L'utilisation des zones humides artificielles pour le traitement des eaux usées

Intérêt de l'utilisation des zones humides artificielles pour le traitement de l'eau

L'intérêt de construire des zones humides artificielles est de pouvoir mettre en place un milieu où se produisent les même processus chimiques et biologiques que dans les zones humides naturelles. De plus, les zones humides artificielles peuvent être dimensionnées pour répondre à des besoins précis d'épuration.

En effet, les zones humides artificielles peuvent être optimisées pour atteindre un niveau de traitement donné pour un paramètre précis (pollution carbonée, azote, phosphore...). Elles pourront donc avoir des performances supérieures aux zones humides naturelles pour l'épuration de l'eau.
Par ailleurs, le flux d'eau usée doit être réparti sur toute la surface de la zone humide pour que celle-ci soit efficace à 100%. Cette condition peut être satisfaite dans les zones humides artificielles en contrôlant la hauteur d'eau et en utilisant des dispositifs adaptés pour l'alimentation et l'évacuation de l'eau. En revanche, la distribution uniforme des eaux usées est plus difficile à réaliser dans les zones humides naturelles qui sont utilisées pour l'épuration. En effet, les zones humides naturelles sont conditionnées par la configuration initiale du terrain et la topographie qui créent des chemins préférentiels d'écoulement. Des études hydrodynamiques utilisant des traceurs ont montré que la surface efficace pour l'épuration de l'eau ne dépasse pas 10% de la surface dans les zones humides naturelles [2].

L'utilisation des zones humides dans le traitement des eaux usées urbaines s'est développée rapidement depuis le milieu des années 1980. En effet, ces technologies présentent de nombreux avantages qui en font une alternative intéressante aux moyens de traitement conventionnels. En particulier, ces systèmes de traitement biologique sont économiques, simples à mettre en oeuvre et à entretenir. Ainsi, les zones humides artificielles peuvent fonctionner sans apport d'énergie extérieure et peuvent être exploitées par un personnel ne présentant pas de compétences particulières. De plus, elles montrent un niveau élevé de fiabilité et d'efficacité. Elles présentent donc un intérêt particulier pour les petites communautés isolées n'ayant pas les moyens et le personnel qualifié pour exploiter des stations d'épuration traditionnelles, ainsi que pour les pays en voie de développement [1].

L'efficacité des zones humides artificielles pour l'épuration des eaux vis-à-vis de la matière organique, de l'azote et du phosphore a été démontrée dans de nombreuses études.
Le tableau 1 présente un bilan de performances de 27 zones humides artificielles aux Etats Unis établi en 2000 par l'agence américaine pour la protection de l'environnement "Environmental Protection Agency" (EPA).

Tableau 1. Performances moyennes d'un échantillons de 27 zones humides artificielles au Etats Unis [2].

La DBO5 ou Demande Biologique en Oxygène sur 5 jours correspond à la quantité d'oxygène nécessaire pour oxyder la matière organique d'un échantillon d'eau maintenue à 20°C , à l'obscurité pendant 5 jours [4]. Plus la DBO est élevée, plus il y a de matière organique à dégrader. Plus le traitement est poussé, plus la DBO est faible.
On cherche également à réduire les différentes formes de l'azote (azote organique, ammoniaque, azote oxydé) et du phosphore (phosphore organique, poly et orthophosphates), car ces éléments lorsqu'ils sont en excès peuvent entraîner l'eutrophisation des milieux aquatiques. Un milieu eutrophe est un milieu où les fortes concentration en nutriments favorisent le développement des algues photosynthétiques qui en se décomposant vont consommer l'oxygène du milieu. Ce déficit en oxygène inhibe le développement des autres organismes aérobie de l'écosystème (microorganismes, poissons...). La forte concentration en matière organique, la réduction de la biodiversité, la faible oxygénation et la présence de toxines sécrétées par les algues sont des caractéristiques qui altèrent la qualité des eaux naturelles.
Les coliformes fécaux sont une famille de bactéries pathogènes qui se développent dans le système digestifs des animaux. Ces microorganismes doivent être totalement éliminés dans la production d'eau potable.

En France, la grille d'évaluation de la qualité de l'eau des rivières définit des intervalles de valeurs pour chaque paramètre d'évaluation de la qualité (DBO5, phosphore total...). A chaque intervalle correspond une classe de qualité allant de « Très bonne qualité » à « Pollution excessive ». En comparant les performances moyennes des zones humides étudiées par l'EPA, on constate que les concentrations moyennes de DBO5 et de phosphore total en sortie de la zone humide se situent dans des intervalles correspondant à une qualité médiocre au regard de la réglementation française [5].

