Cours de Génie Sanitaire IV : Gestion Intégrale des Déchets Liquides Urbains et Ruraux

Introduction et Importance Sanitaire de l'Assainissement

• Contexte Mondial et Menaces : Le manque d'accès à des structures d'assainissement adéquat est une menace majeure pour la santé humaine mondiale. En 1988, selon l'OMS, plus de $1,7 \times 10^{9}$ personnes étaient dépourvues d'assainissement adéquat, dont $331 \times 10^{6}$ en milieu urbain et $1,388 \times 10^{9}$ en milieu rural.

• Évolutions Historiques et Concept Hygiéniste :

  • L'accumulation de déchets au début du XIXème siècle a provoqué des épidémies urbaines (Choléra à Paris en 1832 et 1848).

  • Le concept "hygiéniste" naît vers 1770 (étymologiquement lié aux hôpitaux) avec pour but de rendre sain et d'évacuer rationnellement les eaux pour améliorer le cadre de vie.

  • L'objectif moderne a évolué vers l'épuration : traiter les eaux usées avant rejet pour protéger le milieu naturel face à l'augmentation de la pollution industrielle et démographique.

• Objectifs Sanitaires et Socio-économiques :

  • Préserver l'hygiène des populations et protéger contre les inondations.

  • Protéger les milieux récepteurs pour leurs usages (pêche, baignade, eau potable).

  • L'assainissement est un moteur du développement économique et social.

Cadre Institutionnel et Origines des Eaux Usées

• Cadre Réglementaire (Maroc) :

  • Loi 10-95 : Établit que l'eau appartient au domaine public ; son usage est soumis à redevance pour garantir une gestion durable et équitable.

  • Loi 36-15 : Prône la gestion intégrée, décentralisée, et le droit des citoyens à un environnement sain.

  • Loi 11-03 : Relative à la protection et à la mise en valeur de l'environnement, imposant un équilibre entre développement national et protection écologique.

• Nature et Origine des Eaux Usées :

  • Eaux usées domestiques :

    • Eaux ménagères : Salles de bains et cuisines (détergents, graisses, débris organiques).

    • Eaux vannes : Toilets/WC (matières organiques azotées, germes fécaux).

  • Eaux pluviales : Chargées de polluants atmosphériques (pluie acide, fumées) et résidus de chaussée (hydrocarbures, métaux lourds). Elles deviennent des "eaux usées" lorsqu'elles sont mélangées aux effluents urbains.

  • Eaux usées agricoles : Source de pollutions diffuses (pesticides, engrais azotés et phosphatés) entraînant l'eutrophisation des nappes et cours d'eau.

Systèmes d'Assainissement Urbain

• Modes d'Assainissement :

  • Collectif : Réseau public de canalisations évacuant l'effluent vers une station de traitement (STEP). Adapté aux zones à forte densité.

  • Non Collectif (Autonome/Individuel) : Solution alternative pour les zones rurales à faible densité, assurant une protection satisfaisante des milieux.

• Types de Réseaux de Collecte :

  • Système Unitaire ("Tout-à-l'égout") : Eaux usées et pluviales dans une seule canalisation. Utilise des déversoirs d'orage pour rejeter la surverse en cas d'inondation.

  • Système Séparatif : Deux réseaux distincts (un pour les eaux usées vers la STEP, un pour les eaux pluviales vers le milieu naturel).

  • Système Pseudo-Séparatif : Les eaux de toiture/cours sont mêlées aux eaux usées, tandis que les eaux de voirie restent séparées.

  • Systèmes Spéciaux : Sous pression, sous dépression, systèmes mixtes ou composites.

• Schémas de Réseaux :

  • Perpendiculaire : Évacuation rapide vers le cours d'eau.

  • Déplacement latéral : Collecteur parallèle au cours d'eau (nécessite souvent des relèvements).

  • Collecte transversale oblique : Adapté aux faibles pentes.

  • Zones étagées (Interception) : Multiplication des collecteurs longitudinaux.

  • Radial ou Centre collecteur unique : Converge vers des points bas pour relevage ; idéal pour régions plates.

