Dans sa magie de cycles, de cercles, de tourbillons… la nature dévoile des délices de ce qui étaient nos déchets, pour elle nos poisons se révèlent être de véritables richesses…

Dispositif d’évacuation d’eau

C’est le cas des 150 litres d’eaux usées que nous produisons chaque jour, riches en nutriments, ils font le bonheur de certaines plantes des marais, roseaux, massettes, scirpes, saules, iris… et des micro-organismes qui habitent leurs racines. De nombreux processus naturels sont capables d’épurer l’eau lorsqu’elle coule dans une zone humide, en suivant un cycle de décomposition des matières organiques aboutissant à sa minéralisation puis à sa réabsorption par les plantes. Ainsi rivières, fleuves, lacs, ruisseaux, marais, mares, étang, tourbières, prairies humides, vallées inondable, lagunes, mangroves… les zones humides en général peuvent jouer un rôle important d’assainissement naturel.

La phytoépuration est née en s’inspirant de ces zones humides, et en remplaçant les procédés physico-chimiques d’assainissements traditionnels par un mode d’épuration naturels proche de ces écosystèmes. Aussi appelé phytofiltration, ou encore phytorestauation, phytoremédiation, phytostabilisation, rhizofiltration, bioremédiation, bioturbation ou plus simplement lagunage, marais filtrant ou filtre planté…

Ce système d’épuration économe en énergie et en maintenance permet d’améliorer la qualité des eaux polluées, comme les eaux de ruissellement, les eaux usées domestiques, agricoles, industrielles, lixiviats de décharge, rejets pétroliers et miniers. Grâce à ce procédé d’assainissement, l’eau est rejetée à un niveau de qualité « eau de baignade ».

Phyto-épuration : traitement des eaux usées

Les procédés traditionnels d’assainissements utilisent des moyens physiques (décantation, flottation, filtres et membranes), des produits chimiques, notamment des coagulants (chlorure ferrique, sulfate d’aluminium…), des floculants, et parfois des désinfectant comme le chlore ou l’ozone pour éliminer les germes pathogènes.

Ces procédés sont non seulement coûteux, énergétivores et parfois polluants, mais produisent à leur tour des sous-produits : déchets grossiers, sables et boues devant être dépolluées, décantées, stabilisées et traitées…

Le traitement des eaux usées par filtre planté peut se faire à toutes les échelles, à celle d’une ville comme celle d’un foyer. Des villes comme New York, Munich, Suzhou, Fuyang ou Calcutta utilisent ces systèmes alternatifs. En France, ils ont été mis en place à Honfleur, Caen, Grandville, Rochefort, Bègles…

Les filtres plantés peuvent être utilisés comme traitement autonome, ou bien peuvent prendre part à une série de procédés de traitement complexe. Une des applications les plus fréquentes, celle que nous développons ici est le traitement secondaire des effluents des eaux usées domestiques. Ce système économe en énergie, en infrastructure et en maintenance est généralement fiable, s’auto adaptant, pourtant il ne sera réellement efficace que s’il est soigneusement conçu, construit, exploité et entretenu.

Les types de filtre planté

Un filtre planté forme un écosystème complexe, intégrant de l’eau, des plantes, des animaux, des micro-organismes et leur substrat. Ils agissent en transition entre la terre et l’eau. Au sein des zones humides, les limites entre la terre ferme et les eaux profondes sont mal définis, indistinctes ; les conditions hydrologiques fluctuent, le substrat peut-être saturé au cours de longues périodes, s’appauvrissant en oxygène et limitant son peuplement végétal aux seules espèces adaptées à ce manque d’oxygène.

Fonctionnement des filtres plantés

Par ailleurs, le flux très lent de l’eau circulant dans ces écosystèmes permet un contact prolongé avec la masse complexe de matières organiques et inorganiques, favorisant ainsi les échanges avec la communauté de micro-organismes qui décomposent ou transforment une multitude de substances.

Différentes étapes assainissement des eaux usées domestiques

Ce monde complexe du filtre fonctionne par une série d’interaction physique, chimique et biologique comme la filtration, la sédimentation, l’absorption, la dissolution… ce traitement est reconnu pour son efficacité de traitement des demandes biochimiques en oxygène (DBO5) et des solides en suspension, dont 60 à 90% disparaissent.

Le traitement de l’azote et de l’ammoniac par nitrification varie suivant le système utilisé, le traitement du phosphore est plus limité, car il se fait par simple accumulation dans le sol. Enfin le nombre de virus et de bactérie pathogène est grandement diminué par ce type de traitement, en particulier grâce à l’activité antibiotique des racines et la prédation des micro-organismes présents dans le filtre.

Les filtres plantés peuvent prendre plusieurs configurations différentes :

Le lagunage

Sous forme de lagunage, où l’eau forme un flux en surface, ou bien sous forme de percolateur où le flux d’eau circule en souterrain, enfin par un système hybride qui travaille en surface et en souterrain. Les filtres plantés peuvent également être combinés avec des technologies de traitement conventionnelles.

Les bassins de lagunage ou filtre à flux de surface se présente comme un bassin ou un fossé étanche et planté, où l’eau circule avec une très faible profondeur. La surface de l’eau est à l’air libre, au-dessus du substrat. Ce système ressemble beaucoup aux zones humides naturelles comme les marais et peuvent fournir des habitats fauniques et des avantages esthétiques en plus du traitement de l’eau.

La filtration proche de la surface se fait en aérobie tandis que les eaux plus profondes et le substrat travaillent généralement en anaérobie. Les avantages de ce type de filtre sont dans leurs faibles coûts de construction et d’exploitation et la simplicité de maintenance. Leur principal inconvénient est dans le besoin d’une plus grande surface que les autres systèmes.

