Fiche ressource n 1 : l épuration de l eau

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1 Dossier Épuration lagunage Fiche ressource n 1 : l épuration de l eau ASCO TP SOMMAIRE 1) Les systèmes d épuration des eaux usées adaptés aux petites collectivités 2) Les techniques d épuration des eaux 3) Le principe de l épuration biologique Les systèmes d épuration des eaux usées adaptés aux petites collectivités : Les communes ont l obligation de prendre en charge l assainissement des eaux usées domestiques des habitations. En effet, les eaux d égout des collectivités rurales doivent comme celles des villes être épurées avant leur rejet dans le milieu naturel : ruisseaux, rivières, lacs. Cette épuration se fait dans des stations d épuration à l aide de bactéries qui détruisent la pollution avant qu elle ne soit rejetée. Elles transforment cette pollution en un sous-produit appelé «boues» qui sont ensuite épandues comme engrais et matière organique sur les terrains agricoles. Les stations d épuration classiques que l on rencontre dans des villes nécessitent une forte technicité et une exploitation complexe qui induit des coûts de personnel et d énergie élevés. En particulier, l évacuation régulière des boues est une contrainte forte qui, si elle n est pas respectée, peut conduire au dysfonctionnement de l installation et donc à un rejet de la pollution mal traitée. Les stations d épuration conçues selon le principe des «lagunes d épuration» constituent une solution intéressante pour le milieu rural et sont adoptées depuis plusieurs dizaines années par de nombreuses collectivités. Elles représentent environ 20 % de l effectif des stations. Les techniques d épuration des eaux : L épuration des eaux est un ensemble de techniques qui consistent à purifier l eau pour recycler les eaux usées dans le milieu naturel. Page 1 sur 15

2 Dossier Épuration lagunage Il existe deux techniques principales d épuration des eaux : ASCO TP Les procédés biologiques : par exemple le lagunage qui utilise des systèmes naturels d épuration et de filtration par des micro-organismes, des algues et des plantes aquatiques pour dégrader la pollution. Les procédés physico-chimiques : par exemple la station d épuration qui utilise des moyens physiques (décantation, flottation, filtres) et des produits chimiques (coagulants, floculants, comme le chlore). Le principe de l épuration biologique : L épuration biologique repose essentiellement sur la dégradation de la matière organique contenue dans les eaux usées par une chaîne alimentaire de micro-organismes colonisant successivement les différents bassins et se livrant à des phénomènes de prédation. Le lagunage naturel repose sur une culture bactérienne principalement de type aérobie. Celle-ci est ensuite séparée par un mécanisme de sédimentation. L épuration est assurée par un long temps de séjour dans plusieurs bassins en série. Le mécanisme de base est la photosynthèse. La tranche d eau supérieure est exposée à la lumière et cela permet l apparition d algues qui produisent le dioxygène nécessaire au développement des bactéries aérobies. Ces dernières sont responsables de la dégradation de la matière organique. Le dioxyde de carbone formé par les bactéries ainsi que les sels minéraux contenus dans les eaux usées permettent aux algues (les microphytes) de se multiplier. En fond de bassin, il n y a pas de lumière, ce sont donc les bactéries anaérobies qui dégradent les sédiments issus de la décantation de la matière organique. Cette dégradation entraîne un dégagement de dioxyde de carbone et de méthane. En fait, l épuration repose sur la présence équilibrée de bactéries aérobies en culture libres et d algues. La lagune représente un écosystème : * Les producteurs primaires : Les végétaux microscopiques (phytoplancton) et macroscopiques (algues, roseaux) utilisent la lumière du soleil, le dioxyde de carbone ainsi qu une partie de la pollution apportée par les eaux usées pour fabriquer leur propre biomasse. Ils libèrent du dioxygène par ce processus, ce qui autorise l activité épuratrice des organismes aérobies. Page 2 sur 15

3 Dossier Épuration lagunage ASCO TP * Les herbivores (zooplancton et animaux supérieurs) qui endiguent la prolifération des végétaux. * Les consommateurs primaires (bactéries) qui profitent de l oxygénation du milieu pour dégrader la quasi-totalité de la pollution organique. L épuration s accompagne de la libération de composés minéraux et de dioxyde de carbone, consommés par les végétaux. * Les carnivores (zooplancton et animaux) et les prédateurs qui participent à l épuration par la consommation des herbivores et des consommateurs primaires. * Les détrivores : (champignons et bactéries) qui s alimentent des matières organiques et participent ainsi à la minéralisation des sédiments. * La faune a plusieurs rôles : l épuration de l eau directement, la consommation de végétaux, la prédation qui régule la flore microscopique et macroscopique. * La microflore est composée de bactéries aérobies ou anaérobies et d algues microscopiques. Les algues ont une activité photosynthétique entraînant une consommation de dioxyde de carbone et une production de dioxygène. Elles permettent d assurer une partie de l épuration des matières azotées et phosphorées. * La macroflore constituée d algues macroscopiques et de végétaux supérieurs est le support d une partie de la microflore. Elle sert à absorber une partie de la pollution contenue dans l eau, à filtrer le milieu, à libérer du dioxygène, et offrir un refuge au zooplancton, aux larves d insectes, aux invertébrés. * Les petits crustacés tels que les daphnies, jouent un rôle essentiel dans la clarification de l effluent traité. Leur efficacité est amplifiée lors de la présence de macrophytes. Page 3 sur 15

