Dimensionnement et implantation sur le site du filtre planté de roseaux à écoulement vertical

Cette partie est organisée de la manière suivante : 

1. La détermination de la filière de FPRV
2. Dimensionnement de l'installation 
3. Description des différents éléments de la filière
4. Plans
5. Performances épuratoires 
6. Evaluation économique

 


1. Détermination de la filière

Deux filières sont envisageables :

  • Soit une filière en eaux brutes : siphon auto amorçant (dispositif d’alimentation), filtre vertical, fossé drainant, dissipation ;
  • Soit une filière en eaux décantées : fosse toutes eaux, auget filtrant, filtre vertical, lagune plantée, mare de stockage.

La filière qui nous apparaît la plus intéressante dans le cadre d’un éco-village est celle en eaux brutes puisqu’elle ne comprend pas de fosse toutes eaux et permet donc d’éviter l’accumulation de boues.  

Pour supporter les pointes et les à-coups hydrauliques, le lit filtrant sera séparé en deux (filtres en parallèle) afin d’assurer l’alternance des phases d’alimentation et de repos. Avec un seul étage de filtration, les résultats de l’épuration sont suffisants et garantis par Epur Nature. Il est donc inutile de prévoir un deuxième étage en série du premier.

La filière envisagée est donc la suivante : un filtre planté de roseau séparé en deux lits parallèles (orienté perpendiculairement au sens de la pente), suivi d’un fossé filtrant, les zones de dissipation en aval permettant de naturaliser le rejet.

  
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2. Dimensionnement de l’installation

  On dimensionnera le filtre de la manière suivante : 1,5 m²/EH. La réglementation impose un dimensionnement de 1,2m²/EH ; les sociétés surdimensionnent légèrement les filtres afin d’être sûres d’avoir les résultats escomptés. Il faut cependant être très vigilant quant au surdimensionnement car les roseaux ont besoin d’une alimentation suffisante.

  La population de l’éco-village étant de 50 EH, la superficie du filtre doit être de 75 m². On divise cette surface par deux pour avoir celle de chacun des lits et parties et on obtient une surface de 36 m², sachant que nous avons négligé 3 m² afin d’avoir des filtres de forme carrée pour assurer une répartition homogène de l’effluent. Ceci n’est pas gênant étant donné que le filtre a été surdimensionné au départ.

Le volume d’eaux usées moyen est de 7500 litres par jour (150 L/EH/j imposés par la DDASS). Le volume du siphon auto amorçant a donc été calculé à 500 L de manière à assurer un minimum de 15 bâchées par jour. 

 

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3. Description des différents éléments de la filière

3.1 Substrat

  La première couche de substrat est constituée de gravier 2/6 (granulométrie comprise entre 2 et 6 millimètres) concassé sur une épaisseur de 50 cm. La proportion entre les graviers de granulométrie 2/4 et 4/6 doit être homogène. Les graviers 2/4 ont plutôt un rôle filtrant tandis que les 4/6 permettent de limiter le colmatage. Le rôle majeur de cette couche est de retenir les matières en suspension MES en surface du filtre. 
Au dessous, la deuxième couche est constituée de plus gros graviers de granulométrie 20/40 d’une épaisseur de 20 à 30 cm pour permettre la circulation de l’eau et de l’air (grâce au système de drainage). Il existe également du gravier 30/60, mais notre choix se porte plutôt vers du 20/40 car il est facilement « fermé » par le gravier 2/6.
 
On utilise du granulat de type alluvionnaire pour leur faible teneur en calcaire. En effet, celle-ci doit être connue et ne doit pas être trop importante sinon le substrat serait attaqué par l’acidité des eaux usées. 
Le sable n’est pas utilisé ici puisque nous travaillons en eaux brutes. Les sables ne sont utilisés que pour des eaux prétraitées (décantées), donc en aval d’une fosse toutes eaux ou dans un deuxième étage de filtre planté de roseaux. La terre végétale n’est pas non plus utilisée d’une part car nous n’en avons pas l’utilité dans une filière en eaux brutes, d’autre part car sa mise en œuvre est techniquement complexe.
 

3.2. Etanchéité

L’étanchéité des bassins doit être fiable. Elle sert à protéger le milieu extérieur tant que le niveau de rejet souhaité n’est pas atteint, c’est-à-dire lorsque l’effluent a traversé la totalité de la filière. L’Agence de l’Eau impose que tout ce qui entre dans le système de traitement doit pouvoir être prélevé et analysé en sortie pour vérifier les performances épuratoires. 

Le dispositif d’étanchéité est conçu de façon à habiller intégralement le terrassement : étanchéité de fond et étanchéité latérale pour laquelle on réalise un ancrage en bordure pour assurer une bonne fixation. On utilise des géomembranes imperméables qui existent en différents matériaux : EPDM (caoutchouc synthétique), PEHD (polyéthylène haute densité), PP (polypropylène) ou encore PVC (polychlorure de vinyle). Nous préconisons des cellules étanches en PEHD pour l’étanchéité latérale et une géomembrane en EPDM pour l’étanchéité de fond. Bien qu’étant relativement coûteux, l’EPDM est un matériau microporeux, très souple et élastique et permet donc de bien épouser le sol. Nous éviterons le PVC car le chlore ne fait pas partie du cycle naturel (produit artificiel) et le PP car sa mise en œuvre est plus compliquée. 

