Le lagunage naturel Catherine BOUTIN, Cemagref Lyon catherine.boutin@cemagref.fr Le lagunage naturel Processus Hydraulique (évolution des flux) Performances (NH 4 + ) Curage 1
Processus Équilibre biologique complexe Processus Euglènes Eaux usées + Bactéries boues + eau traitée oxygène O 2 Daphnie masse végétale + sels minéraux + CO 2 lumière (UV) masse végétale + O 2 2
Processus Évolution de l O 2 au cours de la journée 2 1 6 h 3 4 18 h 24 h Évolution diurne de la teneur en oxygène (d après Edeline 1970) 1 Courbe des radiations solaires reçues 2 Courbe de la production d O2 (intégrale de 1) 3 Respiration de la communauté 4 Profil d oxygène résultant (2-3) Lagunage naturel Oxygénation naturelle (par les microphytes) Fractionnement du traitement Maintien d'une hauteur d'eau (< 1,2 m) Surface utile totale de plans d'eau (6 + 2,5 + 2,5 = 11 m 2 /éq.hab.) 3
Les macrophytes en épuration d après Vymazal, 1998. Cultures libres Lagune utilisant des végétaux flottants. Lagune utilisant des végétaux submergés. Les macrophytes en épuration d après Vymazal, 1998. végétaux enracinés. Cultures libres Cultures fixées Cultures fixées 4
Le rôle des macrophytes réduction des MES par ombrage (moins d algues) ralentissement de la vitesse (meilleure décantation) réduction de la DCO dissoute par bactéries épiphytiques réduction de N par macrophytes pour leur développement réduction de P par macrophytes pour leur développement processus prouvés en laboratoire par la F U L (Arlon) Le rôle des macrophytes Comparaison de 3 eme bassin à macrophytes et à microphytes : Méthode : traitement statistique de données de terrain critiquées et jugées comme représentatives des données nationales Conclusion : aucune différence significative. En situation réelle, l apport des végétaux enracinés vis à vis de la qualité de l eau traitée n est pas quantifiable. Faucardage indispensable (maintien des conditions aérobies) MAIS très pénible. problèmes d exploitation du lagunage à macrophytes clairement identifiés 5
Macrophytes et lagunage Le lagunage à macrophytes n est plus recommandé évacuation mécanique des végétaux Satese 38 Extrait, Racault et al 2004 Satese 38 Le lagunage naturel Processus Hydraulique (évolution( des flux) Performances (NH 4+ ) Curage 6
Hydraulique: Études de sol L aspect qualitatif du sol : hydrogéologie : nappe (niveau, protection,..) géotechnique : hétérogénéité, texture, Étude de perméabilité nécessaire : (V eaux usées + V pluie ) > (V infiltration + V évaporation ) K= 10-8 m.s -1 Si K < 10-8 m.s -1 : étanchéité naturelle suffisante Si 10-8 m.s -1 < K < 10-6 m.s -1 : mesures complémentaires pour possibilité d atteindre 10-8 m.s -1 Si K >10-6 m.s -1 : étanchéité artificielle indispensable Nécessité d une bonne mise en oeuvre exemple: 1000 hab à 150 L/j/EH taux de raccordement = 75 % pluie : 0 mm/j évaporation = 5 mm/j (été) BILAN: (eaux usées + pluie) > (évaporation + infiltration) eaux usées : 1000 x 0,150 m 3 /j x 0,75 = 112,5 m 3 /j surface des plans d'eau = 11 000 m 2 évaporation = 5 10-3 x 11 10 3 = 55 m 3 /j infiltration maxi : q < 112,5 55 = 57,5 m 3 /j Kmax = Q/S = 57,5 / 11000 = 6,05 10-8 m/s on néglige l infiltration dans les pentes dans une première approche C est pourquoi K < 10-8 m/s 7
