La phyto-épuration


L’utilisation de marais comme zone tampon pour l’amélioration de la qualité de l’eau est une technique très ancienne et inspirée de l’observation de la nature. On constate toutefois que les systèmes de filtres plantés de macrophytes pour l’assainissement des eaux usées des collectivités est une technique récente sur le territoire. Les premières stations datent du début des années 80 mais le véritable essor de cette technologie a commencé à partir des années 2000.

 

Cette partie développe les points suivants : 

 

Principe de fonctionnement de l’épuration par les plantes

 

 

Cette filière d’épuration s’appuie sur le pouvoir épurateur des associations entre microorganismes et végétaux aquatiques : hélophytes, hydrophytes et algues. Les microorganismes permettent la minéralisation de la matière organique azotée et phosphorée alors que les végétaux assimilent la matière ainsi minéralisée pour leur métabolisme.

La phyto-épuration par lit planté de macrophytes :

 

Cette  technique consiste à  infiltrer un effluent brut sur  des lits plantés de végétaux hélophytes (roseaux, joncs, carex etc.). Elles ont été développées par une botaniste allemande (SEIDEL). Le procédé SEIDEL est basé sur l’utilisation de plusieurs étages de lits plantés. Les eaux usées sont filtrées à travers un substrat grossier composé de sables et graviers qui, de même que les racines des plantes sert de support aux microorganismes pour former une rhizosphère.

 

Nous avons choisi de nous intéresser plus particulièrement à la phyto-épuration par filtres plantés de roseaux en raison de l’efficacité de cette technique et au retour d’expérience français assez conséquent.

 

Principe de fonctionnement des filtres

 

On distingue deux types de filtres plantés suivant le sens de filtration ayant des rôles épuratoires propres :

 

- Les filtres à écoulement vertical permettent l’élimination de la matière en suspension ainsi que la nitrification de la matière organique par la rhizosphère.

 

- Les filtres à écoulement horizontal est le siège de la dénitrification.

 

Généralement une station comporte plusieurs bassins à écoulement vertical disposés en « parallèle » convergeant dans un unique bassin à écoulement horizontal. Le but étant de faire fonctionner les bassins verticaux par intermittence. Une phase de travail avec nitrification et filtration, suivi d’une phase de repos avec aération de la rhizosphère. Tout ceci pour optimiser les conditions aérobies au sein de ces bassins. On dit qu’ils fonctionnent par bâchées successives d’eau brute. Alors que le bassin à écoulement horizontal est maintenu à saturation d’eau pour favoriser l’action des bactéries anaérobies de dénitrification.

Le rôle des macrophytes

Maintient de la conductivité hydraulique initiale

 

L’apport de forte concentration en matières en suspension, la granulométrie fine des filtres et l’accumulation des matières organiques en surface des bassins peuvent provoquer le colmatage des filtres.

Les tiges, rhizomes et racines des macrophytes permettent la formation de pores tubulaires permettant la régulation de la conductivité hydraulique initiale.

 

Régulation thermique

 

La couverture foliaire joue le rôle de régulateur thermique aussi bien en hiver qu’en été. En effet, elle diminue la dessiccation des filtres en période de chaleur permet le maintient des populations microbiennes épuratrices tout en réduisant par évapotranspiration le volume d’eau.

En hiver, le maintient des parties aériennes diminue les risques de gel.

 

Apport d’oxygène

 

De l'oxygène est rejetés à l'apex des radicelles des plantes et favorise la nitrification. De plus, l’enchevêtrement des racines associé au fonctionnement par bâchées, assure l’aération des filtres verticaux et le maintient des conditions aérobies pour le processus de nitrification.

 

Filtration et rétention des matières en suspension

 

Le développement racinaire assure la cohésion du sol est le maintient de la répartition granulométrique des bassins au cours du temps. Les racines sont le « ciment » des bassins et jouent un rôle important dans la rétention des matières en suspension dans les bassins à filtration vertical. Il y a ainsi accumulation de boues qui vont ensuite subir une phase de nitrification. Les oscillations des roseaux sous l’effet du vent entraînent un mouvement des tiges et racines dans la masse des boues et au sein du massif. Ainsi, les boues ne risquent pas de colmater les lits filtrants.


Surface de fixation pour la biomasse bactérienne

 

Le développement racinaire augmente la surface disponible  pour la fixation  et le  développement des micro-organismes et ainsi la formation de la rhizosphère.

 

Stimulation de l’activité microbienne

 

Les tissus racinaires et leurs exsudats stimulent l’activité et la diversité des microorganismes.

