Eaux usées

Les eaux usées, aussi appelées « effluents liquides » sont des « eaux polluées », constituées de toutes les eaux de nature à contaminer, par des polluants physiques, chimiques ou biologiques, les milieux dans lesquels elles sont déversées.

Vers 2015, environ 2,1 milliards de personnes avaient accès à des installations d’assainissement améliorées depuis 1990, mais 2,4 milliards en étaient privées et près d'un milliard de personnes dans le monde pratiquent encore la défécation en plein air.

En 2017 selon l'ONU dans les métropoles des pays émergents, à démographie élevée, un traitement défaillant des eaux usées est encore source de risques sanitaires graves (plus de 840 000 estimés en 2012). 70 % des eaux usées sont traitées en moyenne dans les pays à revenu élevé, mais seulement 8 % dans les pays en développement. Dans le monde, 80 % environ des eaux usées sont rejetées sans traitement bien que les petites unités décentralisés de traitement se développent avec des coûts de 20 à 50 % moindres que ceux des unités dites conventionnelles. Un enjeu majeur de la gestion des eaux usées est selon l'ONU de combiner la réduction à la source de la pollution, l’élimination des contaminants, et la réutilisation (sans danger) des eaux récupérées avec recyclage des sous-produits utiles, « composante essentielle d’une économie circulaire » car la « récupération des sous-produits peuvent générer de nouvelles opportunités d’affaires et permettre de récupérer de l’énergie, des nutriments, des métaux et d’autres sous-produits ».

Traitement des eaux à Cuxhaven, Allemagne.

Origines et dénominations des eaux usées

Ces eaux sont généralement formées du sous-produit d'une utilisation humaine (usage domestique, industriel, artisanal, agricole ou autre), d'où l’usage de l'expression « eaux usées ». Elles ont au passage été altérées et sont considérées comme polluées et devant être traitées avant rejet dans le milieu naturel.
L'origine des eaux usées est diverse ...

Eaux usées domestiques

• Eaux grises : ce sont des eaux peu chargées en matières toxiques ou à haut-risque du point de vue sanitaire, par exemple des eaux d'origine domestique, résultant du lavage de la vaisselle, des lessives, du lavage des mains, des bains ou des douches) ;
• Eaux-vannes ou Eaux noires : elles contiennent des matières polluantes ou plus difficiles à éliminer tels que des matières fécales, des produits cosmétiques, ou tout type de sous-produit industriel mélangé à l'eau ;
• Liquides manufacturés en surplus provenant de sources domestiques (boissons, huiles de cuisine, pesticides, huiles de graissage, liquides de peinture, de nettoyage, etc.).

Eaux usées industrielles

• Eau blanche de papeterie : résiduaire produite au cours de la fabrication du papier ;
• Évacuation d'installation de traitement d'eaux d'égout ;
• Eaux souterraines infiltrées dans le réseau d'égouts ;
• Entrée directe de liquides synthétiques (décharge illégale de pesticides, d'huiles usagées, etc.) ;
• Pertes industrielles ;
• Drainage industriel d'un site, etc.

Eaux usées agricoles

• Eaux blanches de laiterie : eaux de lavage des laiteries et des salles de traite contenant de divers détergents et des résidus de lait
• Eau de fumier.

Eaux pluviales et de ruissellement

• Eau pluviale : Précipitations collectées par les toits ou les trottoirs ;
• eaux de ruissellement : Il peut également s'agir d'eau de pluie ou de lavage, qui se sont écoulées sur des surfaces imperméables susceptibles d'être polluées : ainsi les eaux de ruissellement des parcs de stationnement ou des routes sont considérées comme des eaux usées par la présence de divers polluants comme les hydrocarbures ou les poussières d'usure des pneumatiques ;
  • Eaux de ruissellement urbain: eau issues du ruissellement urbain: routes, parkings, trottoirs: contient huiles, fèces animales, ordures, traces de carburant, résidus de caoutchouc, métaux provenant des gaz d'échappement des véhicules, etc. ;
  • Drainage des routes (huile, agents de dégivrage, résidus de caoutchouc) ;
  • Drainage de tempête (tout type de déchet liquide ou solide, y compris voitures, chariots, arbres, bétail, etc.). Voir aussi first flush.