4 Fiche ressource n 2 : la technique du lagunage SOMMAIRE 1) Le lagunage naturel 2) Les différents types de lagunes 3) Les avantages et les inconvénients du lagunage écologique Le lagunage naturel : Le lagunage écologique est la reconstitution fidèle des écosystèmes aquatiques épuratoires, caractéristiques des eaux stagnantes, que l on agence correctement l un après l autre. Une station de lagunage est donc une succession de bassins de rétention peu profonds dans lesquels l eau s écoule lentement par gravité. Dans chacun de ces bassins, stagne une tranche d eau où évolue un écosystème particulier. Les eaux usées collectées par vos égouts sont acheminées vers le lagunage. Avant de se déverser dans le bassin A, ces eaux sont débarrassées des gros objets, des sables et des graviers, des huiles et des graisses, grâce à divers procédés. Arrivées dans le bassin A, les matières organiques vont se séparer en deux catégories : * celles qui vont se déposer dans le fond du bassin et qui seront mangées par des bactéries de fond ; * Celles qui resteront en suspension dans l eau et qui seront mangées par des bactéries de pleine eau. La digestion des premières bactéries produit des sels nutritifs et des gaz de digestion ( méthane, hydrogène sulfuré). Les sels nutritifs restent sur place et les gaz s évaporent. Quant aux secondes bactéries, elles produisent des sels minéraux et du gaz carbonique. Dans le bassin B, l eau arrive donc chargée de ces bactéries de pleine eau, productrices de gaz carbonique et de sels minéraux. Les sels minéraux et le gaz carbonique rencontrent de minuscules algues (phytoplancton) qu ils nourrissent sous l action du soleil. Il se dégage alors de l oxygène et les algues se multiplient. Le bassin C lui accueille le reste des bactéries de pleine eau, des sels minéraux restant et les minuscules algues. Ce milieu est favorable au développement de microscopiques animaux (zooplancton) qui vont se nourrir des bactéries et de ces algues, et respirent grâce à l oxygène produit par celles-ci. Page 4 sur 15

5 Au bout d un cycle qui dure environ 80 jours, est rejeté dans la rivière ce riche plancton dans une eau épurée à 99,99 %. Les différents types de lagunes : * Le bassin à microphyte (lagunes n 1 et n 2) Dans ce bassin, on y trouve les bactéries et les algues microscopiques. La minéralisation de la matière organique soluble en suspension est assurée par les bactéries qui la transforme en eau, gaz carbonique, nitrates et phosphates. Ces composés vont être assimilés par les algues qui grâce à la lumière du soleil vont effectuer la photosynthèse pour assurer leur métabolisme et libérer de l oxygène pour la vie des bactéries. Cette photosynthèse aboutit à la production de biomasse dans laquelle sont captés les composés organiques et les minéraux qui sont en excès dans l eau. L eau est ainsi épurée. Les eaux restent environ 50 jours dans ce bassin. Pour que le bassin soit efficace, il faut que les surfaces soient larges et peu profondes. * Le bassin à macrophyte (lagune n 3) La lagune est caractérisée par la présence abondante de végétaux (macrophytes). Ces plantes (des roseaux, des massettes, des joncs, des iris, des aulnes) sont réputées par leurs capacités épuratives. Ces plantes ont la capacité à la fois de transformer la matière organique et de fixer les métaux lourds et produits dérivées des détergents. L apparition de zooplancton (daphnies, cyclopes) permet d améliorer la filtration de l eau. Il s établit ainsi des chaînes alimentaires Page 5 sur 15