 

Absorption de substances polluantes

 

Par absorption racinaires, les macrophytes contribuent à la dépollution des eaux en phosphore de l’ordre de 10 % pour l’azote (maximum : 20%) et de 5 % pour le phosphore (maximum 10%).

 

Certains macrophytes ont des propriétés intéressantes en termes d’épuration, par exemple l’iris jaune des marais qui émet  des toxines par ses racines, réduisant  fortement  le nombre des coliformes fécaux et éliminant  certaines  bactéries pathogènes. Ou encore le scirpe qui est capable d’absorber, puis de briser des composés chimiques à  longues chaines carbonées, comme les phénols ou les hydrocarbures, en molécules non nocive.

Les filtres plantés de roseaux à écoulement vertical

 

Structuration des filtres

 

Les bassins d’épuration à filtres plantés de roseaux à flux vertical sont souvent constitués de deux étages de bassins. Chaque étage comporte plusieurs bassins fonctionnant en alternance tout les 3 à 4 jours. Comme vu précédemment, ce fonctionnement intermittent assure non seulement l’aération des colonnes mais aussi la limitation de la biomasse bactérienne par auto-oxydation au cours des phases de repos.

 


source 20

 

Composition  des filtres

 

Les filtres du premier étage sont exclusivement constitués de différents types de graviers dans lesquels les phénomènes d'aération par diffusion sont sensiblement plus élevés que dans du sable. La granulométrie augmente généralement avec la profondeur tout en sachant que plus la granulométrie de la surface est fine plus les risques de colmatage sont importants. L’alternance de l’alimentation permet de limiter le colmatage.

 

Alimentation

 

Les filtres à écoulement verticaux sont alimentés en surface, l’effluent s’infiltre verticalement à travers le substrat.

L’alimentation par bâchées, créant une convection naturelle avec l’atmosphère puis par diffusion gazeuse lorsque la plage d’infiltration est dénoyée. Chaque bâchée doit se répartir uniformément sur l’ensemble de la surface du lit, pour un traitement optimum.

 

Epuration

 

La rétention des MES s’effectue en surface des filtres. Ce type de dispositif permet le stockage puis la minéralisation des boues sur le premier filtre de traitement. Ce filtre joue entre autre le rôle de bassin de décantation

 

La dégradation biologique des matières dissoutes est réalisée par la biomasse bactérienne aérobie fixée sur le support.

 

En raison du taux d’oxygène dissout important, les filtres du premier étage contribuent essentiellement à la dégradation de la fraction carbonée et à la nitrification.

 

Néanmoins la décontamination est  faible voir  nulle en raison des faibles temps de séjour des effluents dans le système. De plus, la déphosphoration est également faible du fait des faibles pouvoirs adsorbants des matériaux filtrants utilisés.

Le filtre plantés de roseaux à écoulement horizontal

 

Structuration du filtre

 

Composé généralement d’un grand bassin unique.

 

 

source 20

 

Composition  des filtres

 

Les matériaux de la couche supérieure du filtre sont composés de sable de nature siliceuse et d’origine alluvionnaire.

Alimentation

 

L’alimentation ne s’effectue pas en surface comme les filtres verticaux. Les eaux usées décantées entrent, via un gabion d'alimentation, directement dans le massif filtrant. Le bassin est maintenu à saturation d’eau afin de maintenir des conditions anaérobies.

 

Oxygénation

 

L’oxygénation est limitée par l’absence de brassage de l’eau. Elle est constituée uniquement par  la diffusion gazeuse et par l’apport d’02 par  les racines des plantes. Le taux d’oxygène disponible pour la croissance bactérienne hétérotrophe est donc beaucoup plus faible permettant par la même d’en réguler la croissance.

 

Epuration

 

La pénurie en oxygène limite la minéralisation des molécules carbonées  et la nitrification, toutefois elle favorise la dénitrification.

Les contraintes d’exploitation

 

Entretien  général

 

Comme toute station, les stations de phytoépuration nécessitent un entretient régulier.

L’entretient général des différents organes de la station est indispensable (nettoyage des siphons des réseaux de distribution sur les bassins etc.

 

Le faucardage

 

La phytoépuration impose aussi certaines tâches comme le faucardage. C'est-à-dire la coupe des parties aériennes  à 30 cm du sol à l’automne. On peut toutefois laisser les parties aériennes pendant la période hivernale comme isolant thermique et l’évacuer en mars. Sur les filtres horizontaux le faucardage n’est pas forcement nécessaire bien que l’accumulation de litière en décomposition peut provoquer l’apparition de plantes nitrophiles indésirables.

