux usées domestiques sont traditionnellement esti- més en terme de charge massique journalière produite par équivalent-habitant (EH).Tcho- banoglous et al. (2003) ont déterminé des valeurs indicatives pouvant être utilisées pour le dimensionnement d’un nouveau RE (Tableau1.2).
TABLEAU1.2 – Charge massique journalière de polluants émise par équivalent-habitant (EH) (Tchobanoglous et al.,2003)
Paramètres Valeur typique (g/d/EH) DBO5 85 DCO 198 MeS 95 N-NH4(en gN) 7.8 N organique (en gN) 5.5 TKN (en gN) 13.3 P organique (en gP) 1.23 P inorganique (en gP) 2.05 P total (en gP) 3.28 Huile et graisse 31
Les concentrations attendues en temps sec sont calculées par dilution en prenant en compte la consommation d’eau potable journalière moyenne par EH et la quantité d’ECP dans le RE (la charge polluante des ECP étant considérée comme négligeable). Pour un RE existant, la pratique appropriée consiste à mener une campagne de mesures. Gasperi et al. (2008b) affirment qu’il est possible d’extrapoler des valeurs mesurées sur un site donné à un autre site ayant une occupation des sols et un RE aux caractéristiques similaires.
Gasperi et al. (2010) ont identifié les eaux usées comme la principale source de pollution organique (DCO, DBO5) et en terme de nutriments (azote, phosphore). Elles contribuent
aussi majoritairement à la pollution bactériologique. Ces polluants subissent essentiellement un effet de dilution par l’arrivée des eaux de pluie.
Eaux de ruissellement. Les eaux de ruissellement pluviales présentent une composition très variable qui dépend de nombreux paramètres (caractéristiques du terrain drainé, de la pluie, des conditions antérieures...). Des valeurs typiques de leur composition en polluants traditionnels sont données au Tableau 1.1. Ces eaux charrient les polluants déposés pen- dant les périodes de temps secs sur les surfaces qu’elles drainent et apportent une pollution organique moins biodégradable que les eaux usées (Tchobanoglous et al., 2003; Bertrand- Krajewski,2006;Gasperi et al.,2010). Les eaux de ruissellement, tout comme les eaux usées dans une plus faible proportion, contiennent aussi un grand nombre de polluants qui sus- citent de plus en plus d’intérêt, notamment les substances qualifiées de polluants prioritaires (métaux, hydrocarbures, pesticides...). Ces polluants sont souvent présents en faible concen- tration mais peuvent présenter une forte toxicité, due à l’effet d’accumulation (Gasperi et al., 2008a).
Processus en réseaux. Selon les temps de séjour et les conditions environnementales dans les RE, des processus physico-chimiques et biologiques interviennent de manière plus ou moins importante (Hvitved-Jacobsen et al.,2002). Ainsi, les RE ne doivent pas uniquement être considérés comme des ouvrages de transport si l’on souhaite comprendre l’évolution de la qualité des eaux. Au niveau physique, il semble se dégager un consensus parmi les experts quant à l’existence d’un phénomène de déposition/resuspension, ayant lieu autant en temps sec qu’en temps de pluie. Cependant, les conditions nécessaires à sa survenue, la nature de la pollution engendrée et son importance sont encore mal connues (Ashley et al., 1994; Verbanck,1995;Gromaire et al.,2001;Chebbo et al.,2001). Au niveau biologique, la plupart des études sur les biofilms, qui se développent puis s’érodent dans les conduites, reposent sur des expériences en laboratoire (Ahyerre et al.,2000;Banasiak et al.,2005). Les liens entre ces résultats et les observations réalisées à l’échelle réelle (Schilperoort et al., 2012) restent à étudier. Une meilleure connaissance de ces processus pourrait influencer les méthodes de gestion du temps de pluie (Chebbo et al.,2001).
Pollution particulaire : disponibilité et besoins en données
Les effets néfastes sur l’environnement de la pollution particulaire contenue dans les re- jets urbains de temps de pluie (RUTP) sont multiples. D’une part, l’apport intempestif de sédiments aux cours d’eau impacte la faune, la flore, et peut même en modifier la mor- phologie (Michelbach et Wöhrle, 1994). D’autre part, les particules accumulent un grand nombre de polluants adsorbés sur leur surface (Verbanck et Ashley,1993;Desbordes et al., 1994;Gromaire-Mertz,2000;Bertrand-Krajewski,2006), qui se retrouvent donc dans le mi- lieu naturel. Les polluants se fixant par adsorption sur les particules, leur présence peut être corrélée à la surface spécifique de ces particules. Ainsi on notera une proportion plus élevée de polluants liés aux fines particules (Chebbo et al.,2001;Vallet,2011).
pension (MeS) d’un échantillon (Czemiel Berndtsson,2014) et le fait que l’analyse des MeS est relativement simple et peu coûteuse, ont fait de la concentration de MeS un paramètre standard, régulièrement mesuré par les gestionnaires de StaRRE (Tchobanoglous et al.,2003). Pour des raisons opérationnelles, il est plus rare de disposer de données de qualité des eaux en RE. En effet, la variabilité spatiale et les conditions opérationnelles complexifient la dé- termination d’un point représentatif et accessible, ainsi que de la méthode d’échantillonnage appropriée (Sandoval et Bertrand-Krajewski,2016). L’intérêt pour ce genre de mesures n’est pourtant plus à démontrer (Ashley et al., 2004) et la possibilité de les mettre en œuvre est continuellement étudiée (Bertrand-Krajewski, 2004; Métadier et Bertrand-Krajewski, 2012; Bersinger et al.,2015).
Des études ont montré que les particules présentaient des caractéristiques différentes selon leur provenance (Gasperi et al.,2010;Ruban et al.,2015). Ainsi la détermination de caracté- ristiques telles que la taille des particules ne renseignera pas forcément sur la performance de traitement attendue. Les eaux étant généralement traitées par décantation, un paramètre important pour caractériser les particules peut être leur vitesse de sédimentation (Michel- bach et Wöhrle,1994).Berrouard(2010) a recensé différentes méthodes de caractérisation de la décantabilité des eaux pluviales et a montré que la relation entre la taille des particules et leur vitesse de sédimentation était complexe. Le protocole ViCAs (Chebbo et Gromaire,2009) s’est révélé être convenable pour les besoins de l’étude, aussi bien en eaux pluviales (Vallet, 2011), qu’en eaux unitaires (Maruéjouls,2012). Dans le cadre de cette thèse, le protocole Vi- CAs a donc été choisi pour caractériser la pollution particulaire, en vue de sa modélisation.