Les systèmes de percolation ou de filtration souterraine

Arrive d’eau dans un filtre planté

Les systèmes de percolation ou de filtration souterraine sont conçus sous forme de bassins fermés et étanches remplis de substrat poreux, de terre, de roche ou de gravier, saturé en partie. Le niveau d’eau demeure au-dessous de la surface du substrat. Dans la plupart des systèmes, la voie d’écoulement est horizontale, bien que certains systèmes utilisent un flux vertical.

En raison des contraintes hydrauliques imposées par le substrat, ces systèmes sont les mieux adaptés aux eaux usées ayant une teneur relativement faible en solides et avec des concentrations d’écoulement relativement uniforme.

Avantages : ces filtres offrent une tolérance au froid, une protection des parasites et la réduction des problèmes olfactifs. Le milieu poreux offre une plus grande surface de contact ainsi le traitement est plus rapide et utilise moins de surface que le premier système.

Inconvénients : possible problèmes d’engorgement et dans leur coût de construction et d’entretien plus important.

Les systèmes hybrides

Les systèmes hybrides mettent en place une séquence avec différentes cellules conçues pour différents types de réactions, avec les deux systèmes précédents. Cela permet aussi un traitement plus efficace.

Implantation du filtre

La conception générale d’un filtre planté tente d’imiter la structure globale des zones humides naturelles. La conception doit être simple, demandant un minimum d’entretien, de technologie et d’énergie, par exemple : l’écoulement gravitaire est préférable aux pompes de relevage… Une approche technologique complexe conduit souvent à l’échec.

Prendre en compte les éléments climatiques et géographiques

Le filtre doit être configuré pour répondre aux besoins des eaux usées, son dimensionnement doit être calculé en prévision des extrêmes météorologiques et climatiques (et non des moyennes). Les tempêtes, les inondations et les sécheresses sont à prévoir et non à craindre. De même l’ensemble du système doit se fondre dans le paysage, et non contre lui, en prenant avantage des caractéristiques naturelles du site, sa géographie, sa géologie, sa topographie, et en minimisant les perturbations.

S’attendre à une période d’aménagement longue

Enfin comme organisme vivant, ces systèmes demandent du temps pour se mettre en place et devenir fonctionnels, plusieurs années peuvent s’écouler avant que leurs performances atteignent des niveaux optimaux. Les stratégies qui tentent d’accélérer ou de court-circuiter le processus de développement naturel du système réussissent rarement.

Critères pour implanter un système de phyto-épuration

Chaque site est unique et la conception d’un système de filtre planté est spécifique pour chaque site. La phase de planification consiste à définir la quantité et la qualité des eaux usées à traiter, à vérifier les normes de qualité à respecter, à choisir le site, à sélectionner le type de système, de configuration et sa superficie requise, à choisir la végétation et à préciser les critères de conception à respecter par l’ingénierie détaillée du projet.

Hiérarchisation des objectifs à atteindre

La hiérarchisation des priorités et des objectifs du système de filtre est la clé de la création d’un système performant. Les caractéristiques des zones humides naturelles locales devraient être utilisées comme un modèle pour la construction du filtre, leur fonctionnement doit être imité, mais aussi modifié et adapté pour répondre aux besoins du projet et aux spécificités du milieu humide.

Imiter la topographie à la phase de dessin

Les dessins trop réguliers sont rarement adaptés à ces systèmes (bassins rectangulaires, structures rigides, canaux, et morphologie orthogonale), de plus les angles droits ont tendance à ralentir les flux et à recevoir de l’eau stagnante. Il s’agit au contraire d’imiter les systèmes naturels, le nombre de cellules dépend de la topographie, l’hydrologie et la qualité de l’eau. Sur un terrain plat, les cellules peuvent être créées avec des digues.

Sur les sites en pente, les cellules peuvent être en terrasse pour réduire l’importance des mouvements de terre, des terrassements nécessaires et augmenter la qualité visuelle du site. Les terres excavées peuvent créer des reliefs sur le paysage existant. Les bassins et les chenaux peuvent être courbés pour suivre la topographie naturelle du site. Différents types de végétation peuvent être plantés à l’intérieur et autour des filtres afin de réduire l’érosion, former des écrans visuels, définir l’espace, contrôler le microclimat.

La planification doit être orientée vers la création d’un système biologique et hydrologique fonctionnel. La possibilité d’expansion future de l’opération doit être prise en considération. Le projet doit prévoir un plan d’urgence au cas où le système n’atteint pas les performances attendues. Enfin, si nécessaire le projet doit être soumis et approuvés par les autorités compétentes.

Bien choisir son site

Aménagement des filtres pour traiter l’eau

Le choix du site dépend des accès, la disponibilité des terres, de la topographie, des sols, des ressources environnementales, et des nuisances possibles sur les voisins. Le site devrait être situé le plus près possible de l’évacuation des eaux usées, et le long d’une pente afin que l’eau puisse s’écouler en système gravitaire. Si un filtre planté peut être construit sur presque n’importe quel site, les coûts de construction deviennent prohibitifs si de vaste de terrassement sont nécessaires.

L’efficacité d’un filtre planté pour le traitement des eaux usées ou des eaux pluviales est liée au temps de rétention de l’eau dans la zone humide. Le site choisi doit être de taille suffisante pour répondre aux exigences actuelles et de l’extension future. Les sols doivent être suffisamment compact pour minimiser l’infiltration des eaux souterraines et doivent se trouver au-dessus de la nappe phréatique et des plaines inondables.

Les éventuelles inondations, le niveau d’eau extrême des ruisseaux et la profondeur des nappes phréatiques sont à considérer pour éviter les problèmes de drainage du système lorsque l’eau s’évacue dans le milieu naturel.