Nécessité d une bonne mise en oeuvre Si BON compactage Infiltration = KS = 10-8 S = 9,5 m 3 /j Q sortie = 112,5-55 - 9,5 = 48 m 3 /j Si MAUVAIS compactage sur 5% de la surface totale et maintien de la perméabilité initiale à 10-6 m/s Infiltration = KS = 10-8 x(0,95s) + 10-6 x(0,05s) = 0,9510-8 S + 510-8 S = 5,9510-8 S = 56 m 3 /j Q sortie = 112,5-55 - 56 = 1,5 m 3 /j SINON!!!! Réalisation soignée Mesures de K 8
Le lagunage naturel Processus Hydraulique (évolution des flux) Performances (NH( 4+ ) Curage Objectifs de qualité européen et français ancienne version Charge > 120kgDBO 5.j 5.j -1-1 Législation française (Arrêté (Arrêté du du 22 22 dec1994) et et européenne DCO filtré -1 filtré =120 mg.l -1 MES = 150 mg.l-1 Charge < 120 120 kgdbo 5.j 5.j -1-1 Législation française (circulaire 17 17 février février 1997 1997 )) niveau D3 D3 Rendement en en flux :: 60% 60% pour pour DCO et et N-NK Extrait, Racault et al 2004 9
Objectifs de qualité européen et français nouvelle version Charge > 120kgDBO 5.j 5.j -1-1 Législation française (Arrêté (Arrêté du du 22 22 juin juin 2007) et et européenne DCO nonfiltré =125 nonfiltré mg.l -1-1 MES = (35) 150 mg.l -1-1 DBO 55 non non filtré =25 filtré mg.l -1-1 Charge < 120 120 kgdbo 5.j 5.j -1-1 Législation française (Arrêté (Arrêtédu du 22 22 juin juin 2007) 2007) Rendement en en flux :: 60% 60% sur sur DCO nonfiltré nonfiltré Valeurs incohérentes entre elles!!!!!! Extrait, Racault et al 2004 Performances en mg.l -1 DCO brute DCO filtrée DBO 5 brute DBO 5 filtrée MES NKj N-NH 4 Pt Tous réseaux Moyenne 162 99 43 23 60 22 14 8,5 Réseaux séparatifs Moyenne écart-type 198 109 61 123 44 53 24 24 57 69 17 25 15 17 8 10 Autres réseaux Moyenne 141 85 37 22 54 19 12 7,5 écart-type 69 37 26 18 41 11 9 6 étude Cemagref Bordeaux1995 à partir de 280 bilans en flux 10
Performances à partir des rendements en flux % Flux entrée Flux sortie R = -------------------------------- Flux entrée DCO MES NK Pt Moyenne 78 79 72 66 Écart type 16 20 23 24 Dans 90 % des cas, Rdt en DCO > 60 % Dans 50 % des cas, Rdt en DCO > 80 % étude Cemagref Bordeaux1995 à partir de 280 bilans en flux PERFORMANCES: évolution de N-NH4 + au cours d'une année N - NH4 (mg/l) 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Lag.2, N-NH4+ Lag.3, N-NH4+ Lag.1, N-NH4+ 20/09 04/11 19/12 02/02 18/03 02/05 16/06 31/07 14/09 29/10 Lagune de Saint Pierre d Aurillac: réseau séparatif ;45 % charge nominale Peu de variations dans L1 (Dysfonctionnement) Influences saisonnières très marquée sur L2 et L3 Décroissance au fil de l'eau des concentrations en hiver Extrait, 15 ans d exp 1997 11
Performances 45 40 35 hiver 1EH= 50gDBO 5.j -1 N-NH4 (mg/l) 30 25 20 15 10 été été hiver 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 charge organique en kg DBO/ha.j 18 m 2 /EH 11 m 2 /EH (TS=73j pour 150L/EH) (TS=60j pour 300L/EH) [N-NH + 4 ] en hiver = f(charge surfacique appliquée) Extrait, 15 ans d exp 1997 Performances: conclusion N N résiduel essentiellement = N-NH4 + NGL= N-NK Variations saisonnières très marquées : rapport = 10 hiver / été Rendement d'élimination = 60 et 70 % 178 lagunes à 50 % de charge nominale; âge < 4 ans concentrations été indépendantes âge et charge organique concentrations hiver dépendantes âge ou/et charge organique Meilleures performances obtenues pendant la période d'étiage Extrait, Racault et al 1996 12
