Scénario 3. Impact des eaux usées non épurées ou épurées de différentes façons (bassin 1)

Contexte

Avant le XVème siècle, la population mondiale estimée se maintenait sous le seuil des 500 millions d’âmes. C’est dire si l’habitat devait être dispersé. Cependant, souvent, les villages s’étaient implantés dans les zones où l’eau était disponible, soit autour de sources, soit sur les cours d’eau, beaucoup d’activités nécessitant de l’eau (moulins, forges, lessives,…). Des pollutions devaient donc déjà exister mais étaient assez diffuses et par ailleurs, vu la faible densité de population, de grandes zones forestières permettaient aux rivières de s’autoépurer. Par ailleurs, l’usage d’engrais chimiques et de phosphates dans différents produits ménagers notamment (détergents, produits adoucissants) apparaît bien plus tard, après la Première Guerre mondiale et principalement après la Deuxième. Une étude du phosphore dans le Lac Léman montre ainsi son augmentation après 1950.

Aujourd’hui, la densité de population, son regroupement dans de grands ensembles, l’absence d’épuration encore dans de nombreux villages et même dans certaines villes expliquent la qualité dégradée de nombreux cours d’eau. D’autre part, de gros investissements ont été consentis pour construire des stations d’épuration de plus en plus performantes.

En l’absence de stations d’épuration, le cours d’eau qui a reçu des eaux polluées de façon plus ou moins diffuse (rejets directs d’habitations dispersées ou rejets de petits réseaux d’égouttage par quartier) ou directe (rejet d’un collecteur pour toute une agglomération) est d’abord fortement pollué par des matières organiques venant surtout des déjections humaines. Des bactéries présentes dans le milieu naturel en très petit nombre vont proliférer et transformer, en consommant l’oxygène dissous du cours d’eau (car il s’agit d’une oxydation), les matières organiques en minéraux qui vont provoquer l’eutrophisation (enrichissement en nitrates et en phosphates). Suivra ensuite la prolifération de plantes aquatiques et d’algues qui vont continuer l’autoépuration en assimilant ces minéraux. Ce sont les deux étapes de l’autoépuration.

Les stations d’épuration copient ce processus d’autoépuration. En présence d’une station d’épuration primaire (on enlève des eaux usées les éléments flottants et lourds comme le sable et le gravier) et secondaire (on dynamise le développement des bactéries en leur fournissant intensément de l’oxygène), l’eau épurée ne contiendra plus de matières organiques et une partie des nitrates et des phosphates sera assimilée par les bactéries. Malheureusement, le reste sera rejeté au cours d’eau qui se trouvera ainsi brusquement enrichi en nitrates et en phosphates. Ainsi, généralement, en aval des stations d’épuration se développent une grande quantité de végétaux qui continuent l’autoépuration mais qui, en consommant trop d’oxygène pendant la nuit pour leur respiration, provoquent parfois des mortalités de poissons. Une station d’épuration de ce type ne peut donc pas supprimer toute la pollution.

Les stations d’épuration primaire-secondaire peuvent être complétées de système tertiaire (meilleure élimination des nitrates et des phosphates). Soit par voie chimique (on précipite les phosphates sous forme de phosphate de fer insoluble) mais ce procédé n’est guère utilisé car très coûteux. Soit par voie microbiologique avec des bactéries dénitrifiantes (on transforme les nitrates en azote gazeux N2) et d’autres qui absorbent plus de phosphates. Soit enfin par lagunage naturel qui, à l’image de ce qui se passe dans le cours d’eau eutrophisé, utilise des algues et des plantes pour absorber ces nutriments : dans ce cas, les eaux épurées en primaire-secondaire passent dans des bassins plantés avant d’être rejetées dans le cours d’eau.