6 entre les bactéries, le phytoplancton, le zooplancton et les végétaux. Les eaux vont rester environ 40 jours dans ce bassin. Le bassin ne doit pas dépasser 1 mètre de profondeur, et il faut prévoir une hauteur de gravier où se trouvent les plantes. Les avantages : Les avantages et les inconvénients du lagunage écologique : Le lagunage est un procédé rustique, écologique, fiable et peu onéreux avec des résultats hautement satisfaisants en matière de décontamination. Il présente quatre avantages particuliers : en termes d économie, d écologie, d aménagement du territoire et de pédagogie. D un point de vue économique, les stations de lagunage coûtent 1/3 moins cher qu une station classique mais la rentabilité est surtout visible pour l entretien : moins coûteux, absence de consommation d énergie et de produits chimiques, ne demandant pas de personnel qualifié. Ecologiquement parlant, les bassins de lagunage développent tout un écosystème : les végétaux aquatiques servent ainsi de support et de nourriture à une faune nombreuse, qui contribue à accroître la biodiversité du secteur. Alors que les communes rurales sont de plus en plus attentives à l aménagement de leur territoire, ce type d assainissement assure une intégration parfaite dans le contexte paysager : champs, étang communal, etc. Enfin, un bassin de lagunage peut servir de support à des sujets de pédagogie très diversifiés : l eau, l assainissement, la faune et la flore aquatiques. Page 6 sur 15

7 Les inconvénients : Le seul inconvénient est son emprise foncière : il est en effet indispensable de trouver une surface de terrain suffisante puis de l adapter aux conditions de lagunage spécifiques (terrain imperméable, étanchéité des bassins). Page 7 sur 15

8 Fiche ressource n 3 : la technique d une lagune SOMMAIRE 1) Etudes préalables 2) Etudes sur le terrain 3) Nombre de lagunes 4) Taille et forme des lagunes 5) Aménagement des bassins 6) Ouvrages à construire Etudes préalables : Il n existe pas de modèle standard quant à la réalisation d un système d épuration par lagunage. Il faut concevoir une station «à la carte» après détermination des facteurs du milieu que sont les effluents à traiter, les facteurs climatiques et le milieu récepteur dans lequel va s écouler l eau assainie en fin de lagunage. * les effluents : Différents facteurs sont à prendre en compte : o La population : elle doit être définie précisément sur un terme de ans. o Le débit : à mesurer précisément, il est de l ordre de 150 à 200 litres/habitant/jour. * Les facteurs climatiques : Les températures et les durées d ensoleillement jouent un rôle essentiel. o En milieu tropical, on trouve en tête de station de lagunage, une fosse profonde de décantation. o La direction des vents ( qui favorise l oxygénation ), l évaporation ( parfois intense, elle augmente la concentration en charge organique ), la pluviométrie doivent être étudiées afin de prévoir une gestion correcte de la station. Page 8 sur 15

9 Etudes sur le terrain : Après les études sur la détermination des charges polluantes à traiter et sur les facteurs climatiques, des études sur le terrain doivent être réalisées : * topographiques ( site à aménager ) * géologiques ( nature du terrain, présence de nappes phréatiques ) * géotechniques ( qualité des matériaux, teneur en eau, niveau de la nappe ) * hydrogéologiques. Tous ces critères doivent permettre de bien dimensionner l installation : * surfaces et formes des bassins * profondeur de l eau * limite de pénétration de la lumière * construction des digues * parfaite étanchéité des bassins. Nombre de lagunes : Il est préconisé de disposer de trois lagunes pour assurer un bon niveau de fiabilité du traitement. Si l objectif de rejet comprend la désinfection, le nombre de lagunes peut être augmenté. Taille et forme des lagunes : L épuration des eaux usées dans des lagunes est un procédé à grande surface. La profondeur des lagunes sera en fonction du relief du sol, de 0,5 m à 1,5 m pour qu une aération artificielle ne soit pas nécessaire. Les lagunes sont généralement construites sous forme de bassins de terre, pourvus de talus ayant une pente d un tiers. Les bassins sont généralement rectangulaires. Les lagunes doivent être situées en un point bas où les vents dominants contribuent à aérer la tranche d eau superficielle. Page 9 sur 15

10 Aménagement des bassins : L étanchéité des bassins est très importante afin d éviter la pollution de la nappe phréatique. A défaut d imperméabilité naturelle, il faut prévoir des travaux d étanchéité comme le compactage, le traitement de sol ou la pose d une géo-membrane. Le terrain idéal est de type limono-argileux. Le sous-sol ne doit en aucun cas être karstique ou fissuré. Les bassins de lagunage peuvent être réalisés de plusieurs manières : * soit par creusement et évacuation des déblais * soit par creusement et par endiguement * soit par création de digues ceinturant le terrain simplement décapé. On commence par retirer, à la pelle mécanique, une couche d environ 80 à 90 cm de terre. Vient ensuite la phase d imperméabilisation. Voici trois techniques pour imperméabiliser les bassins : * usage de blocs creux et armés, que l on a rempli de béton et qu on assemble comme des légos, on les dressera sur une semelle de béton armé d une épaisseur de 20 cm. * Usage de membranes plastiques traitées pour résister aux rayons UV, d une épaisseur de 1 cm. Pour la protéger contre les objets tranchants, on dispose au fond du sable. * Usage de polyester qui offre une excellente garantie de durabilité. Il faut ensuite effectuer rapidement la mise en eau des ouvrages pour pérenniser la perméabilité ( empêcher le risque de fissures et de développement de la végétation dans le sol ), vérifier l étanchéité et favoriser la mise en place de l écosystème. Page 10 sur 15

