Filtres plantés de roseaux verticaux sub-surfaciques

Les filtres plantés de roseaux (FPR) sont utilisés depuis les années 90 pour le traitement des eaux usées. Depuis quelques années, leur utilisation est étendue aux eaux pluviales dans le cadre de déversoirs d’orage (mélange d’eaux usées et pluviales) et de techniques alternatives de gestion des eaux pluviales (eaux pluviales strictes, à la source de l’émission des eaux pluviales ou à l’exutoire du réseau séparatif pluvial).

Les informations concernant les filtres plantés de roseaux sont issues du guide technique du projet Systèmes Extensifs pour la Gestion et le Traitement des Eaux Urbaines de temps de Pluie » (SEGTEUP, 2013).

2.4.1. Classification et fonctionnement 2.4.1.1. Définition et classification

Les FPR sont des ouvrages d’épuration des eaux constitués de graviers ou de sable de granulométrie différentes. Ils sont plantés de macrophytes à leur surface. Leurs fonctions sont hydraulique (atténuer les pics de débit en stockant les eaux pluviales) et physico-chimique (assurer la filtration et un temps de contact suffisant pour obtenir un bon abattement de la pollution des eaux pluviales).

Les FPR sont à écoulement horizontal ou vertical. Dans le cas d’un FPR à écoulement vertical, l’eau est répartie uniformément à la surface du filtre et s’écoule verticalement à travers une succession de couches de matériaux à granulométrie croissante (Figure 19). Le filtre est un milieu variablement saturé et aéré passivement grâce à des puits d’aération réparti sur l’ensemble du filtre.

FIGURE 19: PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D'UN FILTRE PLANTE DE ROSEAUX A ECOULEMENT VERTICAL DANS LE CONTEXTE PLUVIAL (D’APRES GRISON, 1999)

2.4.1.2. Hydraulique

L’écoulement dans le filtre est gravitaire. Il dépend de ses caractéristiques (liées aux matériaux utilisés et à la conception de l’ouvrage) qui sont : la perméabilité du milieu, le débit de régulation de drainage et la présence d’une réserve d’eau au fond du filtre.

L’historique de fonctionnement du filtre influe aussi sur les écoulements (état de saturation, colmatage, rhizosphère). Enfin, l’hydraulique du filtre dépend des caractéristiques de la pluie en entrée et du réseau (intensité de la pluie, débit en entrée du filtre).

Plusieurs phases hydrauliques ont lieu lors du déversement du volume d’eau pluviale dans le filtre (SEGTEUP, 2013) :

1. Phase de saturation progressive du fond du filtre. La vitesse de saturation dépend de l’état initial du filtre et de la dynamique de l’épisode pluvieux. De plus, la répartition du volume d’eau à la surface du filtre n’est pas homogène et les racines de la végétation à la surface du filtre peuvent créer des passages préférentiels ;

2. Phase de saturation complète et de flacage à la surface du filtre (stockage d’eau). La durée de cette phase impacte la teneur en oxygène dissous dans le filtre et est fonction du débit de drainage ;

3. Phase de désaturation et de réoxygénation du filtre. La durée de cette phase dépend du débit de drainage dans un premier temps puis des forces capillaires ;

4. Phase sèche avec un mouvement ascendant de l’eau par capillarité causé par l’évapotranspiration des roseaux.

2.4.1.3. Rôle des roseaux

Les roseaux plantés dans les filtres sont majoritairement des Phragmites australis en Europe et des Typha latifolia aux Etats-Unis. Bien qu’ils utilisent des nutriments pour leur développement et qu’ils fixent des métaux dans leur rhizosphère, les concentrations retrouvées dans les roseaux sont négligeables par rapport aux charges apportées (Schmitt, 2014). Leur rôle dans les FPR n’est donc pas la phytoremédiation. Leur action principale dans le filtre est mécanique : le développement de leurs rhizomes dans la surface du filtre permet d’assurer sa perméabilité, de développer des chemins préférentiels pour l’écoulement de l’eau, d’aider à l’oxygénation du milieu en temps sec et enfin d’être le support d’une population bactérienne retenant les polluants métalliques et dégradants certains polluants organiques.

2.4.1.4. Processus de traitement

Dans les FPR, les polluants particulaires sont traités par filtration mécanique alors que les polluants dissous sont sorbés par le substrat (composé de minéraux, de matière organique et de micro-organismes) ou bio-assimilés par les plantes et les micro-organismes reliés aux racines. Par exemple, la matière organique dissoute est dégradée par la biomasse bactérienne fixée sur le support filtrant et les racines des roseaux. La prépondérance d’un mécanisme sur l’autre dépend des caractéristiques physico-chimiques du polluant. Les polluants avec un log Kow élevé seront bioaccumulés dans les plantes du filtre (alkylphénols) alors que ceux avec un log Koc élevé se lieront de préférence au substrat du filtre (HAP) (INERIS, 2005a).

Le traitement de l’azote organique nécessite une alternance des conditions en aérobie pour la nitrification et des conditions en anoxie pour la dénitrification. L’azote organique est apporté dans le filtre lors de l’alimentation en eaux pluviales : le filtre peut alors être saturé et le milieu désoxygéné. La nitrification de l’azote ammoniacal n’est donc pas possible durant la période de saturation du filtre. Afin de remédier à ce problème, de la zéolite (minéral microporeux) est en général mélangée avec le sable du filtre lors de sa construction. La zéolite absorbe l’azote ammoniacal pendant la phase d’alimentation du filtre et le stocke en attendant la période de temps sec, où le filtre sera oxygéné (par pluviales strictes issues d’un bassin versant résidentiel. Les rendements observés sur la filière sont compris entre 60 et 99% pour tous les paramètres étudiés (Table 30). Terzakis et al.

(2008) ont étudié deux filtres plantés de roseaux verticaux en Grèce traitant des eaux pluviales strictes issues d’une autoroute. La première filière (filtre 1) est dimensionnée pour un temps de séjour de 12h et la seconde (filtre 2) pour un temps de séjour de 24h. Les

performances des deux filtres sont très bonnes pour tous les paramètres (>40%), excepté pour les Cr, Ni et Pb.

Les performances des filtres devraient intuitivement dépendre du temps de contact des eaux pluviales avec le substrat du filtre, afin de favoriser les interactions entre les polluants et le substrat. Pourtant, l’étude de Terzakis a montré qu’il n’existait pas de différence statistiquement significative pour les performances de traitement entre un temps de séjour de 12h et un temps de séjour de 24h.

TABLE 30 : RENDEMENTS DE DEUX FILIERES DE FILTRES PLANTES DE ROSEAUX TRAITANT DES EAUX PLUVIALES STRICTES (SCHMITT, 2014; TERZAKIS ET AL., 2008)

Terzakis, 2008 - Filtre 1 Terzakis, 2008 - Filtre 2 Schmitt, 2014

DCO 40 % 44,5 % -

MES 85 % 88,5 % -

N 43,5 % 46,5 % 74 %

NH4 - - 73 %

NO2 - - 64 %

NO3 46 % 52,5 % 84 %

P 53,5 % 59,5 % 92 %

Cu 33 % 39 % 87 %

Cr - - 88 %

Ni 20 % 14,5 % -

Pb 25 % 42 % 91 %

Zn 50 % 61 % 99 %

HAP (16) 49 % 58 % -

2.5. Que retenir du fonctionnement des bassins de décantation et des