Projet final - Phyt'eau - Valéry Fortuné et Pauline Virtt

Projet de traitement des eaux usées



Contexte :

Aujourd’hui la demande en eau douce ne cesse d’augmenter et pourrait encore s’intensifier de 50% d’ici à 2030, avec l’augmentation de la population, de la production industrielle, la surexploitation, et les changements climatiques. Malheureusement, les ressources ne sont pas inépuisables et sont de plus en plus limitées à cause de la pollution et du manque de prise en considération des eaux usées à travers le monde. En effet, selon le rapport mondial des Nations Unies sur la mise en valeur des ressources en eau de 2017, plus de 80% des eaux usées à travers le monde (et plus de 95% dans certains pays en développement) sont rejetées dans l’environnement sans traitement. Cela a évidemment des conséquences alarmantes sur la qualité de l’eau des fleuves, et ce particulièrement en Afrique, Asie et Amérique Latine. Cette négligence impacte donc naturellement l’environnement, les écosystèmes, la pêche, l’agriculture, et la santé des êtres vivants.

Recherches : 
A partir de ces constatations et de ces chiffres alarmants, nous avons décidé de nous intéresser au traitement des eaux usées et d’essayer d’apporter une solution à ce problème environnemental majeur. Une meilleure gestion des eaux usées pourrait être une solution à la raréfaction de l’eau, et permettrait de réduire la pollution à la source, et d’assainir les sols et les villages afin de diminuer le nombre de maladies.

En premier lieu, nous avons débuté notre travail par des recherches sur l’eau potable, afin d’essayer de comprendre au mieux ce que cela signifiait, ce que cette eau devait ou ne devait pas contenir pour ne pas être contaminante. En effet, le fait qu’une eau soit conforme aux normes de potabilité ne signifie pas qu’elle soit exempte de matières polluantes, mais que leur concentration soit suffisamment faible pour ne pas mettre en danger le consommateur.

De cette première étude, il en est ressorti une liste des principaux polluants des eaux usées, tels que les germes pathogènes, les substances chimiques, les métaux lourds… Nous avons alors étudié plus profondément quels étaient leurs caractéristiques, leurs sources et leurs effets sur l’environnement et la santé.

Ensuite, dans un second temps, nous nous sommes intéressés à différents systèmes d’épurations des eaux usées : les stations d’épuration, les micro-stations d’épuration, les micro-station d’épuration sans électricité ainsi que la phytoépuration. Bien que réservée au traitement des eaux grises et principalement utilisée pour traiter les eaux domestiques, notre intérêt s’est rapidement porté sur cette dernière méthode pour ses aspects low-tech, écologiques, et simple d’utilisation.

En effet, la phytoépuration est un principe écologique d’assainissement des eaux usées, qui repose sur des réactions qui se produisent dans les milieux naturels et qui ne nécessite pas d’électricité.

C’est grâce à l’action combinée de 3 composants que l’on peut atteindre une phytoépuration efficace : les végétaux, le substrat, les micro-organismes.

Les végétaux : ils servent de support de fixation et créent des conditions de vie favorables aux micro-organismes épurateurs (oxygénation…). Le pouvoir épurateur de certaines plantes aquatiques permet alors de répondre à plusieurs sortes de pollutions (organique, chimique ou microbiologique)

Le substrat : il joue un rôle majeur dans le processus car il permet l’adsorption et la rétention de certains polluants via des réactions chimiques complexes, en plus d’être le support des micro-organismes. Il assure également la filtration physique des matières en suspension.

Les micro-organismes : ce sont eux qui assurent la totalité de l’épuration et qui s’attaquent aux polluant présents dans l’eau, en minéralisant la matière organique.

Plus concrètement, c’est grâce à l’utilisation de 2 principes différents de filtration, placés en série que l’épuration est efficace : un filtre à écoulement vertical, suivi d’un filtre à écoulement horizontal.

Projet : 
En Europe, sachant que l’on consomme +/- 150L/EH/j il faut compter 3m² d’espace au sol pour une installation de 1EH.