Le scénario proposé ici étudie l’impact d’une zone d’habitat de 1200 habitants (village) non épurée puis épurée par une station primaire-secondaire et enfin par une station primaire-secondaire-tertiaire. Comme on dispose de deux points d’étude, un proche (S1) et un plus éloigné (S3) du point de rejet de la station d’épuration, on peut aussi apprécier l’importance de l’autoépuration qui se produit dans le cours d’eau pendant le temps mis par l’eau à parcourir la distance entre les deux stations. Elle permet au cours d’eau de résorber une part plus importante des nitrates et phosphates présents dans le rejet épuré.

Une étude de la qualité de l'eau peut suivre deux approches différentes. Soit on analyse directement la chimie de l’eau (par exemple la matière organique, les nitrates, les phosphates, l’ammonium). Si l’analyse chimique permet d’identifier et de quantifier les polluants en présence, elle est cependant très variable suivant le moment où on fait le prélèvement et suivant par exemple l’importance des pluies qui peuvent diluer les amendements. La deuxième approche, adoptée ici, est celle des bio-indicateurs. Le principe est d’utiliser comme indicateurs de pollution les communautés vivantes qui enregistrent en permanence les variations des conditions du milieu. Parmi ces indicateurs, on utilise surtout des algues microscopiques du groupe des diatomées qui présentent trois avantages: on les récolte facilement en brossant quelques pierres immergées dans le courant; elles intègrent les variations chimiques, spécialement les éléments qui nous intéressent (matières organiques, nitrates, phosphates); enfin, on connaît bien les exigences de chaque espèce vis à vis de ces éléments. Ces algues appartiennent à la famille des algues brun-jaune, unicellulaires qui fabriquent un squelette externe d’opale (SiO4) dont la morphologie (taille, ornementation, symétrie) sert à identifier les espèces du relevé (voir: les diatomées).

Chaque fois que vous cliquez sur un point de prélèvement, un champ de diatomées apparaît. En cliquant sur chaque diatomée, on est dirigé vers une clé d’identification. Quand toutes les espèces sont identifiées, on obtient l’indice de qualité qui varie de 5 (pollution nulle) à 1 (pollution très forte) (voir: clé d'interprétation des couleurs). Une fois compris les critères qui permettent de reconnaître les espèces, on pourra activer l’option de détermination automatique (voir: procédure de détermination). Les deux procédures aboutissent au même résultat: un indice de qualité et un champ microscopique colorisé en fonction de la sensibilité des espèces à la pollution (voir: clé d'interprétation des couleurs).

Déroulement résumé de l’activité

Pour différents types d’épuration (aucune - primaire/secondaire - primaire/secondaire+tertiaire)
                   Pour chacun des points de prélèvement
                         - Observation d’un champ microscopique et détermination des diatomées (avec la clé ou automatiquement)
                         - Obtention d’un histogramme de fréquences et d’un indice global de qualité
Comparaison des indices en fonction du type d’épuration
Comparaison des indices en fonction de l'éloignement du point de prélèvement au point de rejet

Fiches de rapport d’activité pour les élèves

L'une de ces fiches (que l'enseignant peut adapter à ses objectifs) peut être distribuée avant de commencer l'activité. Les élèves peuvent y consigner leurs observations et l'utiliser pour interpréter leurs résultats.

>>> Voir Variante 1: synthétique (fichier Word)
>>> Voir Variante 2 : détaillée (fichier Word)

Déroulement détaillé de l’activité

1. Ouverture du logiciel.

Lancer l’application Virtval selon la procédure décrite dans le paragraphe "Démarrage du logiciel".
Activer l’option d’affichage des grilles-repères (cf. réglage des préférences).

2. Choix du bassin versant 1 : roches siliceuses, sols acides, eaux oligotrophes.

Cliquer une fois sur le bassin choisi pour le faire apparaître en détail.

3. Etablissement des indices de référence (en l’absence de toute activité humaine)

N.B. Si le scénario 0 (ou le scénario 1 ou 2) a été réalisé au préalable, cette étape peut être supprimée, et les indices repris directement de cette activité précédente. On peut alors passer au point 4.

3.1. Prélèvement de diatomées au point S1.

Cliquer une fois sur le point S1 pour faire apparaître un champ microscopique. Ce champ comprend 20 diatomées dont l’assemblage est caractéristique du type d’eau prélevé.