Les géomembranes doivent être protégées du risque de poinçonnement (perforation par des racines ou des cailloux) et sont donc habillées par deux couches de géotextile en dessus et en dessous par souci de durabilité. Ceci constitue ce que l’on appelle le « complexe d’étanchéité ».  

 

3.3. Dégrilleur

L’installation d’un dégrilleur a pour objectif de protéger les ouvrages avals de la présence de gros déchets (limitation des dépôts dans les ouvrages de bâchées et d’alimentation des filtres). Cependant, ce dispositif ne nous semble pas indispensable dans le cadre d’un éco-village dans la mesure où les habitants seront responsabilisés vis-à-vis de leur système d’épuration dans lequel de gros déchets ne devraient pas être introduits.
 

3.4. Siphon auto amorçant

L’alimentation est effectuée par bâchées grâce à un siphon auto amorçant, c'est-à-dire que l’effluent est collecté dans cet ouvrage jusqu’à atteindre un certain niveau suffisant avant d’être évacué automatiquement dans le filtre. Ce dispositif permet donc la création d’une « chasse d’eau » alimentant sur un temps très court la surface du massif sélectionné.
Ce système d’alimentation par bâchées permet à la fois d’assurer la bonne répartition de l’effluent sur le massif (et d’éviter tout colmatage) grâce à une charge hydraulique importante mais aussi de permettre la diffusion de l’oxygène dans le massif. En cas de défaut de fonctionnement, l’effluent est alors alimenté en continu et cela perturbe fortement l’efficacité du système.

Il est important de noter  que les dépôts sédimentant dans cet ouvrage sont source de fermentation et provoquent des problématiques de sécurité (H2S), de corrosion et d’odeur (nuisances). Le volume et la fréquence des bâchées doivent donc être calculés soigneusement de manière à éviter un temps de séjour trop important, et donc une stagnation trop longue des eaux dans cet ouvrage. 

 

3.5. Dispositif d’alternance

Le dispositif d’alternance permet de sélectionner manuellement le massif qui va être utilisé pendant que les autres sont au repos. L’alternance d’alimentation des filtres verticaux doit être régulière et le manque de rigueur quant à ce suivi est doublement dommageable car il conduit à surcharger le filtre qui aurait dû être mis au repos et cause des carences en eau pour les plantes, mais aussi en eau et en éléments nutritifs pour la biomasse.

 

3.6. Distribution des effluents sur les massifs filtrants

Les canalisations d’alimentation sont placées à environ 40 cm au dessus de la surface des filtres pour prévoir l’espace de la couche de matières accumulées qui peut atteindre une hauteur de 15 à 20 cm jusqu’au moment du curage (environ 1 cm par an). Une plaque de béton est placée juste en dessous du point d’alimentation pour casser le flux et permettre une distribution de l’eau la plus homogène possible dans tout le filtre. On dispose également du gros gravier sur un cercle d’environ un mètre de diamètre autour de la plaque en béton pour éviter que le lit ne soit creusé par le jet d’eau (zone anti affouillement).  

Pour les filtres d’une dimension inférieure à 50 m² (ce qui est notre cas), un seul point d’alimentation par filtre, placé au centre, suffit à assurer une distribution homogène des effluents dans tout le massif filtrant. Tout déséquilibre de cette répartition entrainerait une perturbation des performances de traitement. 

 

3.7. Système de drainage

Il est important de noter que le fond du filtre n’est pas plat : une pente de 10 cm permet de faire circuler les effluents vers la sortie. Un système de drainage au fond du lit permet ensuite la collecte des eaux traitées en sortie ainsi que la circulation d’air dans tout le filtre (par convection naturelle – effet « Venturi »). On a une cheminée d’aération en position haute et une prise d’air en point bas. Il convient d’espacer les drains de deux mètres environ : nous en placerons donc deux dans la longueur du filtre. Ces tubes, en PVC, ont un diamètre de 160 millimètres, c’est pourquoi la couche de gravier 20/40 en fond de filtre est d’une épaisseur de 20 cm pour recouvrir ces canalisations. 
 

3.8. Fossé filtrant

A la suite du FPRV, le traitement des effluents est poursuivi par un fossé filtrant (également étanchéisé) qui permet de garantir et de fiabiliser dans la durée un bon niveau de rejet. Il est constitué de gravier sur 30 cm de profondeur où l’on irrigue des plantes (ornementales, semi-aquatiques...) ayant la particularité de capter les matières fines autour de leurs racines. De temps en temps, il faut « peler le tapis » de plantes et le secouer pour enlever la matière organique que l’on place sur le côté du fossé en couverture de sol.  Ce fossé permet également d’éviter le lâché de zooglées provenant du filtre (déchets de bactéries) directement dans le milieu naturel. Le fossé est dimensionné à 0,5m/EH et fait donc 25 mètres de longueur. 
 