Le lagunage naturel Processus Hydraulique (évolution des flux) Performances (NH 4+ ) Curage Curage des boues Curage: Opération lourde de faible fréquence A cause de sous-charge organique, le premier curage est retardé Enquête dans 5 départements Caractéristiques de l échantillon Environ 15% du parc de lagunage Taille moyenne : 590 EH Lagunes curées Mise en eau : entre 1977 à 1998 Correspond à 20 % du parc complet Extrait, Racault et al, 2004 13
Curage : résultats Statistiques à partir des données globales Age au curage Charge organique au curage Quantité extraite du 1 er Bassin Ans % cm cm.an 1 L.(eh) 1.an 1 Moyenne 13.1 91 25.5 2.05 111 Max 26 194 57 6.6 395 min 5 17 3 0.4 21 Écart-type 4 37 13.7 1.4 80 Nbre de valeurs 67 45 27 27 27 Extrait, Racault et al, 2004 Techniques de curage(1) Radeau spécialement équipé pour le curage Photo SATESE 38 Photo SATESE 38 Photo SATESE 38 Tonne à lisier Extrait, Racault et al, 2004 14
Techniques de curage(2) Lagune avec étanchéité naturelle Exemple de bulldozer des marais à larges chenilles Ratrack adapté pour pousser la boue Photo SATESE 38 Photo SATESE 38 Photo SATESE 38 Extrait, Racault et al, 2004 Coût du curage Moyenne MAX min Ecart-type Nombre de données Coût de l opération de curage HT.m -3 23.9 67 9.2 15 25 Coût annuel par EH HT.(EH) 1.an 1 3.2 12 0.2 2 26 Extrait, Racault et al, 2004 15
Le lagunage n est pas adapté aux effluents industriels et/ou concentrés Le lagunage présente un fort pouvoir tampon hydraulique mais.. Charges appliquées théorique et vraie en milieu rural Surface 1 ère lagune EH en milieu rural Charge sur la 1 ère lagune Théorique Vrai Théorique Vrai m 2.EH -1 g DBO 5.j -1 kg DBO 5. ha -1. j -1 Avant 1997 5 50 100 70 à 80 Après 1997 6 50 35 à 40 83 60 à 70 Surface augmentée jusqu à 7 m 2.EH -1 si réseau drainant + faible coût pour l étanchéification Extrait, Racault et al, 2004 16
Conclusion Nouveau dimensionnement depuis 1997 Hauteur d eau :1-1.2m pour limiter les zones anaérobies Forme de la 1 ere lagune: Ratio Longueur/ largeur 3 Extrait, 15ans d exp, 1997 Association lagunes / FPRv 2 possibilités d association en cas de réhabilitation de lagunes existantes 1- Accroissement de population FPRv amont + lagunes 2- Accroissement des exigences de qualité pour le milieu Lagunes + FPRv aval dans les 2 cas, on cherche à associer les capacités hydrauliques du lagunage et les performances des FPRv (MO et Nitrification) 17
1Accroissement de population: FPRv + lagune S totale des filtres = 1915 m 2 1 700EH S totale des lagunes = 9000 m 2 exemple de Gensac La Pallue (16) 1Accroissement de population: FPRv + lagunes Analyses réalisées sur échantillons bruts 120mg.L -1 Ts = environ 30 jours = environ 5m 2 /EH (h=1m et 1EH=150L) Mesures 1987-1994 18
1Accroissement de population: FPRv + lagunes Dimensionnement: 1,2 m².hab -1 de FPRv (1 er étage) + 5m².hab -1 de lagunes existantes transformées en lagunes de maturation Niveau de qualité du rejet = «D4» Contraintes hydrauliques similaires à celle d un FPRv classique «facilement réalisable» si accroissement de charge organique inférieur à 2,2. 2-Amélioration de qualité: Lagune et FPRv Suivi: Août 2003 - Juillet 2005 300 EH + volume eaux pluviales (150 l + 100 l /EH) Charge nominale : 75 m 3 /j (dont 45 m 3 /j d eaux usées) STEP d Aurignac dans le cadre d un projet LIFE 2002-2005 19
