En milieu urbain, les stations d'épuration doivent désormais apprendre à être de plus en plus discrètes, même lorsque la population qui les entoure augmente et que les nouvelles exigences réglementaires contraignent les exploitants à ajouter des étapes de traitement. Les procédés d'épuration compacts remportent donc un succès de plus en plus grand, d'autant que les technologies entrent dans leur période de maturité. Dès l'entrée des eaux usées dans la station, diverses solutions s'offrent pour limiter l'emprise au sol, lorsque la surface est restreinte ou lorsqu'il est indispensable de couvrir les unités de traitement pour réduire les nuisances olfactives. LES PARAMÈTRES EN JEU Si le principal critère de choix reste le coût, à la fois pour l'investissement et pour le fonctionnement, d'autres paramètres entrent en compte dans chaque projet, comme la sensibilité du milieu naturel, les caractéristiques du réseau, la qualité des effluents, la nécessité de tenir compte du voisinage ou encore la volonté politique locale. « Nous sommes également dépendants des propositions que nous recevons à la suite de nos appels d'offres », rappelle par ailleurs Michel Gousailles, directeur développement et perspective au Siaap. LA DÉCANTATION S'ACCÉLÈRE En entrée de station, les décanteurs lamellaires offrent une première alternative compacte. Ils permettent d'accélérer la décantation des flocs, formés par l'ajout de produits chimiques, grâce à des lamelles inclinées qui les dirigent vers le fond de l'ouvrage. Par ailleurs, les dernières technologies développées favorisent le lestage des flocs qui retombent alors plus rapidement au fond des décanteurs. Deux techniques sont ainsi actuellement largement répandues en France : le lestage par du microsable très rapide à mettre en route, qui accélère la décantation de manière spectaculaire (procédé de Veolia Eau Solutions & Technologies, VWS), et des ouvrages à recirculation de boues, qui permettent une formation plus régulière et plus rapide des flocs (procédés de Stereau, Degrémont et VWS). Ces derniers offrent l'avantage de suffisamment concentrer les boues pour qu'elles passent directement à la déshydratation alors qu'un épaississement est nécessaire pour les boues issues des systèmes à microsable, qui doivent par ailleurs être régulièrement rechargés. Les décanteurs lamellaires sont utilisés en tête de station, comme traitement primaire des eaux usées, mais également comme traitement des eaux de pluie ou des eaux unitaires en cas d'épisode pluvieux important ; ils permettent en effet d'abaisser largement la pollution des eaux usées, en abattant de 70 à 90 % les MES et de 55 à 80 % la DBO5, avec des taux très faibles de phosphore total, mais en général peu d'effet sur la pollution azotée. Pour les réseaux unitaires, qui sont encore majoritaires en France, un tel traitement représente une réelle amélioration par rapport à un rejet de surverse direct des eaux brutes dans le milieu naturel en cas d'événement pluvieux majeur, notamment dans les premières heures où la pollution particulaire est au niveau le plus élevé. Ces outils peuvent également être utilisés en décantation tertiaire, où ils permettent un affinage du traitement, notamment pour le phosphore. Il est préférable dans ce cas de les couvrir pour éviter le développement rapide et étendu d'algues vertes, sur les lamelles et les goulottes de récupération, qui nécessitent alors des nettoyages manuels très réguliers. Lorsque ces décanteurs sont utilisés en traitement primaire, les eaux traitées sont ensuite dirigées vers un traitement biologique qui reste la technique la plus efficace pour la réduction de la pollution carbonée et azotée. Dans ce cas, la réduction des taux de phosphore liée à la décantation primaire doit être surveillée avec attention car cet élément est indispensable pour le bon fonctionnement de la biomasse à l'étape suivante. Le principe de l'épuration par la biomasse utilisée dans les procédés classiques à boues activées reste donc la norme, avec des variantes qui en améliorent l'efficacité et permettent de réduire la taille des bassins nécessaires. LA BIOFILTRATION CONTINUE À SÉDUIRE La biofiltration, une technique ancienne mais