N.B. La disposition des diatomées dans le champ est produite de façon aléatoire par le logiciel. Le champ que vous obtiendrez aura donc une apparence différente de l’exemple ci-dessus.

3.2. Détermination des diatomées

Deux options sont offertes : la détermination à l’aide de la clé ou la détermination automatique, qui peut être activée dans les options du menu [Fichier]. La procédure détaillée est décrite dans le paragraphe "Procédure de détermination".
N.B. Pour obtenir un champ colorisé de diatomées en mode automatique: cliquer sur [T] pour afficher la liste des taxons, puis fermer cette fenêtre. Les diatomées du champ apparaissent alors colorées selon leur groupe écologique (cf. clé d'interprétation des couleurs).

3.3. Obtention de l’histogramme de fréquences des groupes

Le pourcentage des diatomées appartenant à chacun des 5 groupes écologiques (cf. clé d'interprétation des couleurs) est représenté sous la forme d’un histogramme de fréquences. Ce graphique se construit progressivement lorsqu’on détermine les diatomées à l’aide de la clé. Il peut être consulté à tout moment en cliquant sur le bouton [Histogramme] sous le champ microscopique. En mode de détermination automatique, l’histogramme complet est directement accessible via ce même bouton. Cette fenêtre indique, en outre, la valeur de l’indice diatomique.

Dès que l’histogramme complet a été consulté, la valeur de l’indice apparaît à côté du point de prélèvement sur le bassin versant, avec la couleur correspondante.

3.4. Prélèvement de diatomées aux points S2 et S3

Les étapes 3.1 à 3.3 décrites ci-dessus sont répétées pour les points S2 et S3.

Interprétation :

Les trois stations sont de très bonne qualité en l’absence de toute influence humaine.

4. Implantation d’un village sans épuration

N.B. Si le scénario 1 a été réalisé au préalable, cette étape peut être supprimée, et les indices repris directement de cette activité précédente (point 5). On peut alors passer au point 5.

Dans la barre de menu, cliquer sur [Aménagements à tester]  >>> [Installer  un village].

Le village apparaît à l’extérieur du bassin. Pointer le village à l’aide de la souris puis, en maintenant le clic gauche enfoncé, faire glisser le village jusqu’à l’emplacement 33 sur le bassin. Ce nœud 33 est recommandé pour obtenir des résultats très significatifs, facilement interprétables..

N.B. Pour modifier l’implantation en cas d’erreur de positionnement, cliquer dans la barre de menu sur [Aménagements à tester] >>> [Installer un village]. Le logiciel demande alors si vous souhaitez annuler l’activité précédente. Cliquer sur [oui]. Cliquer à nouveau sur [Aménagements à tester] >>> [Installer un village] et recommencer l’installation sur le bassin.

Des habitations génèrent forcément des eaux usées qui arrivent directement dans le cours d’eau si le village en est proche (pollution directe) ou indirectement s’il en est éloigné (pollution diffuse). Il faut donc s’attendre à une diminution de la qualité du cours d’eau. Suivant les courbes de niveau et donc le sens de l’écoulement des eaux, les stations d’étude S1 et S3 seront touchées.

4.1. Détermination de l’indice de qualité au point S2

N.B. Nous supposerons que la clé de détermination a déjà été explorée lors des étapes précédentes et que la suite du scénario se fera sur la base de la détermination automatique. Pour rappel, celle-ci peut être activée à tout moment à partir de la barre de menu : [Fichier] >>> [Options], cocher la case "Permettre la détermination automatique", puis cliquer sur [OK].

Cliquer une fois sur le point S2 pour faire apparaître un champ microscopique de diatomées, qui peut être colorisé en cliquant sur [T]. Cliquer sur le bouton [Histogramme] pour visualiser l’histogramme de fréquences des différentes classes de diatomées, ainsi que l’indice de qualité.
Comme ce point ne subit pas l’influence de l’habitat, son indice ne varie pas par rapport à la référence établie en début de scénario.

