Principe de fonctionnement d’un système classique d’assainissement

1° – VENTILATION

Il existe 2 types de ventilation :

–    la ventilation dite « Primaire » qui correspond à une entrée d’air pour éviter le retour des mauvaises odeurs ;

–    la ventilation dite « Secondaire » pour évacuer les gaz de fermentation liés au processus de méthanisation réalisés dans les boues à l’intérieur de la fosse en système anaérobie (sans apport d’oxygène). Cette ventilation est indispensable car les gaz de la fosse sont très corrosifs et risquent d’abimer les matériaux constituants de la fosse. De plus, du méthane apparait suite à la fermentation et s’il n’y a pas de ventilation secondaire, celui-ci peut remonter le long des canalisations et rentrer dans la maison or le méthane est extrêmement INFLAMMABLE.

2° – PRÉTRAITEMENT EN MILIEU ANAÉROBIE ET AÉROBIE : « LA FOSSE TOUTES EAUX »

Des processus physico-chimiques se produisent en général dans les fosses toutes eaux ou fosses sceptiques lors d’un processus de fermentation, afin de réduire au maximum la quantité d’effluents.

Parmi ces réactions, on compte :

–    La décantation : phénomène exercé juste avant le prétraitement ou pendant où la pesanteur et la poussée d’Archimède vont jouer un rôle majeur. En effet, les particules les plus denses (matières solides) vont être entraînées vers le fond de la fosse et vont pouvoir être retirées sous forme de boues représentant un peu moins de la moitié des effluents présents.

–    La liquéfaction : comme son nom l’indique,  elle liquéfie les matières solides afin que celles-ci soient traitées ultérieurement lors de l’épuration par épandage (étape de Traitement proprement dit). Il s’agit de réduire les boues formées par le biais de plusieurs réactions chimiques intermédiaires dont la finalité apporte une gazéification par production de méthane notamment. La 1ère réaction se trouve être,

    •    L’Hydrolyse au cours de laquelle des enzymes hydrolytiques (= bactéries) réduisent les particules solides en molécules moins complexes type monomères. Cette réaction est assez lente en général et peut être limitée pour certains effluents difficilement hydrolysables comme les graisses qui vont former d’ailleurs un chapeau de croûte dans la fosse.

    •    Suite à cette réaction, les molécules simples vont être consommées et transformées, de manière beaucoup plus rapide, essentiellement en acides organiques (surtout des Acides Gras Volatiles), en alcools, et les premiers gaz se forment comme le dioxyde de carbone ou encore l’hydrogène. Il y a donc une forte et rapide production des bactéries, impliquées dans cette étape dite acidogénése, qui vont agir sur les protéines, les sucres…

      •    L’acétogénèse est la 3ème phase permettant de transformer les composés précédents en acide acétique et encore une fois en gaz tel que l’hydrogène et le CO2. On retrouve des bactéries productrices d’hydrogène (bactéries syntrophiques) capables de produire de l’acétate et de l’hydrogène, des bactéries homo-acétogènes et des bactéries sulfato-réductrices qui vont consommer l’hydrogène, produit par les bactéries précédentes, et du CO2 pour former de l’acétate elles-aussi. Les bactéries homo-acétogénes sont très importantes car sans elles il y aurait une accumulation d’hydrogène et de ce fait l’acétogénèse ne fonctionnerait plus. Cette étape demande un certain temps pour s’effectuer.

     •     La méthanogénése est la réaction ultime qui utilise l’acide acétique comme substrat pour produire du biogaz (principalement du méthane). Ici, les bactéries productrices de méthane sont des bactéries très anciennes (=archéobactéries) et ont 2 types d’actions : il y a d’abord les bactéries acétoclastes qui utilisent l’acide acétique pour créer du méthane CH4 et du CO2 ; mais il y a aussi les bactéries hydrogénophiles qui réduisent le CO2 par l’hydrogène pour produire du CH4 et de l’eau d’où leur nom. Ces dernières présentent un temps de réaction rapide (quelques heures) contrairement aux acétoclastes (quelques jours).