Caractéristiques et Paramètres de Pollution

• Paramètres Physico-chimiques :

  • Température : Influence la solubilité des gaz et le processus biologique.

  • MES (Matières en Suspension) : Particules organiques/minérales non dissoutes ; baisse la photodiversité par turbidité.

  • $pH$ : Mesure l'acidité/alcalinité ; l'activité biologique optimale est entre $6.5$ et $8$.

  • DCO (Demande Chimique en Oxygène) : Oxygène requis pour l'oxydation chimique des composants ($mg/l$).

  • $DBO_5$ (Demande Biochimique en Oxygène sur 5 jours à $20\,^\circ C$) : Quantité d'oxygène pour la décomposition biologique de la matière organique.

  • Biodégradabilité : Si \frac{DCO}{DBO_5} < 2, facile ; si \frac{DCO}{DBO_5} > 4, difficile.

  • Éléments Nutritifs : Azote (NTK, nitrates $NO_3$, nitrites $NO_2$) et Phosphore ($PT$). Risque d'eutrophisation si P > 0.03\,mg/l.

• Équivalent Habitant (EH) :     Unités de mesure : $60\,g\,O_2/j$ de $DBO_5$, $135\,g$ de DCO, $15\,g$ NTK, $4\,g$ PT pour un volume de $120\,l$ à $150\,l$ d'eau usée.

  • Système séparatif : $54\,g/hab/j$.

  • Système unitaire : $74\,g/hab/j$.

• Paramètres Biologiques (Pathogènes) :

  • Bactéries : Coliformes (indicateurs fécaux), Streptocoques fécaux, $E. coli$ (diarrhées hémorragiques).

  • Helminthes : Œufs issus des excrétas, réinfection par voie cutanée ou orale.

  • Virus : Poliomyélite, Hépatite A.

  • Protozoaires : Kystes d'Entamoeba histolytica (dysenterie amibienne).

Filière Eau : Procédés de Traitement en STEP

• 1. Prétraitements :

  • Dégrillage : Grilles manuelles ou automatiques. Pré-dégrillage (> 50\,mm), dégrillage ($10-40\,mm$), fin ($3-10\,mm$). Protège les pompes.

  • Dessablage-Déshuilage : Séparation gravitaire des sables et flottation des graisses via injection de bulles d'air.

• 2. Traitements Primaires :

  • Coagulation-Flocculation : Ajout de sels minéraux/polymères pour neutraliser les charges et agiter pour former des flocs.

  • Décantation Primaire : Bassins larges à faible vitesse. Élimine $50-70\,\%$ des MES et $30-40\,\%$ de la matière organique.

• 3. Traitements Secondaires (Biologiques) :

  • Aérobie (Cultures Libres) :

    • Boues Activées : Mélange en bassin d'aération puis clarification (décanteur secondaire).

    • Lagunage : Naturel (photosynthèse des algues, profondeur < 1\,m) ou Aéré (injecteurs d'air, profondeur $2-4\,m$).

  • Aérobie (Cultures Fixées) : Lits bactériens (ruissellement sur support poreux) ou Biofiltres.

  • Anaérobie (Biométhanisation) : Fermentation sans oxygène produisant du méthane ($CH_4$), $CO_2$ et eau.

• 4. Traitement Tertiaire (Complémentaire) :

  • Filtration sur lit granulaire : Sable ou anthropique pour retenir les MES.

  • Traitement Chimique : Déphosphoration (précipitation via chaux ou sulfate ferreux) et Dénitrification.

  • Désinfection : Chloration ($Cl$ liquide/gaz), Ozonation (oxydant puissant sans trace), Rayonnement UV (bloque le matériel génétique).

Filière Boues et Gestion de l'Air

• Filière Boues :

  • Épaississement : Statique (gravitaire) ou par flottation pour réduire le volume.

  • Stabilisation (Digestion) : Anaérobie ($35-37^\circ C$, produit du biogaz) ou aérobie (petites STEP).