4.2. Détermination de l’indice de qualité au point S1

Cliquer une fois sur le point S1 pour faire apparaître un champ microscopique de diatomées, qui peut être colorisé en cliquant sur [T]. Cliquer sur le bouton [Histogramme] pour visualiser l’histogramme de fréquences des différentes classes de diatomées, ainsi que l’indice de qualité.

4.3. Détermination de l’indice de qualité au point S3

Cliquer une fois sur le point S3 pour faire apparaître un champ microscopique de diatomées qui peut être colorisé en cliquant sur le bouton [T]. Cliquer sur le bouton [Histogramme] pour visualiser l’histogramme de fréquences des différentes classes de diatomées, ainsi que l’indice de qualité.

4.4 Synthèse et interprétation

La zone en réserve naturelle ne peut pas être construite et la forêt est maintenue. Le cours d’eau reste dans son état naturel et la station S2 garde le même indice 4,6 (pollution nulle, en bleu) qu'avant l'implantation d'un village. Les diatomées très sensibles à la pollution sont dominantes.

La station S1 reçoit les eaux usées du village sans épuration préalable. L’apport est assez direct car le hameau est assez proche du cours d’eau. Dans ces conditions, les matières organiques sont abondantes mais il y a déjà eu une minéralisation partielle avant le rejet. Les diatomées très résistantes (50 %, en rouge) et résistantes (25 %, en orange) aux matières organiques et les diatomées favorisées par l’eutrophisation (25 %, en jaune) se développent, alors que les diatomées très sensibles et sensibles sont devenues très rares. L’indice tombe à 2,3 (pollution forte, en orange).

La station S3 se situe loin en aval de la S1 ce qui permet au cours d’eau de s’autoépurer : la pollution organique diminue mais l’eutrophisation augmente fortement. De plus, comme les eaux de très bonne qualité de la réserve naturelle viennent diluer la pollution résiduelle, l’indice passe à 3,0 (pollution modérée, en jaune) car les diatomées d’eau polluée régressent (15 %). Elles sont remplacées par celles d’eau eutrophisée (65 %, en jaune) car il y a encore beaucoup de phosphates. Les diatomées sensibles réapparaissent timidement (seulement 10 %).

5. Installation d’une station d’épuration primaire et secondaire

Définition : une station d’épuration va recevoir les eaux usées qui ont été rassemblées dans un collecteur. Dans ces eaux usées, il y a notamment des matières légères qui flottent (huiles, hydrocarbures, morceaux de bois, flacons de plastique,…), des matières qui coulent (sable, gravier,…), des matières qui nagent entre deux eaux (matières organiques en particules) et des matières dissoutes (organiques surtout).

La station d’épuration va d’abord retenir les éléments légers (par flottation) et lourds (par sédimentation). C’est l’épuration primaire.

Ensuite, en insufflant de l’oxygène, on va doper la croissance des bactéries qui vont minéraliser les matières organiques et libérer les nitrates et des phosphates dont elles vont prendre une partie. C’est l’épuration secondaire qui se fait dans de grands bassins où l’eau d’aspect brun contient les bactéries. Une fois que les bactéries sont restées un temps suffisant en contact avec les eaux à épurer, on les décante et on rejette l’eau épurée et limpide.

Logiquement, l’installation de stations dépuration devrait donc améliorer la qualité des cours d’eau.

On essaie ? On n’a rien à perdre, la situation sans station était tellement mauvaise ! 1, 2, c’est parti !

Dans la barre de menu, cliquer sur [Aménagements à tester] >>> [Station d’épuration primaire et secondaire]. La station d’épuration se place à la sortie du village. Répéter les prélèvements de diatomées comme pour le village sans épuration (voir ci-dessus 4.1 à 4.3)

Synthèse et interprétation

A la station S1, par rapport à l’absence de station d’épuration (histogramme de gauche), les diatomées très résistantes à la pollution organique (en rouge) diminuent fortement (10 % au lieu de 50), les résistantes (en orange) diminuent un peu (20 % au lieu de 25) alors que les diatomées d’eau eutrophisée (en jaune) passent de 25 à 55 %. Enfin les diatomées sensibles et très sensibles (en vert et en bleu) réapparaissent (15 %). L’indice passe ainsi de 2,3 (pollution forte, en orange) à 3,1 (pollution modérée, en jaune).