On a estimé un temps de résidence des effluents de 3 à 6 jours dans la fosse toutes eaux suite au bon déroulement de toutes les réactions. Ces réactions agissent dans un milieu purement anaérobie (=sans apport d’oxygène) c’est-à-dire dans les boues formées en fond de fosse suite à la décantation. Il y a 0,05 kg de bactéries anaérobies, acteurs de plusieurs réductions, produites par kg de DCO (=Demande Chimique en Oxygène) éliminée soit 6 g de bactéries anaérobies créées dans la fosse par jour et par habitant sachant qu’un individu est associé à une DCO de 120 g par jour.  En revanche, la décantation se déroule dans un milieu aérobie dont le résultat des réactions d’oxydation est une production importante de boues avec environ 0,4 kg de microbes créés par kg de DCO éliminée soit environ 48 g de bactéries aérobies formées par habitant et par jour. Ce sont ces dernières réactions qui apportent le plus de chaleur.

De plus, des conditions de température et physico-chimiques sont à tenir compte pour un bon fonctionnement des bactéries. En effet, la fosse doit contenir une température de 20 à 50 °C environ ce qui est assez élevé avec un pH relativement neutre. Cette forte température est obtenue par un apport d’effluents chauds (ex : eau chaude), ou par le biais d’une teneur importante d’effluents à forte DCO. Ces effluents à fort DCO sont essentiellement les matières organiques.

Environ 550 litres de biogaz sont formés par kg de DCO éliminée or, un biogaz contient 60% de méthane et 40% de gaz carbonique, une fosse a besoin environ de 120 g de DCO par jour par habitant. En conclusion, un habitant participe à la production de 1 mètres cube de méthane, que l’on peut récupérer, en 25 jours environ ce qui revient à une énergie de 10 kWh d’électricité produite. On pourrait récupérer cette énergie par le biais de petits digesteurs.

Dans le cas des toilettes sèches, on conseillera l’utilisation d’un prétraitement en aérobie comme le système de micro-station avec le principe des boues activées.

3° – EPURATION BIOLOGIQUE : EPANDAGE SUR SOL

Le sol est un très bon système épurateur qui est constitué de 5 éléments importants : 20 à 50% d’eau, 10 à 25% d’air, 40 à 60% de matières minérales, et une petite part de matière organique. 80% des bactéries se trouvent dans les pores du sol où il y a un apport d’oxygène d’où une zone d’épandage qui doit être assez aérée.

– Traitement du Carbone :

Le milieu étant aéré (présence d’oxygène), de nombreux micro-organismes vont pouvoir proliférer et s’occuper des derniers déchets encore présents dans l’eau. On retrouve notamment des bactéries enzymes permettant aux polluants carbonés d’être oxydés en dioxyde de carbone qui va être soit stocké dans le sol, soit expulsé vers l’atmosphère, ou encore absorbé par le système racinaire des végétaux sous forme de sels minéraux comme le nitrate et le phosphate.

– Traitement des Nitrates :

Il faut savoir que les nitrates en eux-mêmes ne sont pas dangereux. En effet, c’est leur transformation en nitrites qui amène un risque considérable de pollution et de mauvaise santé pour l’Homme et plus particulièrement pour le nourrisson. C’est pour cela que le taux de nitrates dans l’eau potable a été réglementé et limité environ à 50 mg/L d’eau potable. Il est donc vivement conseillé d’utiliser un bon système d’assainissement pour éviter une ampleur de pollution et donc une augmentation du taux de nitrates. Les nitrates ne sont pas directement rejetés de la fosse mais ils proviennent de la transformation de l’azote rejeté en sortie de fosse.

En effet, on retrouve parmi les eaux domestiques 80% d’azote sous forme ammoniacale et 20% sous forme organique donc non toxique. L’élimination de l’ammoniac va se faire en 2 étapes à savoir :

Tout d’abord la Nitrification = réaction d’oxydation organisée par l’action de bactéries autotrophes (=besoin uniquement d’éléments minéraux comme « les Nitrosomonas ») en milieu aérobie où l’ammoniac est transformé en nitrites (nitritation) puis les nitrites NO2 donnent place aux nitrates NO3- grâce à la nitratation. Ces bactéries ont besoin d’environ 4,3 mg d’oxygène par mg d’ammoniac nitrifié. En revanche, ces bactéries ont un taux d’efficacité limité en fonction de la température. Plus la température est faible et moins les bactéries seront performantes.