 

L’évacuation des boues

 

L’évacuation des boues est nécessaire avec une  fréquence variant en fonction des types d’installation (de 2 à 15 ans). Leur siccité se situe entre  20% et 30%.

 

La phyto-épuration et les petites collectivités

Le parc regroupe surtout des stations utilisant des procédés biologiques poussés tandis que les traitements primaires uniques comme la filtration sur sable ou la décantation des matières en suspension sont minoritaires et ne sont font plus l’objet de nouvelles construction.

Ainsi les boues activés restent très largement majoritaire néanmoins les méthodes de phytoépuration et lagunage progressent rapidement quant au nombre de nouvelles installations.

 

 

 

 

Selon le Cemagref, depuis 2003, plus de 100 stations s'équipent chaque année de filtres plantés sur roseaux en traitement principal, c'est-à-dire  environ un tiers du marché des collectivités de moins de 2.000 EH.

"A l'avenir, 9 stations sur 10 de moins de 1.000 EH se tourneront vers des FPR pour traiter leurs effluents", a commenté Hubert Viard, géomètre expert et maître d'oeuvre en assainissement pour le collectif d’assainissement girondain.

Cette technique présente de nombreux avantages : faible coût d'entretien, gestion des boues simplifiées, rusticité, odeurs contrôlées, résistance aux variations de charge et bonne intégration dans le paysage. Qui plus est, les coûts d’exploitation sont bien inférieurs à ceux d'une station par boues activées pour un investissement à peu près identique (confère analyse de coût). Le procédé gagne de l’efficacité au fil des innovations se traduisant par des surfaces de filtrations plus petites. On constate néanmoins que la surface nécessaire est le principal inconvénient de cette technique qui peut devenir impossibles pour des communes à forte empreinte foncière.

Avantages / inconvénients de la technique d’épuration par filtre plantés de roseaux

 

Domaine

 

Avantages / inconvénients

Technique

Avantage

• exploitation simple : très faible technicité requise pour l’exploitant
• alimentation directe par les eaux brutes, sans décantation préalable pour les filtres à
écoulement vertical
• acceptation des eaux parasites
• maintien de la perméabilité par les roseaux : le colmatage des filtres est ainsi évité
• pas ou peu de gestion des boues primaires
• accumulation de boues minéralisées sans diminution de la perméabilité.

Inconvénients

• maintenance simple de faible durée mais régulière
• risque de sous-charge de l’installation lors de la mise en service (problème de colonisation par les roseaux)
• risques de colmatage, à la fin de l'hiver, par une hauteur importante de dépôts
organiques non minéralisés à la surface du filtre, et donc une moindre oxygénation du milieu
• faucardage annuel de la partie aérienne flétrie des roseaux, en hiver, à partir de la 2nde année suivant la plantation
• désherbage manuel sélectif avant la prédominance de la colonisation par les
roseaux
• période de plantation conseillée entre avril et octobre, entraînant un manque de souplesse dans la mise en eau d’installations neuves

Economique

Avantage

• adapté aux petites collectivités et aux fonctionnements estivaux saisonniers
• faibles coûts d’exploitation
• rusticité du procédé

Inconvénients

• nécessité d'un dessableur

Environnement

Avantage

• performances épuratoires satisfaisantes
• désinfection partielle
• bonne intégration paysagère
• absence d’odeur

Inconvénients

• faible dénitrification
• Appréhension des agriculteurs pour la valorisation agricole des boues quant à la dissémination des roseaux
• Il se pose la question du risque d'accumulation de pollution vers les plantes,
notamment de métaux lourds ? (aucune étude à ce jour)

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Conclusion

 

Les petites collectivités sont actuellement dans une situation complexe ;en effet elle doivent répondre aux nouvelles  directives environnementales de plus en plus rigoureuses. De plus, la majorité d’entre elles ont des contraintes techniques et financières leur interdisant les systèmes d’épuration classiques. La dernière décennie a vu apparaître sur le marché, des systèmes d’épuration «rustiques», techniques alternatives aux procédés biologiques classiques, tels les lits filtrants plantés de macrophytes. Cette technique s’étend maintenant à de nombreuses localités, les élus locaux ont réalisé les atouts de ce type de système d’épuration. Il s’agit d’une technologie peu couteuse, fiable, simple d’exploitation, qui facilite la gestion des boues et qui à fortiori s’intègre bien dans le paysage. Ces qualités font de ce système un atout pour la commune car contrairement à la majorité des autres systèmes d’épuration, il bénéficie d’une image positive de la part des habitants.