Pourquoi ?

En l’absence d’épuration, les matières organiques sont rejetées directement dans le cours d’eau où se développent alors les diatomées très résistantes et résistantes alors que les diatomées sensibles deviennent très rares.

Que fait la station d’épuration secondaire ? Elle minéralise très activement la matière organique grâce aux bactéries auxquelles on fournit une grande quantité d’oxygène par des compresseurs. Le coût énergétique est élevé mais on parvient ainsi à diminuer fortement la pollution organique dans le cours d’eau. Mais il est très difficile de dimensionner les stations d’épuration car les variations de charges polluantes et de débit sont importantes. Or, il faut un temps suffisant pour que les bactéries fassent leur travail ! Si la station est trop petite, le temps sera trop court et la station rejettera des matières organiques; si elle est trop grande, elle coûtera très cher et l’épuration ne sera pas meilleure pour autant. Nous avons choisi un exemple rencontré régulièrement où à certains moments, une surcharge a réduit le temps de séjour: il reste alors dans le rejet une petite charge organique qui profite encore aux diatomées résistantes (en orange).

La minéralisation a produit des nitrates et des phosphates que les bactéries n’assimilent qu’en partie. Ils sont rejetés dans le cours d’eau et y provoquent une eutrophisation importante (55 % de diatomées d’eau eutrophisée en jaune).

Enfin, des diatomées sensibles et très sensibles sont de retour, preuve de l’amélioration de la qualité.

Avant, c’était le cours d’eau qui devait autoépurer les matières organiques en consommant tout son oxygène au détriment de la faune (poissons, invertébrés). Maintenant c’est la station d’épuration qui autoépure !

A la station S3, l’indice passe de 3,1 à 3,5. On est toujours en pollution modérée (en jaune) mais quelle différence avec la situation sans station d’épuration ! Et d’ailleurs, avec un petit effort supplémentaire ou quelques kilom ètres de plus, on aurait pu obtenir un indice de 3,6 qui correspond à une pollution faible. Mais bon, il faut bien mettre des limites…

Grâce à l’épuration, les matières organiques n’existent pratiquement plus à cette station et les diatomées très sensibles et sensibles atteignent 40 % contre 10 % avant. Beaucoup plus de vert, donc !

Que s’est-il passé entre S1 et S3 ? C’est le pouvoir autoépurateur du cours d’eau qui a joué, en minéralisant le peu de matière organique résiduelle rejetée et en utilisant les phosphates pour la production végétale. Il faudra encore quelques kilomètres pour retrouver une bonne situation.

Une station d’épuration ne pourra jamais fonctionner à 100 % mais l’amélioration du cours d’eau est évidente ! Il y a cependant un moyen d’aller plus loin. C’est d’essayer de retenir plus de nitrates et de phosphates dans la station. Comment ? En utilisant des végétaux, puisqu’ils les utilisent comme engrais ! Ainsi, pour de petites agglomérations, on peut ajouter à la station d’épuration un bassin planté de plantes du bord des eaux (massettes, roseaux,…). C’est l’épuration tertiaire par lagunage.

On essaie ? 1, 2, 3, c’est parti !

6. Installation d’une station d’épuration primaire, secondaire et tertiaire

Dans la barre de menu, cliquer sur [Aménagements à tester] >>> [Station d’épuration primaire, secondaire et tertiaire]. Le logiciel demande si vous souhaitez supprimer la station existante. Cliquer sur [oui]. Cliquer à nouveau sur [Aménagements à tester] >>> [Station d’épuration primaire, secondaire et tertiaire]. La nouvelle station d'épuration se place à la sortie du village.