3.9. Point de prélèvement en sortie de filière

Il convient de prévoir une chute de la ligne d’eau d’environ 20 cm en sortie du fossé filtrant pour permettre le prélèvement des rejets, qui peut être effectué grâce à un godet. 
 

Profil hydraulique

  Le profil hydraulique est très important à déterminer. On utilise le dénivelé afin d’assurer une pente minimum entre chaque ouvrage. Ceci permet de garantir un débit de service minimum, notamment pour l’alimentation et pour l’autocurage des canalisations. 

Nous avons représenté le fil d’eau tout au long de la filière sur le schéma du profil hydraulique (figure 3). 

 
 

Figure 3 : Profil hydraulique tout au long de la filière

 

On doit assurer le dénivelé suivant :
- 2,20 m entre le fil d’eau d’entrée (au niveau du dispositif d’alimentation) et la surface du lit ;
- 0,80 m entre la surface du lit et le regard de sortie du lit ;
- 0,05 m entre le regard du lit et le fossé filtrant (ces deux points sont séparés de 10 mètres linéaire et le dénivelé doit être d’au moins 0,5 cm par mètre linéaire, on obtient donc bien 5 cm) ;
- 0,15 m de dénivelé sur la longueur du fossé filtrant (celui-ci mesure 25 mètres de longueur, à raison de 0,5 cm de dénivelé par mètre linéaire, on obtient 12,5 cm, arrondi à 15 cm) ;
- 0,20 m nécessaires pour un point de prélèvement avec chute à la sortie du fossé filtrant.
Au total, un dénivelé de 3,40 m est nécessaire entre fil d’eau d’entrée et d’arrivée.
  
 

3.10. Dispositifs annexes et considérations diverses

La canalisation d’alimentation du filtre est recouverte par environ 30 cm de terre. On réserve une garde hydraulique de 20 cm en haut du filtre de sorte à ce qu’il ne déborde pas en cas de pointe hydraulique forte.

Chaque habitation est raccordée à un collecteur principal (canalisations de diamètre 160 millimètres) grâce à des boîtes de branchement individuelles. Il n’est pas nécessaire de prévoir l’installation d’un déversoir d’orage puisque notre réseau est séparatif.

L’installation d’une clôture est obligatoire pour des raisons de sécurité. Elle doit s’élever à une hauteur de 1,5 mètre pour une installation privée. Il faut prévoir de réserver 3 mètres tout autour du filtre afin de laisser un passage pour la pelle mécanique lors du terrassement.

En cas d’absence prolongée des résidents, l’alimentation du filtre peut être insuffisante, ce qui serait défavorable pour les roseaux. On peut donc placer des vannes en amont et aval du bassin que l’on fermera afin de garder le système en eau.

La filière étudiée est conçue avec des « filtres à compost ». Tous les 15 à 20 ans, lors du curage, les matières sont placées sur le bord du filtre, ainsi que les roseaux lors du faucardage une fois par an.  Ce mélange de matière azotée et carbonée aboutit à un compost de très bonne qualité.

 
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4. Plans

Figure 4 : Représentation de la filière complète sur le plan de masse
 
 

Figure 5 : Vue de dessus du filtre planté de roseaux à écoulement vertical
 
 

Figures 6 et 7 : Coupe longitudinale et coupe transversale du filtre planté de roseaux à écoulement vertical
 
 

 Figure 8 : Coupe longitudinale du filtre planté de roseaux à écoulement vertical : disposition des cellules en PEHD
  
 
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5. Performances épuratoires

Il est important de noter que le bon fonctionnement du dispositif d’alimentation par bâchées, la sélection des bonnes durées d’alimentation/repos par filtre ainsi que la bonne répartition de l’eau sur le massif sont des points clés pour la garantie des bonnes performances de la filière. Le système fonctionne dès sa mise en route, mais le rendement devient optimal au bout de trois à quatre mois. 
Voici quelques valeurs de rejets obtenus en sortie d’une des filières installées par Epurscop (pour 500 EH) :
- DBO5 < 3 mg/L (avec 30 mg/L en entrée ; soit environ 90 % de rendement) ;
- DCO < 30 mg/L ;
- MES < 2 mg/L ;
- NTK < 1,4 mg/L en moyenne.

  Ces résultats sont valables uniquement pour la station concernée, et chaque installation aura ses propres rendements mais on peut considérer que les performances épuratoires restent aux alentours des valeurs citées ci-dessus. 

Les roseaux contribuent à l’élimination de l’azote et de phosphore pour la synthèse de leurs cellules. Ce mécanisme est cependant minime comparé aux rendements globaux.
 
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6. Evaluation économique

Pour déterminer le coût de revient total de la filière dimensionnée, nous avons travaillé en collaboration avec M. Boussard de la société Epurscop (issue de l’expérience de la société Epur Nature). Le coût total s’élève à 50 000 euros TTC, soit 1000 euros / EH. Il comprend tous les travaux relatifs à l’installation de la filière ainsi que tous les ouvrages et équipements annexes, comme nous pouvons le voir dans le chiffrage détaillé (figure 9).
 
 

 


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