améliorée et largement développée dans les années 1990, continue à séduire par sa compacité et la qualité du traitement qu'elle offre. Elle consiste à faire passer les eaux usées à travers un lit de particules sur lesquelles se fixe la biomasse. Les matières sont dégradées très rapidement lors de leur passage au travers de ce lit filtrant dont l'épaisseur est suffisante pour que l'eau ainsi épurée puisse être rejetée directement dans le milieu naturel, sans passer par une étape de clarification, gourmande en surface. SELON LE PROCÉDÉ ET L'APPLICATION Il existe plusieurs types de matériaux filtrants : les plus utilisés en France sont le polystyrène (Biostyr-VWS), la biolite (Biofor-Degrémont) et la pouzzolane (Biolest-Stereau). La taille des particules et l'épaisseur du lit filtrant varient d'un procédé et d'une application à l'autre. Les biofiltres peuvent être utilisés pour éliminer la pollution carbonée, mais le biofilm fixé sur le support permet également l'installation d'une flore favorable à la nitrification, nécessaire à l'élimination de la pollution sous forme ammoniacale. La taille des particules est définie en fonction de la pollution à éliminer en priorité et il est possible d'utiliser plusieurs biofiltres « spécialisés » pour chaque type de pollution. Il est ainsi envisageable, en modifiant l'aération et l'agitation, d'utiliser des biofiltres pour éliminer complètement la pollution azotée en effectuant une dénitrification des eaux nitrifiées par un premier passage sur biofiltre. Comme les bactéries dénitrifiantes ont besoin d'une source de carbone qui peut être apportée par les eaux brutes, la dénitrification se place dans ce cas avant les biofiltres aérés nitrifiants. Les biofiltres dénitrifiants reçoivent ainsi à la fois les eaux usées brutes et les eaux traitées contenant les nitrates. Cette étape est de plus en plus souvent pratiquée pour réduire la pression des nitrates sur le milieu naturel et les techniques compactes permettent, lors de la mise aux normes de stations existantes disposant d'un espace limité d'extension, d'ajouter cette étape sans consommer trop de surface. Les biofiltres présentent en outre une très bonne capacité de résistance aux variations de charge, même sur de longues périodes grâce à leur modularité. Ces caractéristiques en font une technologie particulièrement adaptée aux stations de haute montagne, qui connaissent un pic de charge saisonnière à une période où les températures sont très basses avec des pointes de week-end très nettes. Il leur est possible de s'équiper de plusieurs biofiltres dont certains peuvent être inactifs en saison basse et qui peuvent être réactivés en saison haute. Ils sont alors utilisés en alternance sur quatre à cinq jours pour maintenir l'ensemble de la biomasse à sa capacité maximale de traitement, qui peut alors être instantanément mobilisée en redistribuant les eaux usées en fonction de la charge à traiter. Pour éviter le colmatage des lits, la décantation primaire est indispensable pour éliminer la majorité des MES et les décanteurs lamellaires permettent de garder la compacité du système. Par ailleurs, un lavage régulier - avec l'eau épurée - doit être effectué pour éliminer les boues retenues en trop grande quantité qui pourraient être entraînées dans l'effluent et colmater le dispositif. Il est donc préférable de mettre plusieurs biofiltres en parallèle afin de pouvoir les isoler pour les lavages sans interrompre le traitement. Le lavage doit être conçu afin d'éliminer les boues excédentaires sans totalement décrocher la biomasse attachée aux particules du lit filtrant. CULTURES MIXTES, LIBRES ET FIXÉES Certaines techniques utilisent une combinaison de cultures mixtes, libres et fixées, grâce à des supports mobiles sur lesquels la biomasse se fixe mais qui circulent librement dans le bassin de traitement (connue sous le sigle MBBR, pour Moving Bed Batch Reactor). Il s'agit donc d'une variante de la technique conventionnelle des boues activées, mais qui permet d'augmenter la concentration des boues et donc de réduire le volume nécessaire, et aussi de mieux traiter la pollution azotée. Comme pour les biofiltres, la création d'un biofilm sur les supports mobiles