Il faut aussi s’assurer que le site ne contienne pas de ressource environnementale importante, d’espèces menacées ou en voie d’extinction et qu’il n’ait pas de caractère archéologique ou historique. Si les odeurs ou les insectes peuvent être un problème, la zone humide doit être placé aussi loin que possible des habitations. Enfin le site doit être accessible au personnel, aux véhicules de livraison pour la construction et l’entretien.

L’utilisation actuelle et future et la valeur des terres voisines peuvent également affecter l’aptitude d’un site pour un milieu humide. Les avis des habitants du quartier et les groupes d’intérêt public doivent être pris en considération. Le filtre ne doit pas être placé en bordure de propriété, une grande zone tampon peut le séparer des voisins.

Prétraitement

Avant même d’implanter le filtre, un système de prétraitement des eaux usées doit être prévu. Celui-ci se compose d’un dégrillage, déshuilage et éventuellement d’un filtre à sable ou à paille.

• Le dégrillage consiste à retenir tous les gros déchets, déchets insolubles tels que les branches, les plastiques, les feuillages… Le système comprend une série de grilles, espacées d’environ 50 mm avec les mailles de plus en plus serrées.. Dès que les grilles sont encombrées par les déchets, un racleur (ou simplement un râteau) monte le long des grilles et les retire, ces déchets peuvent être triés puis compostés ou envoyés en décharge.

• Le déshuilage par écumage des graisses, élimine les huiles par un principe de la flottation. Son principe est basé sur l’injection de fines bulles d’air dans le bassin de déshuilage, permettant de faire remonter rapidement les graisses en surface (les graisses sont hydrophobes). Leur élimination se fait aussi par raclage et pompage de la surface. Ce système est obligatoire en sortie des cuisines, ou bien pour traiter les eaux de pluies ayant ruisselé sur les parkings ou la voirie. Les graisses retirées peuvent être recyclées en biocarburant par exemple…

• Du sable ou de la paille peuvent enfin être utilisé pour retenir des particules plus fines à travers les grains anguleux du sable ou des fibres de la paille. Cette litière doit être renouvelée régulièrement, elle peut être compostée.

Les composants du filtre

Substrat & écosysteme phyto-épuration

Une fois ce traitement primaire terminé, les eaux usées sont acheminées vers le filtre planté. Celui-ci est constitué d’un bassin artificiel rempli d’eau, de substrat et de plantes vasculaires. Ces composants sont des apports artificiels, les autres éléments importants, telles que les communautés de micro-organismes et d’invertébrés aquatiques, se développent naturellement.

Les zones humides naturelles apparaissent là où la topographie forme un bassin et où une sous-couche relativement imperméable empêche l’eau de surface de s’infiltre dans le sol. Ces conditions doivent être recréés pour la construction d’un filtre. Il peut être construit presque partout dans le paysage en terrassant le site pour recueillir les eaux de surface et en imperméabilisant le bassin pour conserver l’eau.

Les substrats

Utilisés pour construire un filtre, les substrats sont constitués de terre, de sable, de gravier, de pierres, et de matières organiques telles que du compost. Leur perméabilité affecte la circulation de l’eau ainsi, ils retiennent les sédiments et les déchets qu’elle transporte.

Non seulement ils servent de support à la végétation, mais deviennent aussi le support d’un grand nombre d’organismes vivants, et le lieu de nombreuses transformations chimiques et biologiques (en particulier bactériennes) formant une source de carbone et d’énergie pour l’activité biologique ; enfin ces substrats assurent le stockage de nombreux contaminants.

Les caractéristiques physiques et chimiques des sols sont modifiées lorsqu’ils sont inondés. Dans un substrat saturé, l’eau remplace l’air dans les cavités poreuses et les micro-organismes consomment rapidement le reste d’oxygène disponible. Le substrat devient alors anaérobique (sans air). Cette propriété est importante dans l’élimination des polluants tels que l’azote et les métaux.

De nombreuses terres sont appropriées pour les filtres plantés. Si le filtre utilise la terre extraite localement, il est important de connaître ses caractéristiques, elle devra être analysée avant d’être utilisée, on devra connaître sa conductivité hydraulique, sa perméabilité, sa teneur en argile et le type d’argile, son pourcentage de matières organiques et minérales. La capacité d’échange cationique, le pH, la conductivité électrique, la texture et la matière organique sont aussi des paramètres importants :

PH et conductivité électrique du sol

Le pH du sol affecte la disponibilité et la rétention des métaux lourds et des substances nutritives, il devrait être entre 6,5 et 8,5.

La conductivité électrique d’un sol affecte la capacité des plantes et des micro-organismes à traiter les déchets. Les sols avec une conductivité inférieure à 4 mMho /cm est plus adapté à la croissance.

Les particules de surface et leurs charges électriques ont une participation majeure dans l’activité du sol. La plupart des sols sont chargés négativement, ce qui permet des liaisons et des échanges électrostatiques avec les ions chargés positivement (cations), tels que Ca2 +, Mg2 +, Fe2 +, A1 3 + et Mn2, ainsi la capacité d’échange cationique mesure la capacité du sol à tenir ces ions de charge positive et donc des sédiments.

Cette capacité d’échange varie largement entre les différents sols, plus les sols sont sableux et plus leur capacité d’échange est faible, au contraire plus ils sont argileux et plus la capacité d’échange est forte celle du sol du filtre devra être supérieure à 15mq/100g de sol.

Les types de sols et les matières organiques du sol

Le potentiel d’oxydoréduction du sol est un facteur important dans l’élimination de l’azote et du phosphore.