Autres

• Entrées d'eau de mer (sel, micro-organismes, volumes élevés) ;
• Entrée directe d'eau de rivières (micro-organismes, volumes élevés).

Constituants indésirables

Les eaux usées contiennent divers polluants ou substances indésirables, que l'épuration de l'eau cherchera à biodégrader réduire et/ou éliminer.

Parmi ces constituants néfastes ou nuisant à une qualité de l'eau irréprochable figurent des métaux lourds et métalloïdes, des sels (phosphates (PO₄) et les nitrates (NO₃) principalement) et des polluants organiques tels que PCB (polychlorydebiphényl), résidus d'hydrocarbures, de médicaments humains et vétérinaires, de pesticides, des bactéries, virus, parasites, prions, ou autres micro-organismes indésirables, etc.

Indicateurs de qualité

Les indicateurs de qualité les plus courants sont la « demande biologique en oxygène » (DBO5) et la « demande chimique en oxygène » (DCO), ainsi que les « matières en suspension » (MES).

Ils sont mesurés dans les eaux usées en entrée de traitement ainsi que sur les eaux après traitement. Leurs abattements donnent le « rendement de l'épuration des eaux ».

Traitement

Dans la plupart des pays et en particulier dans les milieux urbanisés, les eaux usées sont collectées et acheminées par un réseau d'égout (ou réseau d'assainissement), soit jusqu'à une station de traitement, soit jusqu'à un site autonome de traitement.

Dans le cas d'habitat collectif, l'épuration de ces substances est assurée par des stations d'épuration d'effluents d'eaux usées. Lorsqu'il est impossible de raccorder l'habitat à un tel réseau, on installe un système d'assainissement non collectif autonome qui épure les eaux usées domestiques (du plus simple, comme les fosses septiques, aux plus efficaces, comme les micro-stations d'épuration ou les filtres compacts). Si ces installations n'existent pas, le milieu naturel recevant ces effluents n'est pas en mesure d'assurer son autoépuration. En milieu liquide, ce sont les micro organismes qui assurent l'épuration en bio-dégradant la matière organique contenue dans les eaux usées. En milieu naturel à l’air libre, la matière organique s’assèche par manque d'humidité selon les conditions du milieu considéré ; pour couvrir leurs besoins, les végétaux pompent toute l'humidité environnante, les failles du sous-sol laissent s'infiltrer par des veines de grosses quantités d'eaux usées.

L'épuration de l'eau usée dans le sous-sol s'effectue en compost par la fermentation. Travail beaucoup plus long et aléatoire : alors qu’un excès d'eau conduit à la pourriture du compost, une insuffisance l’assèche. La bactérie de biodégradation que l'on trouve en milieu liquide survit difficilement dans ce milieu fermé. De ce fait, une matière organique n'ayant pas subi de pré-traitement avant d'être envoyé dans le sous-sol risque de rapidement le colmater.

En situation autonome (fosses toutes eaux), les filtres à sable (tertre d'épandage) se colmatent très souvent au bout de plusieurs années d'utilisation, preuve que le sol n'a pas vocation d'épurer les eaux usées domestiques.

État des lieux, données

Selon l'ONU/Unesco, les données précises et à jour manquent encore, notamment dans les pays en développement.