11 Les Ouvrages à construire : En tête de dispositif, on construira un ouvrage de pré traitement : il permet d affiner l effluent à son arrivée dans la première lagune, étant constitué d un dégrillage, d un dessablage et de déshuilage. Entre les bassins, on construira des ouvrages de communication : on prévoira une légère déclivité entre les bassins afin que l eau s écoule par gravité plutôt que par pompage. L écoulement d un bassin à l autre se fera donc par trop-plein. Il faut prévoir des liaisons entre les bassins pour bloquer les lentilles d eau ou autres flottants. Il est donc nécessaire de prévoir un by-pass (pontage) de chaque bassin pour faciliter les opérations de vidange et de curage. Par ailleurs, le passage trop rapide de l eau d un bassin à un autre sera évité en aménageant des lagunes au moins deux fois plus longues que larges. En plus, on placera des cloisons à l intérieur des bassins pour obliger l eau à adapter un chemin en labyrinthe. Ces cloisons peuvent être en panneaux agglomérés. Là où des plantes seront implantées, il faudra qu un substrat leur permette de s enraciner. Il faudra donc au moins 30 cm d épaisseur de gravier rond de calibre mm dans lequel l eau à épurer pourra circuler. Pour prévenir l érosion par la dégradation due aux rongeurs, il est conseillé d engazonner les berges avant la mise en eau ou d employer des dalles autobloquantes pour protéger les berges. Les abords doivent être conçus pour permettre un entretien facile. Il est conseillé de ne planter aucun arbre à moins de 10 mètres, à cause de leurs racines qui pourraient endommager la lagune, de l ombre qui pourrait gêner la photosynthèse. Page 11 sur 15

12 Fiche élève n 1 : L épuration des eaux et la technique du lagunage Mise en situation : Suite à la visite d une station d épuration d eau ou dans le cadre d un projet sur le développement durable et l utilisation de l eau par l homme, la classe a été choisie pour réaliser une exposition au CDI sur l épuration de l eau et la construction d une station de lagunage écologique. Pour cela, on vous demande de préparer des panneaux sur les travaux de construction d un lagunage : * en introduction, vous présenterez les différentes techniques d épuration des eaux ; * puis vous présenterez succinctement le principe de l épuration biologique par lagunage ; * vous présenterez les différentes techniques d épuration par lagunage ; * vous présenterez l aménagement d un lagunage ; * vous présenterez les moyens mis en œuvre pour réaliser le lagunage, les matériels et les métiers nécessaires. Exercice n 1 : Répondre aux questions suivantes en vous aidant des fiches ressources : * Question n 1 : Quel est le devoir des collectivités dans l assainissement des communes? * Question n 2 : Quelles sont les différences entre une station d épuration et une station de lagunage? * Question n 3 : Quel est le rôle des espèces suivantes dans une lagune? o Phytoplancton : o Les algues : o Les roseaux : o Zooplancton : * Question n 4 : Quel est le rôle de la photosynthèse dans une lagune à microphytes? * Question n 5 : Quelles sont les caractéristiques d une lagune (forme, dimension, écoulement de l eau, sol)? Page 12 sur 15

13 * Question n 6 : Quels sont les avantages pour une commune rurale d avoir une station de lagunage? Exercice n 2 : A l aide du document élève sur le principe de fonctionnement d une station de lagunage, compléter le schéma avec les noms des bassins, la composition des bassins et en expliquant le principe de chaque lagune. Page 13 sur 15

14 Fiche élève n 2 : la construction d une lagune Exercice n 1 : A l aide des illustrations du document «construction d une lagune» et de la fiche ressource n 1, nommez et ordonnez les différentes étapes de la réalisation d une lagune ; vous préciserez les moyens mis en œuvre (main d œuvre, matériel, matériau). voir la fiche Illustrations sur la construction d une lagune Exercice n 2 : Découverte du TERRASSEMENT : A l aide des informations que vous trouverez sur le site vous allez découvrir les travaux de terrassement en répondant aux questions suivantes : * Qu est-ce que le terrassement? ( pour un lagunage par exemple ) * Quelles sont les techniques utilisées ( remblai, compactage )? * Quels matériaux sont utilisés lors d un terrassement? * Quels sont les engins de terrassement? Exercice n 3 : Découverte du métier de TERRASSIER : Vous réaliserez un diaporama présentant le métier de terrassier. Vous présenterez les réponses aux questions suivantes : Page 14 sur 15

15 * Quel travail effectue t-il? * Quelles sont les conditions de travail? * Quelle est sa formation? * Quelles sont ses qualités? * Quels matériels utilise t-il? Page 15 sur 15