Les types de plantes pour la phyto-épuration

Le sol doit fournir suffisamment de matières organiques pour alimenter la croissance des plantes et l’activité des microorganismes, en particulier pendant la phase de démarrage. Les filtres plantés sont souvent construits sur des sites aux sols infertiles, et des amendements organiques, tels que le compost, les feuilles mortes, ou de boues d’épuration, peut être intégrée dans le support de départ.

La capacité du sol à retenir les contaminants varie en fonction de sa texture, de sa granulométrie et de son rapport avec l’eau :

• Les sols organiques denses, tels que les argiles et schistes, doivent être évités. Le débit d’eau à travers ces sols est lent et leur texture dense empêche la pénétration des racines, enfin leur faible teneur en éléments nutritifs limite la croissance et le développement.

• Les sols de texture moyenne ou les sols limoneux sont un bon choix, les textures fines de limon permettent plus de contact de l’eau, ils ont une bonne rétention des polluants et peu de restrictions sur la croissance des plantes, tendres et friables, ils laissent les racines et rhizomes pénétrer facilement.

• Les sols sableux, graveleux, ou volcanique (comme le pouzzolane) à texture grossière, ont une porosité élevée (l’eau se déplace rapidement à travers ce sol), ils possèdent donc un faible potentiel de rétention de polluants, mais peu ou pas de contraintes sur la croissance des racines. Ces sols tiennent bien, mais apportent peu d’éléments nutritifs aux plantes. Les ajouts de matières organiques pour les sols à texture grossière améliorent la survie de la plante et la croissance au cours des premières années, avant que les déchets organiques s’emmagasinent au sein de la zone humide. Ces sols ayant un drainage rapide, ils peuvent avoir besoin d’être irrigués pour maintenir les niveaux d’eau suffisant à la végétation.

• Les sols riches en aluminium, ainsi que les sols argileux disposent d’un potentiel d’assimilation plus fort pour le phosphore que les sols organiques, ce qui les rend bien adaptées pour le traitement des eaux usées domestiques.

Bien que les tourbes soient fréquentes dans les zones humides naturelles, elles ne sont pas adaptées à la construction de filtre planté. Elles dégagent des acides organiques, qui affaiblie son pH, et lorsqu’elles sont inondées, les tourbes ont structure tendre inadéquate pour maintenir les plantes.

Les matières organiques stabilisées, tels que le compost de champignons, la sciure de bois, de foin ou de paille, et la litière de poulet, sont parfois utilisés comme substrats organiques, ou comme complément. Cette matière organique est une source de carbone pour soutenir l’activité microbienne. Ces matières organiques consomment également de l’oxygène et créent des environnements anoxiques nécessaires pour certains procédés de traitement, tels que la réduction des nitrates et la neutralisation des drainages miniers acides.

La végétation

Différents types de substrats pour un système phyto-épuration

Les plantes macrophytes vasculaires (plantes supérieures) et non-vasculaires (algues) jouent un rôle important. La photosynthèse produite par les algues augmente la teneur en oxygène de l’eau qui affecte à leur tour les éléments nutritifs et les réactions.

Les plantes vasculaires contribuent au traitement des eaux usées par un certain nombre de moyens: elles stabilisent les substrats et limitent la vitesse des flux d’eau, ce qui permet à la matière en suspension, le carbone, les éléments nutritifs et les oligo-éléments d’intégrer les tissus végétaux. Elles ventilent le substrat en apportant de l’air entre leur tige et les racines, celles-ci sont des points de fixation pour les micro-organismes. Enfin elles produisent de l’humus au moment de leur décomposition.

Les filtres sont généralement plantés de végétations émergentes non-ligneuses (plantes qui poussent avec leurs racines dans le substrat et leurs tiges et les feuilles qui sortent de l’eau de surface). Les plantes communément utilisées comprennent la scirpe, le roseaux, la quenouille… L’utilisation d’au moins 2 ou 3 espèces végétales et une couverture végétale complète de l’espace sont deux facteurs très important pour la stabilité de l’ensemble. Une liste détaillée de « plantes filtrantes » est disponible sur cette page végétation.

Importance des miro-organismes dans la végétation

Le fonctionnement des filtres plantés est largement régulé par les micro-organismes: bactéries, levures, champignons, protozoaires, algues…. Cette biomasse et son métabolisme « digère » le carbone organique et les éléments nutritifs. Son activité décompose et transforme une grande partie des substances organiques et microbiennes en éléments inorganiques, minérales et inoffensifs ou en substances insolubles. Certaines transformations se font en aérobie (ont besoin d’oxygène), tandis que d’autres sont anaérobies (sans oxygène).

De nombreuses espèces de bactéries sont capables de fonctionner à la fois aérobie et anaérobie en réponse à l’évolution des conditions environnementales. L’eau des zones humides sature le substrat et créé des conditions anaérobiques, seulement les décompositions bactériennes en anaérobie produisent entre autre des sulfures d’hydrogène, de l’acide butyrique, de l’ammoniac, de l’acide acétique… responsable de nuisances olfactives.

En aérobie, les bactéries ne produisent pas de mauvaises odeurs, leur décomposition est saine et limite le développement de pathogène. L’un des rôles de la végétation des zones humides est de percer le substrat pour apporter de l’oxygène nécessaire aux bactéries aérobies. Avec ou sans air, les populations de micro-organismes s’adaptent aux changements des eaux qu’elles doivent traiter.

Elles peuvent se développer rapidement en cas d’apports énergétiques importants ou au contraire en l’absence de nutriment, demeurer en veille pendant des années. La communauté de micro-organismes d’un filtre planté peut être affectée par des substances toxiques comme les pesticides et les métaux lourds et l’on doit prévenir l’introduction de tels produits chimiques à des concentrations dommageables.

