Bassin à écoulement sous-surface

Dans les filtres à flux horizontal sous-surfacique (SSF Sub-Surface Flow), l’eau arrive dans la matrice filtrante par un écoulement horizontal dans la longueur du filtre jusqu'à la sortie. Ces systèmes ont historiquement été utilisés pour le traitement des eaux usées des petites communes, cependant ils sont de plus en plus appliqués à une grande variété de traitements comme les eaux usées agricoles et industrielles (Vymazal, 2009).

Les systèmes à écoulement sous surface sont appelés par plusieurs noms : les lits immergés végétés (vegetated submerged bed), la méthode de zone de racine (root-zone method), le filtre microbien de roche – phragmite (microbial rock reed filter), et les systèmes filtrants plante – roche (plant – rock filter systems).

Les filtres à écoulement sous surface (Fig.21) ont été souvent utilisés pour réduire la demande biochimique en oxygène (DBO5) des eaux usées domestiques (Dupoldt et al., 1995). On distingue deux types de filtres plantés suivant le sens d’écoulement, ces deux systèmes reposent sur des principes similaires mais fonctionnent dans des conditions très différentes (Tab.5).

Figure 21. Filtre horizontal sous-surfacique : (a)vertical subsurface

flow (VSSF)

(b) Horizontal subsurface flow (HSSF) (Vymazal, 2006)

Les filtres plantés à écoulement vertical

Dans les filtres à écoulement vertical, ou « filtres verticaux », les eaux usées percolent gravitairement dans le milieu poreux composé de couches successives de gravier ou de sable de granulométrie variable selon la qualité des eaux usées à traiter. Ces systèmes sont souvent constitués au minimum de deux étages en série, constitués eux- mêmes de deux ou trois cellules en parallèle fonctionnant en alternance (Fig.22). Au contraire des filtres horizontaux, les filtres verticaux peuvent traiter des eaux brutes non décantées (Manon, 2018) car les matières en suspension des eaux usées sont retenues à la surface du filtre et ainsi ne colmatent pas l’intérieur du milieu filtrant. Ce type de filtres est le plus utilisé en France (Molle et al., 2005).

Cette technologie a été employée car les performances épuratoires sur la nitrification dans les filtres à flux horizontal sont faibles, généralement comprises entre 30 et 50 % (Kadlec & Wallace, 2008). Pour remédier à cette limite de traitement, les premiers FFV non saturés ont été mis en œuvre en Europe, tout d’abord par des systèmes hybrides (Seidel, 1976), puis de façon singulière (Liénard et al., 1987).

Figure 22. Filtre à flux vertical (Benyagoub, 2013)

Les filtres plantés à écoulement horizontal

Le filtre à flux horizontal est le plus étudié et employé dans le monde. Ce type de traitement permet de répondre à de nombreuses problématiques : le traitement des eaux usées domestiques, le traitement des eaux industrielles dont la rétention des métaux lourds (Kadlec & Wallace, 2008), la dégradation des produits xénobiotiques (Song et al., 2009), le traitement des eaux usées issues de l’agriculture et de l’industrie agroalimentaire ou encore le traitement des sources non ponctuelles de pollution tels que les bassins d’orage (Bavor et al., 2001) ou le traitement du ruissellement des eaux de routes (Shutes et al., 2001 ; Ladislas et al., 2010).

Les filtres à écoulement horizontal, sont constitués d’un ou plusieurs lits en série, dont le massif filtrant est quasiment saturé en eau par un système de siphon en sortie (Fig.23). Le niveau d'eau doit être maintenu environ à 5 cm sous la surface du milieu filtrant pour permettre un transfert d’oxygène avec l’air (Manon, 2018).

Ces filtres sont rarement utilisés directement pour le traitement des eaux usées brutes, sauf dans le cas des eaux pluviales. Ils sont plutôt employés en traitement secondaire pour des eaux usées peu concentrées et ayant obligatoirement subi au préalable une décantation, ou encore en traitement tertiaire après un traitement biologique classique ou après des filtres plantés à écoulement vertical (Vymazal, 2005).

Figure 23. Coupe transversale schématique d’un filtre à

écoulement horizontal (Benyagoub, 2013)

Les filtres horizontaux ne sont pas alimentés par la surface, comme les filtres verticaux. Les eaux usées décantées entrent, via un gabion d’alimentation, directement dans le massif filtrant. Il est donc nécessaire de débarrasser l’effluent, au préalable, des matières en suspension, soit par l’intermédiaire d’un décanteur placé en amont, soit par un premier étage de filtration verticale.

Les matières dissoutes sont dégradées dans le massif de filtration par la biomasse bactérienne fixée sur le support. Le niveau d’eau dans un filtre horizontal est normalement constant. L’aération est limitée par l’absence d’un mouvement de la ligne de saturation et se fait de manière très faible par une diffusion gazeuse. L’apport d’oxygène est faible par rapport à la demande totale.

La pénurie en oxygène, limite la dégradation de la pollution carbonée et azotée, oxydation du carbone organique et de l’ammonium, et par voie de conséquence limite la croissance bactérienne hétérotrophe et autotrophe (Poulet et al., 2004).

Tableau 5. Comparaison des paramètres de fonctionnement des filtres horizontaux et verticaux FPR et avec traitements additionnels) (adapté de Boutin et al. 2007 ; Kim, 2014 in Manon, 2018)

Filtres horizontaux

Filtres verticaux

classique Avec traitements additionnels Nature des eaux

usées alimentant les filtres Prétraitées (ex : FPR vertical/décanteur- digesteur/fosse septique) Brutes (seulement dégrillage et/ou dessablage) Prétraitées (exemple : par lit

bactérien) Mode

d’alimentation ^{En continu, sans alternance} alimentation/repos indispensable

Par bâchée avec alternance alimentation / repos impérative sur

2 à 3 cellules par étage Sensibilité au

Colmatage

Faible si prétraitements Faible si bon dimensionnement et alternance d’alimentation Aération

Faible car milieu noyé. Aération en surface par

transfert d’oxygène facilité par racines des plantes

Bonne grâce à la percolation des eaux et les cheminées d’aération

favorisant la pénétration de l’oxygène Conditions de

redox dans les

filtres ^{Anoxie à anaérobiose Aérobiose si filtre} _{non saturé}

Aérobiose à anoxique si immersion partielle du filtre) Surface des filtres 1er étage FPR vertical 2Eme étage horizontal  2,0

m².EH-1

1er étage  1,2 à 1,5 m².EH-1

2Eme étage  0,8 à 1,0 m².EH-1

80 1.3.3 Les systèmes hybrides

Les systèmes hybrides nécessitent que tous les processus de prélèvement aient lieu dans le même espace. Dans les systèmes hybrides il y a plusieurs cellules désignées pour différents types de réactions.

Un traitement effectif des drainages de mines peut nécessiter une séquence de différentes cellules de marais pour promouvoir les réactions aerobiques – anaérobiques. Comme pour le prélèvement de l’ammoniac des eaux usées d’agriculture.

Figure 24. Vue en coupe d’un marais filtrant hybride avec la combinaison d’un marais SSFV suivi d’un marais SSFH

(Gagnon, 2012).