Notre projet a pour ambition de se développer dans des zones rurales de pays en voie de développement et ayant un climat tropical ou équatorial (ex : RDCongo, Inde, Brésil…). Dans ce contexte, les ressources en eau sont très limitées, généralement de mauvaise qualité et chaque famille consomme +/- 15L/EH/j. Par exemple une famille traditionnelle congolaise de 6 à 8 personnes consomme en moyenne 100L/j. Cette donnée permet donc de réduire considérablement la taille du dispositif et de le rendre beaucoup plus compact (< à 3m²) et accessible. De plus, il peut ainsi être adapté à un grand nombre de contextes.

Notre projet, propose donc de développer un système de « filtration en bac » à partir de matériaux de récupération (selon le pays d’étude), fonctionnant selon les mêmes principes que la « phytoépuration traditionnelle ».

Dans un premier bac, on trouve le filtre planté à écoulement vertical. Il est le premier à recevoir les eaux grises (vaisselle, cuisine, lessive, douche…). Il est composé de 3 couches de substrat de différentes tailles : des graviers 20/31,5mm dans le fond, des graviers 16/22mm au milieu, et des plus petits de 4/10mm au-dessus, au travers desquelles percolent les eaux grises ; ainsi que de différents types de plantes aquatiques (selon contexte), comme par exemple : Jonc, Massette et Scirpe, Phragmite…

Le filtre vertical est un système de filtration rapide (+/-5min) qui permet de retenir les graisses et les particules en suspensions à travers le substrat. Certaines matières organiques sont ainsi dégradées et minéralisées par les microorganismes présents dans le système racinaire des plantes.

Ce filtre fonctionne grâce à des bactéries aérobies qui nécessitent de l’oxygène. Dans le fond du bac, on trouve un tube perforé en PVC (diam. 32mm) raccordé à une cheminée qui permet la bonne ventilation du filtre ainsi que le drainage de l’eau préfiltrée dans le second bac.

Dans le second bac, se trouve le filtre planté à écoulement horizontal. C’est un système de filtration lent et continu qui fonctionne par effet de vases communicants. L’eau du premier bac se déverse dans le second et stagne ainsi durant une journée, afin d’être épurée. Le lendemain lorsque l’on verse à nouveau de l’eau grise dans le premier bac, l’eau de la veille sort alors épurée du second bac et peut être utilisée pour la lessive, la douche, la vaisselle (ou potable/cuisine par l’ajout d’une membrane de filtration supplémentaire : à développer).

Là encore, l’eau gravite de manière horizontale à travers 3 épaisseurs de substrat : d’abord des graviers de 16/22mm, puis du pouzzolane 5/15mm et enfin une plus large couche de petits graviers 4/10mm.

Dans ce second filtre, on trouve également des plantes aquatiques (selon contexte) ayant des propriétés différentes comme par exemple : Iris, Laiche, Acore, Menthe aquatique, Sagittaire…

Le filtre horizontal a pour but de retenir les matières solides encore présentes dans les racines des plantes. Des micro-organismes se développent et dégradent les contaminants de l’eau. De plus les éléments solubles présents dans l’eau sont absorbés par les plantes, qui les accumulent ensuite dans leur biomasse.

Ce filtre fonctionne grâce à des bactéries anaérobies qui sont favorables à la dénitrification de l’eau.

Afin de rendre le système le plus compact possible, il a été développé à l’échelle d’une habitation, soit d’une famille de maximum 8EH. De plus, pour limiter au maximum la prise au sol, le projet a été étudié de façon à pouvoir superposer les 2 filtres. Dans l’idéal, il est préférable de placer l’installation le long de la façade nord de l’habitation ou dans une zone ombragée à proximité de l’habitat, pour limiter les trajets.

Dans le cas d’un développement du dispositif en République Démocratique du Congo, nous estimons que le matériel pourrait être trouvé assez facilement et sans dépenses majeures. En effet, seuls 2 futs métalliques (ou PVC) de 220L, quelques pièces de PVC et de la colle étanche sont nécessaires par famille pour assembler le système.

Les éléments constituant le substrat peuvent être trouvés dans la nature, ou dans les cours d’eau (sable, pierre, graviers, céramique concassée…), l’essentiel étant de réussir à trouver différentes tailles de gravier et des matériaux poreux mais non calcaires car ils pourraient se dissoudre dans l’eau.

Il existe par ailleurs une large variété de plantes aquatiques en Afrique qui pourraient tout à fait être efficaces dans l’assainissement des eaux grise.