De même le filtre constituent l’habitat d’une riche diversité d’invertébrés (insectes, vers…) et de vertébrés (amphibiens, tortues, oiseaux et mammifères…). En symbiose avec l’activité du filtre, ils remplissent un certain nombre de rôles écologiques. Les invertébrés contribuent au processus de traitement des déchets par fragmentation et consommation de matières organiques. Les larves de nombreux insectes sont aquatiques et consomment des quantités importantes de substances au cours de leur croissance.

Biodiversité des insectes et animaux

Les zones humides sont aussi l’habitat d’insectes plus désagréables comme les moustiques, ainsi on doit prévoir des moyens pour défavoriser leur développement, comme en évitant l’eau stagnante (habitat et lieu de reproduction) et en maintenant un flux d’eau continu, en limitant l’ombrage de la surface de l’eau et la dispersion des tapis flottants de lentilles ou d’autres plantes flottantes.

Passereau, hirondelles, et chauves-souris se nourrissent aussi de milliers de moustiques adultes tous les jours, il est donc possible de leur créer des conditions propices, des habitats, des perchoirs, des mangeoires pour réduire le nombre de moustiques. Certains poissons (Gambusie, Crapet-soleil) peuvent être mises en place comme prédateur des larves de moustiques, certains insectes aussi comme la libellule et certaines mouches…

Les oiseaux de marais et de rivières (canards, colverts, sarcelle, poules d’eau, hérons, merles, hirondelles…) aiment également se nicher dans les zones humides.

Contrairement aux systèmes d’épuration classique, les filtres plantés participent à la biodiversité du site, ils apportent aussi des avantages esthétiques et paysagés. Visuellement, ces zones humides sont particulièrement riches et contribue à la diversité du paysage, par la complexité et la variété de formes, de couleur, de taille des plantes, et de leur implantation par rapport à la topographie.

Hydrologie et dimensionnement du filtre

L’hydrologie d’un filtre planté est peut-être le paramètre le plus important, il est souvent le principal facteur de succès ou d’échec du filtre. Un simple changement dans l’hydrologie peut avoir des effets assez importants sur ce type de filtre et son efficacité de traitement. La conception des systèmes conventionnels est généralement basée sur le temps de résidence hydraulique (et donc du volume d’eau), ainsi que le taux de chargement.

Les filtres plantés dépendent d’un certain nombre de facteurs et d’apports énergétiques extérieurs (soleil, pluie, propagules, atmosphères), ainsi que de la végétation, et de la biomasse des micro-organismes liés à ces plantes et aux sédiments. Le facteur hydrologique dans la conception du filtre se rapporte au volume d’eau, sa régularité, ses limites, et son mouvement à travers le filtre.

Les questions de l’hydrologie concernent le climat et la météorologie, la période humide, le temps de séjour hydraulique, le taux de charge hydraulique, les échanges avec les eaux souterraines (infiltration et exfiltration), les pertes dans l’atmosphère (l’évapotranspiration) et, dans l’ensemble le bilan hydrologique.

Influence du climat sur le site de phyto-épuration

Un système simple de traitement des eaux usées

Les filtres plantés constituant de minces surfaces d’eau largement ouvertes à l’air libre, ils sont fortement influencés par le climat et la météo. Les précipitations, la fonte des neiges, le ruissellement printanier, la sécheresse, gel, et la température peuvent les affecter. Le flux élevé causé par de fortes pluies et la fonte des neiges rapide raccourcit les temps de séjour, augmentant les vitesses d’écoulement et raccourcissant des temps de contact.

L’efficacité d’une zone humide peut donc diminuer au cours de ces périodes. Un fort débit d’eau peut diluer certains polluants dissous, tout en augmentant la quantité de matières en suspension dans le filtre, les premières eaux de ruissellement des tempêtes estivales entraînent plus de sédiments et de dépôts concentrés en pollution. De même la fonte des neiges et le ruissellement printanier transportent plus de la moitié des nitrates et de phosphore exporté au cours de l’année.

Ainsi il est important de consulter :

• Les données météorologiques et les relevés climatiques indiquant les périodes humides, la répartition saisonnière des niveaux d’eau, la fréquence et l’ampleur des précipitations et des inondations. Ces mesures doivent être prises en compte pour le dimensionnement et la gestion du filtre.
• En hiver, les zones humides continuent à assainir l’eau par temps froid, seulement les températures minimales limitent la capacité des zones humides pour traiter certains polluant, le gel en hiver et au début du printemps peut réduire de traitement. Les procédés physiques, comme la sédimentation continue indépendamment de la température, à condition que l’eau ne gèle pas. La plupart des réactions ont lieu au sein du substrat, où la décomposition et l’activité micro-bactérienne génèrent assez de chaleur pour maintenir les sous-couches hors gel. Le traitement de l’eau se poursuit sous la glace.
• Le mouvement de l’eau entre le filtre et les eaux souterraines peut avoir des incidences importantes sur l’hydrologie, cependant, les filtres sont généralement étanches pour éviter la contamination possible des eaux souterraines. Si le filtre est bien imperméable, l’infiltration peut être considérée comme négligeable.
• L’évapotranspiration est l’ensemble des pertes d’eau par la transpiration des plantes et l’évaporation de l’eau de surface. Les surfaces des zones humides étant importante par rapport au volume d’eau, l’évapotranspiration est un facteur important. En outre, de nombreuses plantes de zones humides ne conservent pas l’eau par temps chaud et sec comme la plupart des plantes terrestres et envoient des quantités considérables d’eau dans l’atmosphère.