  • Déshydratation : Naturelle (lits de séchage) ou mécanique (presses à vis, filtres à bandes, centrifugeuses, filtration sous vide).

  • Séchage thermique : Par conduction, convection ou rayonnement.

  • Destinations : Épandage agricole (fertilisant), compostage, incinération, enfouissement, ou rejet en mer (sous conditions).

• Filière Air (Désodorisation) :

  • Odeurs causées par les composés soufrés ($H_2S$), azotés ($NH_3$) et Acides Gras Volatiles (AGV).

  • Désodorisation Chimique : Tours de lavage acide ($H_2SO_4$ pour $NH_3$) et basique oxydante (soude/javel pour $H_2S$, AGV).

  • Désodorisation Biologique : Biomasse fixée sur matériau minéral/organique.

  • Adsorption : Utilisation de charbon actif pour piéger les molécules.

Échantillonnage et Dynamique des Débits

• Assurance Qualité (AQ/CQ) : Utilisation d'un laboratoire accrédité, étalonnage des sondes (pH-mètre, oxymètre), glacières à $4\,^\circ C$.

• Procédures d'Échantillonnage :

  • À partir d'un pont : Immersion brusque à $1\,m$ de profondeur.

  • À la perche : Mouvement en "U" avec goulot vers le bas.

  • À gué : Face au courant principal pour éviter les sédiments soulevés.

• Calcul des Débits (Eaux Usées) :

  • Débit moyen journalier : $Q_{m,j} = Q_{potable} \times Cr$ avec $Cr = 0.8$ (Coefficient de restitution).

  • Débit de pointe journalier : $Q_{p,j} = Q_{m,j} \times K_p$

  • Coefficient de pointe : $K_p = 1.5 + \frac{2.5}{\sqrt{Q_{m,j}}}$ avec 1.5 < K_p \le 4.

• Estimation Pluviale (Méthode Rationnelle de CAQUOT) :

  • $Q_{brut} = k^{1/u} \times I^{v/u} \times C^{1/u} \times A^{w/u}$

  • Dépend des coefficients de Montana ($a, b$), de la surface ($A$), de la pente ($I$) et du coefficient de ruissellement ($C$).

Assainissement en Milieu Rural (Maroc)

• Programme National d'Assainissement Mutualisé (PNAM) : Actualisation mutualisant le PNA (Urbain), le PNAR (Rural) et le PNREUE (Réutilisation). Vise l'amélioration sanitaire et la recherche scientifique.

• Approche Multi-barrière de l'OMS (2006) :     Neuf barrières pour réduire les risques sanitaires lors de la réutilisation des excrétas en agriculture :

  • 1-2 : Traitement et séparation à la source.

  • 3-5 : Barrières agricoles (techniques d'application, restriction de cultures, période d'attente avant récolte).

  • 6-9 : Barrières d'hygiène (équipement de protection, lavage des mains, cuisson des aliments, promotion de la santé).

• Systèmes Rurales Recommandés :

  • Individuels : Latrine traditionnelle avec puits perdu, TDSU (Toilettes à Déshydratation et Séparation d'Urine), fosse septique sur site.

  • Collectifs : Filtres plantés centralisés, lagunage, réacteurs anaérobies (RAFADE, UASB, RAC).

• Équipements Sanitaires :

  • Cuvette simple : Sans siphon, faible coût, mais odeurs.

  • Cuvette à séparation : Sans siphon, trois orifices, facilite la valorisation de l'urine.

  • Cuvette à chasse (manuelle/mécanique) : Siphon hydraulique contre les odeurs, haut confort, nécessite de l'eau.

• Réseaux d'Égouts Rurales :

  • Type A : Gravitaire conventionnel séparatif.

  • Type B : Réseau décanté (non conventionnel) à petit diamètre. Nécessite une fosse septique/décantation à chaque maison pour éviter le colmatage.

• Critères de Sélection : Mode d'approvisionnement (Branchement Individuel vs Borne Fontaine), espace disponible (min $5\,m^2/EH$), densité de population, nature du sol (risque nappe), accessibilité pour vidange, et facteurs socio-économiques.