Les zones de rejet végétalisées

Les zones de rejets végétalisées sont conçues pour réduire les impacts des rejets de station d’épuration (STEP) sur le milieu récepteur via l’exploitation des processus physique, chimique et biologique qui se produisent naturellement au sein de l’écosystème qu’est une zone humide. Cela permet donc théoriquement d’améliorer la qualité des effluents de STEP via la réduction des matières en suspension, matières organiques, nutriments et organismes pathogènes. Les ZRV sont généralement composées de bassins caractérisés par des surfaces libres plus ou moins larges et peu profondes qui permettent de réaliser un temps de séjour important favorable à la décantation des matières en suspension et au contact des polluants avec les surfaces réactives. Les apports des eaux chargées en nutriments permettent d’accélérer les processus biologiques et donc de créer des zones biologiquement réactives à la réduction des matières organiques et des polluants. Les caractéristiques liées au fonctionnement de la ZRV, comme les conditions hydrologique, hydraulique et météorologique et les processus biogéochimiques ainsi que le fonctionnement des macrophytes, seront présentées dans les paragraphes suivants.

1.2.1 Fonctionnement hydrologique

L’hydrologie de la zone humide, naturelle ou artificielle, est considérée comme un important facteur pour maintenir la structure et le fonctionnement de la zone humide et déterminer la composition des espèces (US EPA, 1999). Le fonctionnement hydrologique peut directement influencer et contrôler les conditions abiotiques du milieu, telles que la disponibilité en eau, nutriments et oxygène, la profondeur de l’eau et la vitesse d’écoulement. Il est aussi influencé

par la végétation, par l’intermédaire de l’évapotranspiration, de l’interception des précipitations, de l’ombrage, de la protection contre le vent et de la création des microclimats.

Les précipitations peuvent influencer le fonctionnement du système en jouant sur le débit et le temps de séjour via la tombée directe de pluie sur la surface des zones humides et le ruissellement venant du bassin versant associé. De plus, les précipitations peuvent conduire à la dilution de certains polluants dans le système et aux apports des polluants du bassin versant via le ruissellement lors d’un évènement pluvial important.

L’évapotranspiration (ET) dans une zone humide représente la quantité d’eaux perdues via l’évaporation de la surface en eau et la transpiration de la végétation. L’ET varie en fonction du rayonnement solaire et elle présente généralement un maximum en début d’après-midi et un minimum à la fin de la journée. En cas de fort rayonnement solaire, surtout en été, l’ET peut conduire à un très faible débit en sortie de la zone humide, voire un débit nul. Stottmeister et al. (2003) ont montré que la perte des eaux due à l’ET est estimée à environ 5 à 15 mm par jour en été, représentant 20 à 50 % du débit en entrée de la zone humide artificielle. Cela doit être pris en compte en période estivale et dans les zones arides pour ne pas générer d’eaux trop salines. L’ET peut influencer le fonctionnement du système en augmentant le temps de séjour et concentrant les constituants de l’eau.

Dans la zone humide, les eaux peuvent également être perdues via une infiltration verticale dans le substrat ou latérale à travers les berges. Elle peut conduire à une réduction du volume d’eau dans le système et influencer son fonctionnement. Tout dépend de la nature du sol : afin de minimiser la perte des eaux et des polluants via l’infiltration et protéger la nappe phréatique le fond de la ZRV peut être naturellement imperméable (sol argileux par exemple) ou couvert de matériaux imperméables (géotextiles).

1.2.2 Fonctionnement hydraulique

Le fonctionnement hydraulique détermine le mouvement de l’eau au sein du système. Le temps de rétention hydraulique est le rapport entre le débit et le volume du système disponible à la circulation de l’eau en tenant compte également du volume occupé par la végétation (US EPA, 1999). Un choix pertinent du temps de rétention hydraulique peut permettre d’optimiser l’élimination de polluants. Ce temps de rétention dépend de la conception de la zone humide : hauteur d’eau, surface libre, porosité (US EPA, 1999).

La circulation de l’eau dépend aussi du gradient hydraulique entre l’entrée et la sortie et est influencée par la résistance créée par les macrophytes, la rugosité du substrat et l’hydromorphologie du système. Des défauts de conception du système peuvent causer des problèmes de circulation de l’eau, une variation de sa qualité et l’émanation d’odeurs. Dans certains cas, une mauvaise évaluation des pentes peut conduire à une inondation de la zone humide.

1.2.3 Fonctionnement biogéochimique

La zone humide artificielle permet de contrôler le transport et la transformation des constituants via divers processus physique, chimique et biologique (Tableau 1.2).

La répartition conceptuelle des processus de traitement est résumée dans la figure 1.8 (US EPA, 1999) en fonction de la profondeur, du temps de rétention hydraulique et de la disponibilité de l’oxygène dissous.

 Au début de la zone humide, le système est dominé par les processus physiques en piégeant les grosses particules via la décantation. Les particules fines décantent plus loin dans le parcours.