Étage de filtration 6 filtres de 50 m 2 Roulé, Concassé, Roulé planté de roseaux 2 hauteurs de matériaux (25 cm 65 cm) Période d alimentation/repos: 3,5j / 7 j Dimensionnement: 1 m 2 /hab Charge hydraulique théorique: 75 cm/j Extrait, Molle 2005 2-Amélioration de qualité: Lagune et FPRv Respect du niveau D4 pour l ensemble des filtres sur toute l étude Nitrification quasi totale Sécuritaire de travailler avec des filtres de plus de 25 cm de matériaux Concassé pas rédhibitoire mais demande plus de marge au dimensionnement Roseaux ou non? énorme avantage des roseaux pour la maintenance des filtres Concentration (mg/l) Concentracion (mg/l) 140 120 100 80 60 40 20 120 100 80 60 40 20 0 0 Niveau D4 C25 R25 M25 C65 R65 M65 C25 R25 M25 C65 R65 M65 DCO 96,9 79,8 80,0 76,4 59,3 57,7 MeS 26,3 17,8 17,1 19,7 17,8 9,8 NK 8,7 6,5 6,9 6,7 6,5 4,9 Extrait, Molle 2005 DCO DBO5 20
2-Amélioration de qualité : lagunes + FPRv Dimensionnement: (6 + 2,5) m².hab -1 de lagunes existantes + 1 m².hab -1 de FPRv (2 ème étage sable) à la place du 3 ème bassin de lagunage (ou à l aval de ce dernier) Q admis = 10 Qpts Lame d eau sur FPRv en fonctionnement = 80cm Niveau de qualité du rejet = «D4» Contraintes d exploitation similaires à celle d un FPRv classique 21
Proposition de rehabilitation de lagunes existantes Combien de lagunes? 6 m 2 /EH Lagune de tête classique et création avec 2 lagunes Pour curage du bassin 1 2,5 m 2 /EH 1 m 2 /EH Lagune 2 classique Filtres plantés roulés ou concassés h=40 cm (ou 25cm) Pour NK <15mg.L -1 Pour objectifs sanitaires Nouvelle filière: 1 lagune + FPRv Dimensionnement: 1 zone de décantation des boues primaires et pompage quotidien 6 m².hab -1 de lagune avec marnage de 40-50cm + 1 m².hab -1 de FPRv Lits de séchage de boues (40kgMS/m²/an) Hydraulique admis à l aval d un réseau unitaire : 10Qpts Contraintes d exploitation similaires à celle d un FPRv classique Niveau de qualité du rejet = «D4» Variante possible: + 2,5m². hab -1 de lagune intermédiaire pour Assurer un rejet de qualité au moment du curage Réduire la teneur en NGL 22
proposition de filière Combien de lagunes? 6 m 2 /EH 1m 2 /EH Décanteur + lits de séchage plantés Lagune de tête classique Filtres plantés roulés ou concassés h=40 cm sous réserve d une confirmation du rôle très positif du «décanteur» et de la mise en place de lits de séchage plantés de boues primaires Conclusion: lagunage Depuis 10 ans : déclin Petites communautés sont déjà équipées Accroissement des objectifs de qualité Désintérêt de la filière par certains consultants dans certaines zones Mauvaise expérience suite à un dimensionnement et/ou une exploitation inapproprié(s) Néanmoins, le lagunage reste un procédé très apprécié du monde rural Extrait, Racault et al, 2004 23
Conclusion Le lagunage fournit un rejet de «niveau D3» avec un très haut rendement en nutriments aux périodes de faible étiage Le lagunage présente des résultats plus fiables s il est alimenté par un effluent dilué En conséquence du taux de charge réduit, le premier curage est désormais à prévoir après 13 ans de fonctionnement. Les boues accumulées sont de l ordre de 110 L (EH) -1.an -1 Le coût du curage représenterait 2-3% du coût d investissement. 2 voies de réhabilitation possibles: (D3 D4) D4) et réseau r unitaire: 1lagune à 6m 2 /EH ou 2 lagunes à (6 + 2,5)m 2 /EH puis FPR à1m 2 /EH Dysfonctionnement et réseau «séparatif» : FPR à 1m 2 /EH puis lagunes 5m 2 /EH Exemple d un lagunage naturel en Allemagne Merci pour votre attention 24