« D’après une analyse récente, sur 181 pays, seuls 55 disposent d’informations sur la génération, le traitement et l’utilisation des eaux usées, et les autres ne disposent que d’informations partielles ou n’en ont pas du tout. Dans la majorité des pays qui en disposent, ces données sont obsolètes. Ces goulets d’étranglement en matière d’information entravent la recherche et le développement nécessaires pour la mise en place de technologies innovantes et l’adaptation des technologies existantes aux spécificités et besoins locaux »

Réutilisation

L’ONU et l'Unesco ont axé leur rapport annuel 2017 sur la mise en valeur des ressources en eau 2017 (WWDR 2017) sur le thème du réusage des eaux usées, rappelant que l'Agenda 2030 de l’ONU pour le développement durable, contient un ’objectif n^o 16 est consacré à l'eau et l'assainissement ; il est subdivisé en huit cibles (dont l’amélioration de la gestion des eaux usées via la réduction des pollutions à la source, le traitement des contaminants, la réutilisation des eaux traitées et la valorisation des sous-produits.

Il existe une réutilisation qui ne dit pas son nom. Dans toutes les régions dont le substrat géologique est perméable, une partie importante des effluents rejetés dans les cours d'eau percole dans la nappe sous-jacente ou riveraine (de mai à septembre notamment dans l'hémisphère nord, quand les nappes tendent naturellement à baisser) et sont ensuite repompés plus en aval pour la production d'eau potable.

Histoire des réusages des eaux usées

Autrefois divers excrétats humains ou animaux, les eaux usées et boues étaient utilisés en agriculture ou jardinage, parfois directement (y compris pour l'alimentation du bétail au Viet-Nam) sans précaution et c'est encore le cas dans certains pays.

Puis des législations ont cherché à limiter les risques de parasitoses, de diffusion de maladies hydriques et d'intoxication chronique et parfois en raison de phénomènes d'inacceptabilités socioculturelles ou religieuses ; selon les lieux et les époques, la réutilisation d'eaux usées est interdite ou soumise à certaines restrictions et autorisations, pour des raisons sanitaires (présence de germes pathogènes, de métaux lourds, de résidus de pesticides ou d'autres produits indésirables).

Cependant, l'importance des coûts de réseaux d'amenée des eaux pour l'alimentation des villes, jointe à celle de leur évacuation, qui va de pair avec la raréfaction des ressources en eau, conduit un peu partout dans le monde, et pas seulement dans les zones arides ou semi-arides, à considérer la question de la réutilisation des eaux usées, alors présentées comme « Ressource non conventionnelle ».

Dans certains pays où l'eau manque comme en Palestine ou en Jordanie et d'autres pays arabes, une agriculture sous contrainte hydrique cherche des eaux alternatives. À Gaza et en Palestine les eaux usées ont été ou sont encore utilisées pour les cultures maraichères avec comme conséquence des produits pollués par des métaux lourds et moins sûrs du point de vue microbien.

Le traitement classique des eaux usées vise généralement à les dépolluer suffisamment pour qu'elles n'altèrent pas la qualité du milieu naturel dans lequel elles seront finalement rejetées : rivières et mers.

L'agriculture permet théoriquement la réutilisation de certaines eaux usées après un traitement minimal (l'eau n'est pas potable, mais peut servir à l'irrigation) (voir aussi « L'irrigation » dans cet article). Souvent une utilisation comme eau de lavage d'arrosage (de terrains de golf par exemple ou d'irrigation agricole ou sylvicole (surtout si c'est l'unique source d'eau pour des plantes) ou pour abreuver le bétail ou le gibier ou pour la pisciculture comporte encore des risques notamment parce que l'eau est souvent incomplètement épurée, et parce qu'il peut y avoir des dysfonctionnements de station d'épuration (en cas d'orage, de coupure de courant, de surcharge, etc.). Certaines molécules (ex : résidus d'hormones, prions, certains métaux...) sont en effet mal filtrées, dégradées ou retenues par les stations d'épuration et peuvent alors passer dans la chaîne alimentaire ou s'accumuler dans le sol.