L’adéquation des flux en été aura une incidence sur les niveaux d’eau dans les filtres et le montant des effluents des zones humides disponibles pour le recyclage (si cela fait partie de la conception). Si les pertes dépassent les débits d’arrivée d’eau, un apport hydraulique supplémentaire sera nécessaire pour maintenir le filtre humide et à éviter la concentration des polluants à des niveaux toxiques.

On a constaté que les peuplements denses de plantes aquatiques émergentes réduit le total de la perte d’eau des prairies, ainsi la végétation élimine moins d’eau par transpiration que l’évaporation des eaux de surface. Ainsi, la densité de végétation a une incidence forte sur l’hydrologie, car d’une part, elle ralentie les flux d’eau qui trouve leurs cours sinueux à travers le réseau des tiges, feuilles, racines et rhizomes et, d’autre part, elle bloque l’exposition au vent et au soleil.

Comment déterminer le bilan hydraulique

Le temps de séjour hydraulique d’un traitement est la durée moyenne de résidence de l’eau dans le filtre, exprimé en volume moyen divisé par le taux moyen des sorties. Si un court-circuit apparaît, ce temps de résidence efficace peut différer sensiblement des temps de séjour calculé.

Le taux de charge hydraulique se réfère au chargement sur un volume d’eau par unité de surface. [chargement = (paramètre de concentration) (volume d’eau / surface)].

L’équilibre hydraulique d’un filtre planté prend en compte le débit entrant, le stockage et le débit sortant. L’apport d’eau inclut les eaux de surface (eaux usées ou pluviales), l’infiltration des eaux souterraines (pour les filtres non étanche), et les précipitations: Le stockage comprend l’eau de surface plus les cavités poreuses du substrat.

Le débit sortant comprend l’évaporation à la surface de l’eau, la transpiration par les plantes, les rejets d’effluents, et exfiltration des eaux souterraines. Lors de la conception et le fonctionnement, l’équilibre du filtre est important pour déterminer la conformité aux limites souhaitées pour le temps de séjour hydraulique, le taux de charge hydraulique, et les bilans massiques. Une simple équation de bilan hydrique est exprimé sous la forme :

• V= Q + P + I – O – E T
• Où: V = Volume d’eau
• Q = débit entrant des eaux usées et/ou des eaux pluviales,
• P = contribution des précipitations
• I = infiltration net (infiltration moins exfiltration)
• O = débit sortant
• ET = perte due à l’évapotranspiration.

L’équation peut être utilisée pour calculer l’équilibre de l’eau de manières quotidiennes, mensuelles, annuelles ou intermédiaires. Des bilans hydriques détaillés peuvent être préparés pour un site particulier avec les données recueillies lors de la préparation du projet. Si de grandes variations saisonnières sont prévues, les données mensuelles sont essentielles.

Un certain nombre de facteurs peuvent être ajustés au cours du fonctionnement :

• le débit d’eau sortant peut varier

• le taux d’évapotranspiration peut être modifié par l’ombrage, les brise-vent, la sélection et la gestion de la végétation autour des zones humides

• la capacité de stockage peut être ajusté avec le contrôle de l’eau des filtres à flux de surfaces, la capacité de stockage peut être augmentée par des travaux d’excavation profonde ou diminué par l’ajout de remblais.

Le dimensionnement du filtre dépend aussi des caractéristiques et de la qualité de l’eau à traiter, son taux de pollution et sa quantité. Une analyse préalable devra déterminer son pH, son alcalinité, ses demandes biochimiques en oxygène sur 5 jours (DBO5), ses solides en suspension, ses solides dissous, son taux d’oxygène dissous, son taux de dioxyde d’azote (Nitrite), de nitrate et d’azote (NO2+NO3-N), de phosphore, de métaux lourds (plomb, mercure, chrome, zinc), d’organismes réfractaires et de bactérie coliforme…

Le volume d’eau à traiter doit être connu sur des périodes journalières, mensuels, saisonnières. Le dimensionnement dépend essentiellement des demandes biochimiques en oxygène sur 5 jours (DBO5) en mg/L, qui correspond à la quantité d’oxygène nécessaire pour oxyder les matières organiques (biodégradables) par voie biologique (oxydation des matières organiques biodégradables par des bactéries). Elle permet d’évaluer la fraction biodégradable de la charge polluante carbonée des eaux usées.

Elle est en général calculée au bout de 5 jours à 20°C et dans le noir. Cette demande se réduit dans le filtre par l’activité bactérienne (aerobique et anaérobique) et par sédimentation. Le calcul détaillé qui permet de dimensionner le filtre pour le traitement des DOB5 dépend de nombreux paramètres comme les taux de chargement, la pression hydraulique, la température, la porosité du substrat …

On considère usuellement que le taux de chargement en BOD5 ne doit pas dépasser 10g/m²/jour pour les filtres en surface (lagune)
D’une manière générale on peut considérer qu’une personne rejette en moyenne 100 à 150litre d’eau usée par jour, ceux-ci peuvent être au minimum par traité par :

• 2 à 5m² de filtre en flux de surface (lagune) d’une profondeur de 7 à 20cm d’eau avec un niveau extrême de 50cm

• 1,5 à 3m² de filtre en flux souterrain (percolateur) d’une profondeur de 30 à 60cm d’eau avec un niveau extrême de 1m
  Pour le traitement des nitrates et de l’ammoniac, on peut prévoir en fin de parcours des bassins plus profonds (60cm à 1m) et plus ouvert, ceux-ci augmentent la nitrification et la dénitrification

Configuration du filtre

Le mode de traitement et les exigences du site déterminent la configuration précise du filtre, son dimensionnement, sa complexité et son niveau de détail.