permet en effet un certain vieillissement de la biomasse, favorable à la nitrification. Il faut alors prêter une attention particulière aux phénomènes de dénitrification qui peuvent se produire spontanément dans le clarificateur, avec la formation de bulles d'azote gazeux qui font remonter les boues et empêchent la décantation de s'effectuer correctement. Les systèmes à cultures mixtes, introduits en France par Vinci Environnement (avec son procédé R3F), sont également proposés par VWS et Degrémont, qui soulignent leur intérêt pour la réhabilitation de stations, pour en augmenter la capacité et/ou améliorer le traitement de l'azote dans les bassins existants. LES TECHNIQUES MEMBRANAIRES Autre approche compacte déjà largement adoptée par les collectivités côtières en France : les techniques membranaires. Il s'agit d'un traitement classique par boues activées, mais l'eau épurée est séparée des boues par un passage sur des membranes de microfiltration qui retiennent toutes les MES et la plupart des micro-organismes indésirables. « L'eau obtenue est alors de qualité compatible avec les eaux de baignade sans autre traitement, et permet, par exemple, d'éviter les coûts associés à la construction d'émissaires nécessaires pour rejeter les effluents loin des côtes », souligne Arnaud de La Tour du Pin, directeur des marchés collectivités chez Veolia Water. L'utilisation des membranes permet de s'abstenir de l'étape de clarification et d'utiliser des boues plus concentrées, ce qui réduit encore plus l'emprise au sol des bassins de traitement. Pour garder leur efficacité, les membranes doivent subir des rétrolavages fréquents afin d'éviter tout colmatage. Les progrès réalisés, notamment au cours des cinq dernières années, sur les matériaux et sur la conception des modules membranaires ont séduit de plus en plus de collectivités, d'autant que leur coût a nettement diminué. Le réseau BRM, dont les projets de recherche sur les systèmes d'assainissement par membranes sont financés par la Commission européenne, observe une augmentation nette du marché en Europe avec trente nouvelles installations en moyenne par an entre 2003 et 2005 et quarante-cinq nouvelles installations annuelles au cours des trois années suivantes pour des stations de taille de plus en plus importante. UN BASSIN POUR TOUS TRAITEMENTS Dernière option, notamment proposée en France par Degrémont (Ultragreen) et VWS, pour gagner en compacité : rassembler toutes les étapes du traitement, y compris la clarification, dans une seule structure pour gagner de la surface au sol. Dans chaque bassin de traitement, les boues activées sont alternativement aérées, agitées et décantées afin d'assurer le traitement de tous les types de pollution. En fin de cycle, après décantation, les eaux sont prélevées par le haut du bassin avant d'être évacuées alors que les boues excédentaires sont soutirées en fond de bassin. Il est possible d'associer plusieurs bassins, qui fonctionnent alors comme des modules indépendants et peuvent être mis en fonctionnement de façon alternative pour traiter en continu les eaux usées. La modularité permet en outre de s'adapter à des variations de charge saisonnière, certains bassins pouvant être vidés en basse saison. Comme pour les systèmes à boues activées libres, il faut cependant prévoir une période de démarrage assez longue avant les périodes de forte charge pour atteindre une activité biologique suffisante pour le traitement. Cette technique permet d'économiser une surface d'environ 40 % par rapport à un traitement classique par boues activées, mais les ouvrages sont profonds, ce qui doit être pris en compte si l'on désire limiter la hauteur des bâtiments dans une zone où il est difficile de creuser. COMMENT FAIRE LE BON CHOIX ? « Si l'on ne regarde que la compacité, les systèmes mixtes à supports mobiles et la biofiltration sont les plus avantageux, suivis des systèmes membranaires et enfin des réacteurs séquencés », indique Jean-Pierre Canler, ingénieur spécialiste des systèmes intensifs au Cemagref. « Si l'on s'intéresse à la modularité, les biofiltres arrivent en première position, mais si l'on regarde les contraintes d'exploitation, ils sont au dernier rang. » Le