Pour les Etats Unis, en comparaison avec les performances des procédés de traitement conventionnels, les capacités de traitement des zones humides artificielles sont jugées bonnes pour la DBO5, respectivement médiocres et limitées pour l'azote et le phosphore total. Cependant les concentrations en sortie peuvent être réduites, si on met en place des étapes de traitement complémentaire. En effet, une filtration est nécessaire pour le phosphore sortant de la zone humide, un bassin d'aération permettrait de réduire la concentration en azote après la zone humide et un prétraitement par boues activée améliorerait les résultats de DBO5 [6].

En utilisant les zones humides artificielles on peut donc obtenir des performances de traitement satisfaisantes en les combinant avec d'autres dispositifs. Les systèmes basés sur les zones humides artificielles auront toutefois un coût d'ensemble moins important qu'une installation conventionnelle. Dans le tableau 2, l'EPA a comparé les coûts générés par une zone humide artificielle et par un procédé de traitement de type Sequencing Batch Reactor (SBR).

Tableau 2. Comparaison des coûts générés par une zone humide artificielle et un procédé de type SBR [2].

Les coûts imputables au fonctionnement normal et maintenance sont liés à des opérations de contrôle des paramètres suivants :
- Hauteur d'eau : ajustement saisonnier et contrôle des vecteurs (moustiques).
- Végétation : contrôle des animaux qui consomment les plantes et les font disparaître.
- Qualité de l'eau : analyses régulières en entrée et en sortie pour satisfaire à la réglementation sur le rejet des eaux dans le milieux naturel.

Les coûts d'investissements (capital) comprennent : le prix du terrain, le nettoyage du site, le travail du sol, le revêtement de fond, le milieux servant de support aux racines, les plantes, les canalisation d'entrée et de sortie, les barrières, la rémunération des prestataires. Toutefois, le prix du revêtement de fond en plastique peut représenter près de 40% du coût de construction d'une zone humide artificielle. Dans de nombreux cas, on considère qu'une couche du sol extrait sur site puis compacté suffit à prévenir la contamination des eaux souterraines.

La place des zones humides artificielles dans le traitement de l'eau

La fonction épuratoire des marais était plus ou moins identifiée lorsque durant des siècles les riverains y rejetaient leur eaux usées. Les premiers exemples d'utilisation volontaire des zones humides pour l'épuration datent du début du XXème siècle, avec la mise en place des systèmes de traitement des eaux dans les villes. En 1901, la ville de San Antonio au Texas s'équipe d'un lac artificiel d'une surface de 275 hectares en vue de traiter les eaux usées. Le principe de cette technique d'épuration appelée « lagunage », consiste à reproduire en milieu contrôlé les mécanismes de dégradation, de transformation et de recyclage de la matière organique mis en jeu dans les zones humides naturelles. Des recherches ont été conduites pendant 20 ans avant que la première station de lagunage fonctionnelle ne soit construite en 1972 à Othfresen, en Allemagne. Au cours des 30 dernières années, de nombreuses installations ont été construites dans plusieurs pays pour traiter une variété de débits et d'effluents: eaux usées urbaines, mais aussi effluents miniers, agricoles (laiteries, élevages...), lixiviats de décharge...[3].

Malgré les avantages techniques et économiques qu'elle présente, l'utilisation des zones humides artificielles reste relativement limitée. En effet, les ingénieurs qui dimensionnent les procédés de traitement sont encore peu sensibilisés et familiarisés à ces technologies. Les recherches se poursuivent dans le but d'évaluer et d'optimiser l'efficacité des zones humides pour l'épuration. Dans la littérature scientifique, on trouve aujourd'hui des articles qui proposent des méthodes simples de dimensionnement. Elles permettent de donner une idée des performances qu'on peut attendre. Elles visent à encourager l'utilisation des zones humides artificielles [1].

Références:

[1] Akratos C. S., Papaspyros J. N.E., Tsihrintzis V. A., 2007, «An artificial neural network model and design equations for BOD and COD removal prediction in horizontal subsurface flow
constructed wetlands », Chemical Engineering Journal 143 (2008) 96-110.

[2] United States Environmental Protection Agency, September 2000, Wastewater Technology Fact Sheet: « Free Water Surface Wetlands », EPA 832-F-00-024.

[3]Eliane Fustec, Jean-Claude Lefeuvre et coll., 2000, Fonctions et valeurs des zones humides, éditions DUNOB.

[4] http://www2.aclyon.fr/enseigne/biologie/ress/epuration/eau_dbo.html

[5] Arnaud Cockx, Christelle Guigui, Mathieu Sperandio, Introduction au traitements des eaux, INSA Toulouse, 2008.

[6]http://siteresources.worldbank.org/INTWRD/Resources/30_Christian_Severin_GEF_Nutrient_Reduction_Potential_of_Wetlands.pdf

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