• La construction comprend la création de la voie d’accès; la construction des digues et des bassins; les canalisations et les vannes et enfin les plantations.

• Le fonctionnement hydraulique des systèmes de filtre peut être fortement pénalisé par une mauvaise construction, et les courts-circuits des flux qui en résultent.

Phyto-épuration & substrats de purification

Les filtres plantés sont constitués de bassins, ceux-ci peuvent être excavés dans un terrain ou bien utilisé des bassins naturels ou encore se créer entre des remblais de terre (digues), ou par une combinaison des trois. Si de nombreuses configurations sont possibles ( compartimentage, entrée et sortie unique ou multiples…) elles doivent être basées sur le site.

La forme optimale des bassins utilise un ratio longueur largeur de 3 sur 1 ou bien 4 sur 1. Il faut bien sûr se servir des pentes naturelles du terrain pour tirer au maximum partie du système gravitaire, ainsi une pente minimale de 0.5% jusqu’à 1% pour les filtre en flux de surface et un fond de bassin horizontale pour les cellules des filtres flux sous-terrain doivent être prévu.

Prévoir les digues intermédiaires

Il est possible de multiplier les bassins en les compartimentant par des digues intermédiaires, cela permet d’isoler ces cellules pour leur maintenance ou bien l’isoler d’un pathogène ou encore pour alterner et permettre du repos aux plantes.

Cela permet aussi d’augmenter la longueur de parcours en plusieurs boucles et de diminuer les courts-circuits. Le fonctionnement des cellules en alternances (tous les mois par exemple) permet de minimiser le colmatage du filtre en ménageant des phases de repos permettant la minéralisation des matières organiques.

Les parois doivent être compacts et stable et être suffisamment élevés pour contenir les volumes d’eau les plus importants, ainsi que l’accumulation progressive des déchets et des sédiments. Un déversoir d’urgence peut être mis en place en cas de crus.

Les différents matériaux pour aménager le filtre

Les filtres plantés devraient être conçus et construits de manière fiable et sûre. Il est important de recourir à un entrepreneur qualifié, les niveaux altimétriques doivent être exacts afin d’assurer les régimes hydrauliques, et le compactage et l’étanchéité doivent être de bonne qualité pour contrôler l’infiltration et exfiltration et assurer la stabilité des talus.

• Les bassins doivent être imperméables pour éviter tout risque de contamination des eaux souterraines et empêcher l’infiltration d’eaux souterraines. Lorsque le bassin est constitué de sols argileux, un simple compactage peut suffire pour étancher le filtre.

• Les terrains rocheux, caillouteux ou sableux devront être imperméabilisés par une autre méthode.

• Après un compactage, la bentonite, ainsi que d’autres d’argile, peut être utilisé, tout comme les revêtements synthétiques comprenant de l’asphalte, du caoutchouc synthétique, ou encore des géomembrane et géotextile antipoinçonnant en polyéthylène haute densité.

• Le revêtement doit être solide, épais, lisse et pour empêcher la saisie ou la pénétration des racines. Enfin le bassin étanché est recouvert du substrat, 10 à 15cm en lagunage, 30 à 60 cm en flux souterrains.

Le fonctionnement du filtre souterrain dépend de haute conductivité hydraulique de ce substrat et des dispositions spéciales doivent être prises pour éviter son compactage, son érosion et/ou son orniérage durant la construction et le fonctionnement ; la circulation au-dessus du filtre devra être limité voir interdite.

Après la mise en place du filtre, que faut-il vérifier ?

Il faut vérifier principalement :

• Les niveaux d’eau sont ajustés par des systèmes de contrôle de flux. Ceux-ci doivent être simples et faciles à régler. Ils devraient permettre une certaine souplesse pouvoir être optimisés

• Les entrées multiples du filtre doivent être indépendamment réglables pour assurer une répartition uniforme de l’écoulement. L’ouvrage doit être dimensionné pour traiter les flux maximaux et devra proposer un parcours simple pour réduire au minimum les fuites et les cours circuits. L’utilisation du bon type et du bon dimensionnement des équipements est important pour un rapport coût-efficacité optimum, parfois de simples tuyaux en polyéthylène peuvent suffire.

• Les points fragiles (digues, canalisations, jauges et dispositifs de surveillance) seront protégés contre les dégradations animales par un simple grillage ou une structure rigide. Les rats musqués, les castors, les ragondins déterrent les digues ou endommagent les canalisations. Le coût initial de ce type de protection est négligeable par rapport au possible remplacement ou réparation du système.

• Les arrivés d’eau peuvent se composer d’un simple demi-tuyau (type gouttière), canal ou tuyau fermé qui libère l’eau dans le filtre. Le plus important est l’égalité de la distribution du flux ainsi une sous-distribution est possible à travers le bassin. L’ensemble doit être accessible facilement et réglable, de simples boites de répartition peuvent servir. Les points d’entrées multiples et les sous-distributions permettent d’éviter le colmatage du système par l’accumulation d’algues et de limons, elles permettent une meilleure distribution des matières organiques à traiter et évite aussi les reflux, ce type de distribution réglable est recommandé pour sa flexibilité maximale pour les futurs ajustements et l’entretien. La distance au-dessus de la surface de l’eau est généralement de 30 à 60 cm.

• L’utilisation de gros galets (diam : 8 – 16 cm) dans la zone d’arrivée assure un flux rapide et empêche le colmatage et la croissance des algues. Un régulateur de débit répartiteur sera nécessaire pour les cellules parallèles. Il se compose généralement d’un tuyau percé d’orifices de taille égale.