Suite à cela, un processus de dénitrification (réaction de réduction) se produit où des bactéries hétérotrophes (=élaborent leur matière organique à partir de matières organiques déjà existantes) anaérobie facultatives, comme « les Pseudomonas », réduisent les nitrates en azote organique N à l’état gazeux pouvant être restitué à l’atmosphère. Ces bactéries utilisent les nitrates pour pouvoir respirer. Cette étape se déroule dans un milieu pauvre en oxygène donc lors de l’évacuation des eaux ou lorsque le sol est saturé en eau. Dans tous les cas, les massifs filtrants regroupent de petites zones d’anaérobie.

– Traitement des phosphates :

Cette partie est très importante et non négligeable car il semble que ce soit la principale cause d’eutrophisation (=dégradation d’un milieu aquatique).

En revanche, contrairement aux nitrates, les phosphates s’adsorbent beaucoup plus facilement aux particules du sol. Néanmoins, il existe toujours une fraction de phosphates qui pollue notre milieu. Il est vivement conseillé de ne pas prendre à la légère son système d’ANC, car environ 50% des rejets de phosphates proviennent des eaux usées issues de l’habitat ce qui est assez conséquent. En effet, on retrouve du phosphore dans l’alimentation et beaucoup de phosphates dans les produits de lessives et anticalcaires.

Le phosphore est un nutriment indispensable pour les organismes vivants mais, à très fortes doses, il devient polluant.

De plus, le phosphore présente une teneur plus forte en conditions acides, comme pour les sols type grès ou encore granite. Seulement 20% des phosphates est utilisé par les plantes, le reste est traité grâce aux bactéries du sol et notamment « Acinetobacter » qui accumule les polyphosphates (donc issues de lessives) dans ses tissus cellulaires. Ce stockage lui permet de survivre dans des conditions anaérobies étant donné qu’il s’agit d’une bactérie aérobie stricte. Lorsqu’il y a arrivée des eaux usées dans le sol, la bactérie se trouve dans des conditions anaérobies et survit par dégradation des polyphosphates stockés diminuant ainsi la teneur en phosphates dans l’eau usée.

REMARQUES

1° – Il est intéressant de noter que plus la granulométrie de notre massif filtrant est fine, petite ; et plus les performances des bactéries seront grandes.

2° – En revanche, les effluents ne sont pas éliminés complètement par ces processus et essentiellement les nitrates :

–    Seulement 25 % des nitrates sont éliminés par Dénitrification après Nitrification.

–   Le phosphore est éliminé de façon variable. Si le système d’épandage est garanti par un bon apport microbien, le phosphore peut être éliminé à 90%, mais si on se trouve sur un sol peu bactérien type argile, le phosphore sera détruit à 25%, ce qui est loin d’être intéressant d’où l’intérêt de mener une bonne étude de sol pour découvrir la nature du sol et envisager la meilleure solution possible.

–    Par contre, le carbone est assez bien traité puisqu’environ 90% du carbone est transformé en CO2.

3° – On peut noter aussi qu’un système épuratoire a tendance à se dégrader avec le temps.

On établit des massifs filtrants sur moins de 1 m de profondeur car le champ d’action des micro-organismes et bactéries se limite aux premiers centimètres du sol, mais dans ce cas pourquoi ne pas creuser uniquement à 20 voire 30 cm de profondeur ? La réponse à cette question dépend de la charge hydraulique. En effet, le milieu est saturé en surface lors de l’arrivée des effluents mais aussi en profondeur afin de permettre la phase d’écoulement par la suite. Et si la hauteur du massif est trop réduite, les 2 niveaux de saturation vont se rencontrer et créer ainsi un milieu défavorable pour des conditions aérobies.