En Europe et plus généralement dans les pays du Nord, les eaux usées sont rendues au milieu naturel après traitement (le traitement d'un mètre cube d'eau usée produit de 350 à 400 grammes de boues. Plusieurs millions de tonnes dans le monde de matières sèches sont évacuées chaque année. Environ 75 % sont réutilisées en agriculture, le reste étant incinéré ou mis en décharge.

En France, en période de sécheresse et dans les régions arides, elles pourraient faire l'objet de prochaines dérogations pour certains usages (ex : arrosage des espaces verts ou des golfs).

L'industrie

Lavage et transport industriel des matériaux

Dans beaucoup d'industries, le lavage et le transport des matériaux sont très peu exigeants en qualité de l'eau. C'est pourquoi les eaux usées épurées sont utilisées pour :

• le lavage des matières premières (charbon, gravier, etc.) et leur transport (craie par exemple) ;
• le transport des déchets (cendres d'une centrale thermique) ;
• le lavage d'entretien (wagon, sols, bouteilles, etc.) ;
• la fabrication de laine de verre.

Refroidissement industriel

Nombre d’industries procèdent à des opérations de refroidissement consommant une importante quantité d’eau :

• centrales électriques ;
• réacteurs nucléaires ;
• pétrochimie ;
• chimie ;
• industrie du caoutchouc ;
• industrie automobile.

L'eau peut être refroidie de 3 manières différentes :

• Circuit ouvert : Rejet direct de l'eau chaude dans un cours d'eau ou dans la mer ;
• Circuit fermé : utilisation de tour de refroidissement ;
• Circuit semi-ouvert : rejet partiel de l'eau de refroidissement dans atmosphère ou dans un cours d'eau.

L'irrigation

Dans le cas de l'irrigation, les eaux usées sont utilisées après traitement biologique (boues activées ou lagunage le plus souvent). Leur intérêt réside dans le fait que :

• Les eaux contiennent des nutriments. Ils accroissent notablement les rendements agricoles et réduisent le recours aux engrais artificiels coûteux.
• Les autres sources d'eau utilisable en irrigation se raréfient en raison de leur potabilité tant recherchée.

Les utilisations municipales

Elles peuvent couvrir une assez large gamme d'utilisations, qui ne requiert pas d'eau de qualité potable, par exemple :

• l'arrosage des parcs et jardins publics
• le lavage des rues
• la lutte contre les incendies
• le nettoyage des engins de collecte des ordures ménagères

Récupération de la chaleur des eaux usées

Une idée qui se développe est de récupérer les calories d'effluents encore chauds ou tièdes, via l'installation d'échangeurs thermiques dans des canalisations d'égouts reliés à des pompes à chaleur, ce qui permettrait aussi d'améliorer le bilan énergétique de collectivités locales. Chauffer des espaces via des pompes à chaleurs nécessite une source constante de calories, en général prélevées dans le sol (par la géothermie) ou dans l'air extérieur (aérothermie). Les eaux usées sont un autre gisement, largement inexploité. Les trois quarts de la chaleur des effluents domestiques (salles de bains, lessives, cuisine, vaisselles, etc.) sont en effet rejetés à l'égout et perdus. La température du réseau oscille ainsi entre 13 et 20 °C, selon les saisons, avec une relative stabilité en raison de l'inertie thermique du milieu. Des caractéristiques idéales pour approvisionner une pompe à chaleur, via un échangeur de chaleur posé dans le collecteur. À ce jour, le procédé est surtout utilisé en Allemagne, Suisse, et aux États-Unis, où 20 installations sont en activité^{[réf. nécessaire]}. Son développement est spectaculaire : 33 projets se construisent actuellement dans le monde et 100 autres entrent en phase d'étude^{[réf. nécessaire]}.