Afin de comprendre au mieux la problématique de l’eau et du traitement des eaux usées dans les pays en développement, nous avons visionné un documentaire sur l’approvisionnement en eau potable à Lubumbashi, RDC (Bidons Jaunes – De l’eau à Lubumbashi, G3W – M3M) et nous avons rencontré des Doctorants Congolais (Raphaël Washe et Jean-Pierre Ilito Boozi), qui ont pris le temps de répondre à nos questions et nous ont expliqué quelles étaient les réalités du terrain, et quels impacts pouvaient avoir le rejet des eaux grises dans l’environnement.

Grâce à ces ressources précieuses, notre projet a pu fortement évoluer et devenir de plus en plus concret. En effet, ces discussions nous ont appris que c’était le rôle des femmes et des enfants de s’occuper de l’approvisionnement en eau. Ainsi, il existe 2 cas de figure selon que le village dispose de bornes fontaines ou qu’il faille se rendre à la source pour s’approvisionner. Mais dans les 2 cas, il s’agit d’une réelle corvée pour les femmes qui doivent se lever vers 5h du matin aller chercher de l’eau, marcher parfois durant des heures et des kilomètres, et transporter de très lourdes charges tous les jours (100L = 100kg !). Lorsqu’il s’agit de récupérer l’eau à la fontaine publique, elles doivent parfois faire la file et patienter des heures pour pouvoir remplir leurs bidons. Dans ce cas, elles n’ont même pas la certitude qu’il y ait encore suffisamment d’eau pour remplir tous leurs bidons quand arrive leur tour, ni même que celle-ci soit potable, et doivent parfois subir quelques querelles. Ajoutons à cela que ce service est évidemment payant : 0,10€ pour 25L et 2€ pour un bidon vide. Comme il n’existe aucun service de traitement ou de récupération des eaux usées, après avoir effectué les tâches domestiques (vaisselle, lessive, douche, cuisine…) et utilisé leur réserve quotidienne d’eau, les femmes sont donc contraintes de déverser les eaux usées autour de leur maison et de recommencer le même schéma le lendemain.

L’objectif de notre projet est donc de permettre aux familles d’utiliser l’eau qu’elles vont chercher à la source ou aux bornes fontaines en circuit fermé (en tenant compte de l’évapotranspiration des plantes et des pertes), afin de réduire de manière considérable leurs temps de trajets, d’attente, et leur charge de transport durant la semaine. Nous pensons qu’il pourrait être adopté assez facilement par les populations car il est totalement adapté au mode de vie des familles qui effectuent les tâches ménagères (vaisselle, cuisine, lessive, douche…) en extérieur et à proximité de leur maison. Ainsi, une fois les tâches effectuées, les femmes pourraient déverser le contenu de leurs bassines d’eau sale dans le premier bac, et récupérer de l’eau épurée pour le lendemain sans avoir à effectuer de longs trajets. De plus, il demande peu d’entretien et de connaissances techniques.

Si les familles adoptaient le système et qu’elles utilisaient le « device » quotidiennement en y déversant leurs eaux usées, cela favoriserait la décontamination des sols et des cours d’eau. Cela permettrait donc d’améliorer la qualité des eaux, et de répondre à la problématique de la demande croissante en eau douce.

Sources :

Livres / Rapports :

- LAZARIN, A. , LAZARIN, G. (2017), La phytoépuration – Assainissement collectif et individuel, dépollution…, Terre Vivante, France

- RECYCLEAU (2014), Guide de l’usager : dispositif de traitement des eaux usées domestiques, disponible en ligne : <http://www.assainissement-non-collectif.developpement-durable.gouv.fr/IMG/pdf/Guide_d_utilisation_-_Phytostation_Recycl_eau_-_6_EH_-_25_fevrier_2014_cle799f5a.pdf>, consulté le 8 Janvier 2018

- UNESCO (2017), Rapport mondial des Nations Unies sur la mise en valeur des ressources en eau 2017, UNESCO, Paris, disponible en ligne : <http://unesdoc.unesco.org/images/0024/002475/247551f.pdf>, consulté le 8 Janvier 2018

Vidéo :

- G3W M3M (2015), Bidons Jaunes – De l’eau à Lubumbashi, disponible en ligne : <https://vimeo.com/185622458>, consulté le 8 Janvier 2018