choix entre ces différentes approches, sur le plan technique, ne peut cependant pas être réduit à leur compacité ni à des caractéristiques simples car de nombreux facteurs entrent en jeu. « Avec un système membranaire, l'eau reste environ dix heures dans le bassin biologique, ce qui permet d'effacer les pointes, mais le système supporte mal les grosses variations de débit car le dimensionnement se fait par rapport à un débit de filtration, explique Michel Gousailles. Si l'on veut tenir compte de ce critère pour traiter par temps de pluie, il faut largement surdimensionner les équipements et le prix devient alors prohibitif. » D'IMPORTANTES VARIATIONS DE DÉBIT Les biofiltres, eux, sont capables de supporter des variations de débit importantes mais, avec un temps de passage très court, le traitement ne sera peut-être pas suffisant. « Les exploitants doivent faire face à un nouveau mode de calcul des rejets qui complique vraiment la donne car il est conditionné par le milieu et doit être suivi au quotidien, souligne-t-il. La DCE prévoit que les stations doivent rejeter ce que le milieu peut accepter chaque jour. Si la station doit rejeter 1 kg d'un certain élément par jour et qu'elle rejette 1 000 m3 par temps sec, le taux à rejeter est de 1 mg/l. Par temps de pluie, si le volume est de 2 000 m3, elle doit rejeter 0,5 mg/l, alors même que la station est saturée. C'est le fonctionnement inverse des stations d'épuration ! » La question se complique encore plus lors des gros orages d'été, lorsque les rejets doivent tenir compte du débit d'étiage des cours d'eau. La nouvelle loi ne permettra pas de compenser sur une période étendue, qui était d'un an dans le cadre de la DERU. « Il faudrait que la police de l'eau et les services administratifs puissent également faire ces observations et au moins ajuster les périodes en fonction de la capacité réelle de compensation du milieu naturel. Sinon, il faudrait dimensionner les stations en fonction des débits exceptionnels plutôt que pour leur fonctionnement régulier, à un coût qui devra être répercuté sur tous les citoyens », indique Michel Gousailles. Le coût des installations est en effet un critère de choix très important, au niveau de l'investissement, mais également par rapport aux coûts de fonctionnement auxquels les exploitants prêtent une attention de plus en plus appuyée ; ils peuvent être assez élevés pour certaines de ces techniques compactes et doivent être pondérés avec les gains envisagés. Les interventions d'entretien, de nettoyage et de maintenance doivent être prises en compte, de même que le renouvellement des consommables comme le sable des décanteurs ou les réactifs de coagulation/floculation. La consommation d'énergie, pourtant significative pour certaines de ces approches, n'est pas encore un facteur décisif en France, mais elle devrait prendre plus d'importance avec la nouvelle réglementation sur le bilan carbone. « Plus les techniques sont poussées, plus la consommation d'énergie est importante. Les techniques membranaires sont ainsi très gourmandes et l'on ne peut que constater que la France est en retard sur la récupération d'énergie, largement pratiquée dans d'autres pays », regrette Arnaud de La Tour du Pin RENFORCEMENT DES EXIGENCES Si ces techniques permettent de gagner plus ou moins en compacité, elles sont globalement plus coûteuses que les approches classiques, au niveau de l'investissement et/ou du fonctionnement, pour obtenir un niveau de rejet standard. Les critères de coût sont largement modifiés dès qu'un traitement supplémentaire est nécessaire car les technologies compactes permettent, soit de gagner l'espace et le coût nécessaire à l'installation d'un bâtiment supplémentaire, soit d'éviter certaines étapes d'affinage, soit encore de couvrir à moindre coût des installations dont l'air doit être désodorisé. L'expérience acquise, la réduction des coûts de production et l'arrivée d'acteurs multiples - des multinationales aux PME - ont également contribué à renforcer leur intérêt, en particulier face au renforcement des exigences de rejet pour protéger les milieux aquatiques. Le succès qu'elles rencontrent à l'heure actuelle semble bien être destiné à durer.