Comment d'un déchet faire un produit ? Un échangeur de chaleur est intégré dans la canalisation neuve ou posée dans celle préexistante. Des conduits envoient le fluide réchauffé vers les PAC, où le fluide est porté à 50–70 °C, pour être redistribué dans les bâtiments. Dès la première année, les économies d'énergie se situent entre 20-30 % et parfois 50 % du poste énergie global annuel. Les émissions de gaz à effets de serre diminuent de 60 %. L'avantage est triple : réduction du poste énergétique ; bénéfice environnemental et moindre exposition aux fluctuations du prix du gaz. Le système s'annonce le plus avantageux dans les régions aux hivers froids, à l'exemple du Nord-Est de la France. Ses performances y dépassent celles de l'aérothermie. Le rafraîchissement reste néanmoins possible. Une configuration par réseau hydraulique du circuit de rafraîchissement intérieur du bâtiment s'avère alors indispensable. Comme pour les pompes à chaleur en général, le procédé ne se substitue pas à l'usage d'une chaudière mais vient en complément. Une PAC au coefficient de performance annuel de 3,5 assure 80 % de la chaleur. La chaudière assure les 20 % restants lors des pointes de consommation.

Implantation : Les lieux d'implantation les plus adéquats sont principalement les zones urbaines denses. Les besoins en chaleur y sont importants et l'installation de panneaux solaires et d'éoliennes pâtit des faibles disponibilités d'espace ou des nuisances entraînées.

Le procédé requiert également des débits minimums dans les canalisations. Le débit moyen dans le collecteur doit atteindre les 8 litres par seconde, soit les effluents d'une zone couvrant 8 000 à 12 000 personnes. Une implantation dans des agglomérations de 20 000 à 30 000 habitants peut être envisageable, mais de préférence en aval d'un point d'assainissement. Les usages les plus adaptés renvoient à ceux des PAC en général. Les gammes de puissances minimums sont de 150 kW pour le chauffage et l'eau chaude, soit l'équivalent d'une cinquantaine d'appartements. Cela concerne des besoins constants et collectifs : logements, hôpitaux, piscines, maisons de retraite, etc.

Impact de la réutilisation des eaux usées

La réutilisation des eaux usées consiste à recycler les eaux considérées comme inutilisables mais qui, selon le domaine de réutilisation et suivant certains traitements, peuvent convenir aux usages suivants :

Agriculture

Nonobstant des modifications importantes apportées aux stations d'épuration afin d'assurer la qualité des eaux usées, celles-ci peuvent être employées pour répondre aux besoins d’irrigation dans les activités agricoles. Cela a pour avantage de permettre aux récoltes de profiter de la richesse des eaux usées en nutriments naturels, d'augmenter la productivité du sol ainsi que de permettre la pratique de certaines cultures dans des régions où les conditions environnementales n'y sont pas favorables, comme dans les régions arides. Le recyclage des eaux usées représente une solution pour faire face à la demande croissante des ressources hydriques pour l’irrigation.

Par contre, l'utilisation d'eaux usées traitées dans l'agriculture peut cependant poser des problèmes pour la santé publique. De plus, un projet d’irrigation utilisant l’eau usée comme source n’est pas toujours économiquement rentable.

Nettoyages

Le nettoyage des voies publiques et des véhicules ne requiert pas l'utilisation d'eau potable.

Environnement

Le rejet de concentrés d'eaux usées traitées peut avoir des impacts environnementaux. Les concentrations excessives d’ions de chlorure et de sodium dans l’eau rejetée peuvent rendre les plantes toxiques.

Chaleur

Les eaux usées sont souvent à une température quasiment constante tout au long de l'année et peuvent constituer une source de calorie pour une pompe à chaleur.

Recherche

Incover, est un projet soutenu par l’appel à projets européen H2020 à hauteur de 7 millions d’euros sur 3 ans, lancé en juin 2016 par 18 partenaires européens. Il vise à optimiser le traitement des eaux usées tout en réduisant son coût par la combinaison de plusieurs techniques d’épuration débouchant sur la production de bioproduits commercialisables (tout en diminuant de 80 % les émissions de gaz à effet de serre et d’au moins 50 % l’énergie consommée par le traitement). Il s’agit d’atteindre un niveau de maturité (TRL ou (Technology Readiness Level de 7 ou 8 pour des Step jusqu’à 100 000 EH). Des analyses de cycle de vie, de coûts et de soutenabilité sont prévues.
Dans ce cadre 3 stations d’épuration testent dans 2 pays 3 types de valorisation : production de bioplastiques, d’acides organiques et de biométhane avec récupération de composés chimiques (azote et phosphore).