Répéter les prélèvements de diatomées comme pour le village sans épuration (voir ci-dessus 4.1 à 4.3)

Synthèse et interprétation

Ajouter une plantation de roseaux après la station d’épuration a deux effets : on allonge le temps de traitement de l’eau et on résorbe plus de nitrates et de phosphates. Ces deux aspects sont bien mis en évidence par les diatomées. Le temps de traitement plus long permet d’éliminer la petite charge en matières organiques qui restait dans le rejet épuré. Dès lors, les diatomées très résistantes (en rouge) et résistantes (en orange) passent de 30 à 10 %, niveau quasiment naturel. Les nitrates et les phosphates sont bien absorbés par les roseaux : les diatomées d’eau eutrophisée (en jaune) passent de 55 à 30 %. Les diatomées sensibles (en vert et bleu) passent de 15 à 60 %. Voilà pourquoi l’indice de la station S1passe de 3,1 (pollution modérée, en jaune) à 3,6 (pollution faible, en vert).

Cette amélioration se poursuit logiquement à la station S3.

L’indice passe de 3,5 (pollution modérée, en jaune) avec épuration primaire et secondaire à 3,9 (pollution faible, en vert) quand on ajoute l’épuration tertiaire ! Les diatomées très sensibles sont redevenues dominantes et leur pourcentage continuera à s’accroître en aval si de nouvelles pollutions n’arrivent pas au cours d’eau. Parallèlement, les diatomées d’eau eutrophisée (en jaune) diminuent.

7.  Conclusions

Reprenons les valeurs des indices dans les trois filières :

	S2	S1	S3
Sans habitat (référence)	4,6	4,5	4,4
Sans épuration	4,6	2,3	3,0
Epuration 1aire et 2aire	4,6	3,1	3,5
Epuration 1aire, 2aire et 3aire	4,6	3,6	3,9

 

7.1. Comparaison des indices en fonction du type d’épuration

A la station S1, sans épuration, on est en pollution très forte. En épuration 1aire-2aire, on passe en pollution modérée. Avec l’épuration 3aire en plus, on arrive en pollution faible.

Les diatomées réagissant très bien et rapidement aux charges organiques et minérales, elles mettent très bien en évidence les caractéristiques de ces différentes situations. Elles peuvent donc être utilisées comme indicatrices du fonctionnement des stations d’épuration et de l’impact des rejets épurés ou non et donc comme outils de gestion. Elles montrent par exemple que si on se limite aux traitements 1aire et 2aire, on ne peut pas ou difficilement dépasser le niveau de pollution modérée car il reste une eutrophisation. Pour aller plus loin, il faut éliminer une plus grande part des nitrates et des phosphates, ce que l’on commence à faire dans les nouvelles stations d’épuration. Différentes méthodes existent: des procédés chimiques (précipitation des phosphates) et biologiques (dénitrification, déphosphatation) pour les grandes stations, lagunage pour les petites agglomérations.
On peut alors se trouver en pollution faible dès le point de rejet.

7.2.  Comparaison des indices en fonction de l'éloignement du point de prélèvement par rapport au point de rejet

Quand on passe de la station S1 à la station S3, les indices augmentent dans tous les cas. C’est le résultat de l’autoépuration. Son effet est limité quand il n’y a pas d’épuration (l’indice passe de 2,3 à 3,0). Elle est bien plus efficace quand la charge organique est déjà minéralisée par une station d’épuration puisque l'on obtient des indices de 3,5 (tout près du niveau de pollution faible qui commence à 3,6) et de 3,9 (pollution faible).

Ajouter une épuration tertiaire augmente encore le coût de construction des stations d’épuration mais c’est la condition pour retrouver le plus rapidement possible des cours d’eau de qualité !

8. Sortie du scénario

Dans la barre de menu, cliquer sur Terminer. Le logiciel affiche la carte générale des 3 bassins versants. Un autre scénario peut être entrepris.

Fiches de rapport d’activité avec réponses-types

>>> Voir Variante 1: synthétique
>>> Voir Variante 2 : détaillée

[SOMMAIRE]