• Les évacuations d’eau pour les filtres en flux de surface (lagunage…), contrôle le niveau d’eau, il peut être constitué par un barrage avec trop plein ou un barrage à hauteur réglable permettant au niveau d’eau d’être facilement ajustées. Les trop-plein sont simples à construire, mais ne sont pas réglables et un mauvais niveaux d’eau peuvent conduire à l’échec du filtre. Les barrages et les trop-pleins doivent être conçus de manière à dépasser le débit maximum estimé.

Pour les filtres en flux souterrain, des évacuations souterraines multiples sont à prévoir comme des siphons, des drains rigides ou des tuyaux collecteurs avec de multiples perforations situés au fond du bassin et qui contrôle le niveau d’eau. L’utilisation d’une sortie réglable est recommandé pour maintenir un gradient hydraulique adéquat dans le lit, et peut également avoir des avantages significatifs dans l’exploitation et l’entretien des zones humides.

Si la surface est inondée, cela encourage le développement de la végétation nouvellement plantés et exclus les mauvaises herbes indésirables, au contraire, le niveau d’eau peut être abaissé en prévision des grandes tempêtes, ou bien pour protéger du gel en hiver. L’évacuation des filtres en flux souterrain doit permettre des inondations d’environ 15 cm au-dessus de la surface pour favoriser la croissance des plantes et à lutter contre les mauvaises herbes. Enfin, le rejet terminal du filtre devra être placé à une bonne hauteur des eaux réceptrices, pour éviter un reflux après un orage.

Avant la réception du filtre, celui-ci devra être inondé et tous les éléments, tels que les pompes à eau et les structures de contrôle, devrait être testé rigoureusement afin d’assurer qu’ils fonctionnent correctement et vérifier que les niveaux d’eau et le débit des distributions aux attentes. Au cours de l’opération initiale, toutes les parties friables susceptibles d’érosion doivent être éliminé par le ratissage et le nettoyage des supports à la main.

Le démarrage d’un nouveau système d’un filtre est un moment critique. Le système de démarrage comprend le remplissage, les plantations et une période dans laquelle le sol / substrats, des plantes et des micro-organismes s’adaptent aux conditions hydrologiques.

Comme tous les systèmes vivants, les filtres plantés sont mieux en mesure de tolérer le changement s’ils reçoivent une période de stabilisation préalable. Après la période initiale de stabilisation, une augmentation progressive du débit des eaux usées peut permettre au système de s’adapter à la nouvelle composition chimique de l’eau.

Entretien et maintenance

La question des risques se pose du fait que, sur le plan écologique, comme en chimie, rien ne se perd, tout se transforme. Les filtres plantés sont capables de dégrader, de transformer ou d’assimiler un grand nombre de contaminants, tels que l’azote, et absorbe de nombreux matériaux. Les matériaux persistants, tels que le phosphore et les métaux sont les seuls polluants conservés dans le filtre, et peuvent devenir problématique, la capacité du substrat pour enlever et stocker les polluants peut diminuer avec le temps, si l’accumulation de ces substances n’est pas surveillée et entretenue.

Tous les écosystèmes évoluent au fil du temps. Les zones humides pour le traitement des eaux usées changent plus rapidement que la plupart des zones humides naturelles en raison de l’accumulation rapide de nutriments, les déchets et les polluants. En général, la diversité des espèces augmente à mesure que les écosystèmes deviennent matures.

La diversité des espèces dans un habitat, comme une terre humide est souvent considérée comme une mesure de la résilience des écosystèmes (la capacité du système à accepter de perturbation). Ainsi le nombre d’espèces augmente, de même la complexité des interactions des différentes espèces entre elles et avec leur environnement évoluent. Plus le nombre d’interactions est grand et, plus le système est résistant dans son ensemble et l’ensemble de sa capacité à s’adapter au changement.

Tout écosystème naturel ou construit, a des limites de capacité à accepter les perturbations. Les performances des systèmes de filtre planté peuvent changer au fil du temps comme une conséquence des modifications dans le substrat et l’accumulation de polluants dans les zones humides. L’eau rejetée doit être surveillée et analysée régulièrement afin de prendre les mesures correctives nécessaires.

Un filtre planté de traitement des eaux usées peut avoir une durée de vie limitée qui sera déterminée par la charge d’eaux usées, la capacité du filtre pour extraire et stocker des contaminants, et l’accumulation de l’humus. Un certain nombre de systèmes ont fonctionné pendant plus de 20 ans avec peu de perte d’efficacité. Si nécessaire, le substrat du filtre, l’humus et les plantations peuvent être renouvelé périodiquement (tous les 15 ans par exemple) et les boues évacuées, une fois déshydratées peuvent servir d’engrais agricoles.

Pour être performant les filtres plantés doivent être gérées et inspecté au minimum tous les mois et après chaque tempête, en particulier sur les performances de traitement, et le maintien d’un environnement sain pour les micro-organismes et pour la croissance de la végétation. On observera les conditions générales du site pour détecter les changements négatifs importants comme l’obstruction des flux, les niveaux d’eau inadéquats, l’érosion et la croissance de la végétation indésirable. L’eau stagnante diminue le traitement et augmente la probabilité de présence de moustiques. La végétation doit être surveillée pour évaluer la santé et l’abondance des plantes.

Une notice de fonctionnement et un plan d’entretien doivent être préparés au cours de la conception du système. Le plan devrait fournir un calendrier pour le nettoyage des systèmes de distribution, le débroussaillage, l’inspection et la surveillance du système, l’analyse de l’eau …. Il indiquera également les niveaux d’eau extrêmes, les volumes d’entrées et de sorties et la qualité de l’eau aux sorties (les teneurs en DBO, azote, phosphore, solides en suspension, métaux lourds, bactéries), la provenance et la destination ou le recyclage des flux, ainsi que la rotation entre les cellules…

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