1. En Allemagne des rejets industriels alimentent des levures dont on extrait des acides organiques, et la carbonisation hydrothermale (HTC) des boues en tire des fertilisants agricoles.
2. Près de Barcelone des eaux usées municipales et agricoles produisent des bioplastiques via des photobioréacteurs abritant des cyanobactéries et une partie de la biomasse récupérée est transformée en biogaz puis le digestat en bioengrais. L’eau est désinfectées par ultrafiltration.
3. À Chiclana de la Frontera (Espagne) un autre process (High Rate Algae Ponds ou chenal algal à haut rendement) produira des bioplastique et du biométhane, tout en éliminant le CO₂ et l’H2S. L’OIE au assume la communication du projet.

Voir aussi

Bibliographie

• Brigand Sylvain, Lesieur Vincent, (2008). Assainissement non collectif, Éditions Le Moniteur.
• Bourgeois-Gavardin, J, Les Boues de Paris sous l'Ancien Régime. Contribution à l'histoire du nettoiement urbain aux XVII^e et XVIII^e siècles, 2 volumes. Paris : EHESS, 1985
• Cabrit-Leclerc Sandrine, (2008). Fosse septique, roseaux, bambous, traiter écologiquement ses eaux usées ?, Éditions Terre Vivante
• Chatzis, K, La Pluie, le métro et l’ingénieur : contribution à l’histoire de l’assainissement et des transports urbains, Paris : L’Harmattan, 2000
• Dupavillon, C, Paris côté Seine, Paris : Éditions du Seuil, 2001
• Dupuy, G. Knaebel, G, Assainir la ville hier et aujourd’hui, Paris, Dunod : 1982
• Goubert, J.-P, La Conquête de l'eau, Paris : Robert LAFFONT, 1986
• Guillerme, A, Les Temps de l’eau. La cité, l’eau et les techniques, Seyssel : Champ Vallon, 1983
• L’Assainissement des eaux usées, brochure C.I. eau, août 1999
• L’Assainissement des grandes villes, données 1997. Réseau national des Données sur l’Eau (RNDAE), 1998
• Laroulandie, F, Les Égouts de Paris au XIX^e siècle. L’enfer vaincu et l’utopie dépassée, Cahiers de Fontenay. n^o 69-70, mars 1993. p. 107-140
• La Réglementation des eaux usées, plaquette C.I. eau, octobre 1999. Publications des Agences de l’eau : Collection des études inter-agences (Lire en ligne)
• Questions d’assainissement. Le maire et les eaux usées, Uni éditions. 96 p., 1996
• Anne Rivière (2005). Gestion écologique de l’eau : toilettes sèches et épuration des eaux des eaux de lavage par les bassins-filtres à plantes aquatiques, Volume 1, Association Eau Vivante
• Isabelle Roussel et Valérie Rozec, « De l'hygiénisme à la qualité de vie : l'enjeu de la gestion des plaintes environnementales urbaines » (Lire en ligne), Géocarrefour, vol. 78/3, 2003
• Scherrer, F, « L’égout, patrimoine urbain. L’évolution dans la longue durée du réseau d’assainissement de Lyon », thèse de doctorat d’urbanisme, Créteil : Université de Paris XII – Val de Marne, 1992

Articles connexes

• Liste des produits d'assainissement
• eaux grises, Eaux noires
• Eaux-vannes
• Eaux pluviales
• Boues d'épuration
• Assainissement
• Pompage en ligne
• Récupérateur de chaleur eau grise
• Observatoire de l'eau