 Les processus microbiologiques se diversifient en fonction de la disponibilité de l’oxygène dissous. Normalement, l’oxygène dissous est abondant dans la colonne d’eau à cause du transfert de l’oxygène de l’atmosphère dans l’eau de surface et de la production d’oxygène via la photosynthèse des plantes. La dégradation des matières organiques y est réalisée et conduit à une diminution de l’oxygène dissous. La nitrification peut y avoir lieu à la suite de la dégradation des matières organiques en présence d’une concentration suffisante en oxygène dissous.

 Lorsque l’oxygène dissous n’est plus disponible pour les processus aérobies (< 0,5 mg/L), peuvent se mettre en place des processus anoxiques, comme la dénitrification, ou anaérobie, comme la méthanisation (Laanbroek, 2010 ; Bartlett et Harriss, 1993.). La dénitrification est un processus principal qui permet l’élimination des nitrates en les transformant en azote gazeux (Reddy et al., 1989 ; Bachand and Horne, 1999a et 1999b).

Tableau 1.2. Extrait du résumé du rapport US EPA (1999) sur les mécanismes et facteurs d’influence sur la qualité de l’eau dans la zone humide artificielle. P – processus principal ; S – processus secondaire ; E – Effet direct ou indirect ; DBO - Demande Biologique en Oxygène ; MES – Matières en Suspension ; OD – oxygène dissous.

Mécanisme

Qualité de l’eau

DBO MES N P OD ^Bactéries

et virus Métaux lourds Physique Absorption S Adsorption/désorption F S P E Emulsification S S Evaporation E S Filtration/impaction E S E Floculation P P P S Sédimentation P P E E E S P Chimique Adsorption P S S Chélation S P Décomposition P Réaction redox P S P Précipitation P P Biologique Synthèse algale S S Assimilation E E S S E E S Métabolisme aérobie E S E E P P Métabolisme anaérobie E E E Adsorption végétale S S E Prédation P S

Figure 1.8 Répartition conceptuelle des processus de traitement en fonction de la profondeur, du temps de rétention hydraulique et de la disponibilité de l’oxygène dissous dans la zone humide artificielle (US EPA, 1999).

1.2.4 Macrophytes

Les macrophytes (cf. 1.1.2.3- végétaux) les plus communs dans les ZRV sont des espèces émergentes, telles que les joncs, les phragmites et les typhas (US EPA, 1999). Des espèces submergées ou flottantes peuvent également être présentes. Les macrophytes peuvent influencer le fonctionnement du système de différentes façons, par des effets physiques et biologiques (Brix, 1997).

1.2.4.1 Effets physiques

Les macrophytes peuvent ralentir l’écoulement de l’eau et diminuer le gradient hydraulique du système. Par conséquent, la faible vitesse d’écoulement peut assurer une meilleure sédimentation des particules en suspension, réduire le risque d’érosion et de resuspension et augmenter le temps de séjour. Les macrophytes peuvent abaisser la force du vent au-dessus de la surface de l’eau, et réduire ainsi la remise en suspension des matières décantées. Ils peuvent également intercepter le rayonnement solaire, et par conséquent, diminuer l’évaporation de l’eau de surface, ralentir la croissance des algues et modérer la température de l’eau.

1.2.4.2 Effets biologiques

Les macrophytes peuvent fournir le substrat et la surface physique pour le développement des micro-organismes, en particulier pour la fixation des biofilms. En effet, les macrophytes peuvent excréter des matières organiques, comme des sucres, des vitamines et des acides

organiques, dans la rhizosphère (rhizodéposition). La composition chimique des exsudats est diverse et dépend de l’espèce des plantes. Ces matières organiques peuvent donc être utilisées par des micro-organismes dans leur métabolisme en formant du CO2. Les exsudats peuvent également être utilisés pour la réduction dissimilatrice bactérienne des sulfates (Stottmeister et al., 2003).

Les macrophytes peuvent assimiler des nutriments et d’autres éléments pour leur croissance et leur reproduction. Les macrophytes enracinés prennent des nutriments dans le substrat alors que les autres réalisent cette tâche dans la colonne d’eau. Par ailleurs, les macrophytes devraient être fauchés en début de la sénescence du plante afin d’éviter le relargage des matières organiques et nutriments durant la décomposition. Cependant, l’assimilation par les plantes a été montrée être moins importante que la dénitrification pour l’élimination des nitrates par Bachand et Horne (1999b).

Les macrophytes peuvent influencer l’efficacité des biofilms qui y sont fixés pour l’élimination des nitrates via principalement la dénitrification en fonction de la structure et la diversité de la végétation. Bachand et Horne (1999b) ont montré que 835 mgN m-2jour-1 sont éliminés avec une végétation mixte de macrophytes et de plantes diverses lors de 565 et 261 mgN m-2jour-1

avec une mono-végétation de jonc (Scirpus spp.) et typha (Typha spp.), respectivement. Les macrophytes peuvent transférer l’oxygène dissous dans la rhizosphère : cela permet de fournir de l’oxygène dissous pour la dégradation des matières organiques et la nitrification dans les zones pauvres en oxygène dissous (Gersberg et al., 1986 ; Weisner et al., 1994.).