CHAPITRE I : SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
I. Les bassins d’infiltration
I.5 Les mécanismes de colmatage des milieux poreux supports de l’infiltration
2 1 m n Où h est la pression d’eau dans le milieu poreux ; hgest le paramètre de normalisation en pression de van Genuchten; θret θs sont respectivementles teneurs volumiques en eau résiduelle et à saturation ; m et n sont des paramètres de forme liés par la relation 7a. La teneur en eau résiduelle θr est généralement très faible et considérée nulle. La teneur en eau à saturation est souvent très légèrement inférieure à la porosité totale du milieu et peut dans certains cas atteindre cette porosité totale.
I.4.2.2 La courbe de conductivité hydraulique K(θ)
Plusieurs modèles ont étés développés pour déterminer la conductivité hydraulique relative d’un milieu poreux, le modèle de conductivité hydraulique relative de Burdine, combiné avec la courbe de rétention de van Genuchten permet d’ obtenir une expression de conductivité hydraulique utilisée couramment : la relation de Brooks et Corey (1964) pour la courbe de conductivité hydraulique :
r s s r K K Où θret θs sont respectivementles teneurs volumiques en eau résiduelle et à saturation, Ksest la conductivité hydraulique à saturation et η est un paramètre de forme.
I.5 Les mécanismes de colmatage des milieux poreux
supports de l’infiltration
Le colmatage induit et se définit comme une diminution de la perméabilité. Dans le cas des ouvrages d'infiltration, il résulte de mécanismes complexes, combinant des processus à la fois physiques, chimiques et biologiques (Baveye et al., 1998).
(Eq. 7)
(Eq. 7a)
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I.5.1 Les processus physiques
Plus la granulométrie du support d’infiltration est petite, plus le milieu est capable de retenir les matières en suspension présentes dans l’eau qui s’infiltre. Ces particules sont piégées par des mécanismes physiques de filtration dans des pores de la matrice sédimentaire. Les particules les plus grossières s'accumulent superficiellement, les particules plus fines peuvent pénétrer plus profondément (Schälchli, 1992; Skolasińska, 2006; Lu et al., 2011). Ainsi, le colmatage est dû en premier lieu à ce dépôt de particules en surface et dans les interstices du milieu (Schälchli, 1992; Langergraber et al., 2003). Si ce phénomène de sédimentation est naturel, il est amplifié dans les systèmes d'infiltration, car l'eau entrante y est souvent chargée de matières en suspension et le courant « vertical » favorise le transfert et le dépôt des particules. Il a par exemple été clairement montré que les bassins conçus pour la gestion des eaux pluviales étaient hydrauliquement impactés par l’accumulation de particules fines à la surface des sédiments (Winiarski et al., 2006; Hatt et al., 2008; Nogaro et Mermillod-Blondin, 2009).
I.5.2 Les processus chimiques
La géométrie des pores peut-être influencée par certaines propriétés chimiques des particules solides composant le milieu poreux, ou de l’eau qui s’infiltre. Le pH, le potentiel redox, de même que la composition minéralogique de la phase solide, ses caractéristiques de surface , et les réactions chimiques qui en découlent affectent la forme et la stabilité des pores et peuvent donc influencer la perméabilité du milieu (Baveye et al., 1998).
Ces réactions chimiques comprennent la formation de précipités et l’adsorption de composés par la matrice solide du support d’infiltration (Knowles et al., 2011). La précipitation des carbonates, par exemple, peut provoquer une cimentation des particules composant le support d’infiltration et ainsi diminuer sa perméabilité (Schuh, 1990; Heilweil et Watt, 2011). Elle est généralement causée par une augmentation du pH de l’eau, résultant de la consommation de bicarbonate liée à l’activité photosynthétique des algues se développant dans les bassins (Schuh, 1990). Dans le cas de bassins alimentés avec des eaux ayant lessivé des surfaces fortement anthropisées, on observe
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également d’autres phénomènes de précipitations. On peut citer par exemple des précipités d'hydroxydes ferriques lorsque les conditions sont très oxydantes (Nivala et al., 2007) ou la précipitation de sulfures de fer, réaction d’origine microbienne, due à la réduction des sulfates en sulfures par les bactéries sulfato-réductrices en conditions anaérobies (Chabaud, 2007). De tels effluents sont également source de nombreux composés qui peuvent s’adsorber sur des particules du milieu poreux. A titre d’exemple, Les particules solides sous forme colloïdale possèdent généralement une grande surface spécifique pour l’adsorption des contaminants ; aussi elles jouent un rôle très important dans le piégeage et le transport de contaminants (McCarthy et Zachara, 1989; Grolimund et Borkovec, 2001). Les colloïdes proviennent principalement de la matrice support de l’infiltration (Baumann et al., 2002), et leur mobilisation varie en fonction des paramètres initiaux du milieu (teneur en eau, force ionique, pH, débit) et de la taille des particules colloïdales mobilisées (Harmand et al., 1996; Grolimund et Borkovec, 1999). Les colloïdes ne sédimentent pas par eux-mêmes mais peuvent se regrouper en agrégats (Sigg et al., 2000) qui, eux, sédimentent et participent physiquement au colmatage.
I.4.3 Les processus biologiques
A ces processus physico-chimiques se cumulent des phénomènes biologiques, liés d'une part à l'accumulation des particules organiques apportées par l'eau d'infiltration, et d'autre part au développement intrinsèque d’un biofilm à l’interface eau-sédiment (Nguyen, 2001; Thullner et al., 2002b; Mauclaire et al., 2006; Zhao et al., 2009). Si initialement, la réduction du taux d’infiltration s’explique principalement par des mécanismes physiques de filtration des matières en suspension, sur le long terme, la croissance biologique sous la forme d’un biofilm peut devenir la cause dominante (Oberdorfer et Peterson, 1985; Wu et al., 1997; Rinck-Pfeiffer et al., 2000; Langergraber et al., 2003). Les mécanismes de colmatage liés à la présence du biofilm seront développés dans la partie suivante.
Bien entendu, tous ces mécanismes interagissent entre eux et conduisent à la formation d’une couche colmatante au niveau du support d’infiltration (Baveye et al., 1998; Bouwer, 2002; Knowles et al., 2011). Cette couche est généralement fine, inférieure à 1 cm
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dans le cas des systèmes alimentés avec une eau « propre », c'est-à-dire non issue du traitement des eaux usées ou du drainage de sols très pollués (Bouwer, 2002). C’est le cas par exemple des ouvrages conçus pour la recharge des nappes phréatiques. Elle peut atteindre plusieurs centimètres dans le cas de systèmes conçus pour le traitement secondaires des eaux usées, et alimentés avec des eaux très chargées (Siegrist, 1987) .
Finalement, bien que les mécanismes de colmatage des ouvrages d’infiltration aient été largement étudiés ces dernières années (Schuh, 1990; Baveye et al., 1998; Rinck-Pfeiffer et al., 2000; Bouwer, 2002; Le Coustumer, 2008; Knowles et al., 2011; Lu et al., 2011; Pavelic et al., 2011) ; il apparait difficile de distinguer la contribution exacte de chacun dans la réduction de perméabilité des supports d’infiltration, en particulier celle du compartiment biologique. En effet, les mécanismes de colmatage de surface sont décrits assez finement pour des processus purement physiques ou géochimiques, avec de nombreuses étude (Herzig et al., 1970; Reddi et al., 2000; Hajra et al., 2002; Van Der Lee et al., 2003) concernant les mécanismes de filtration de particules (homogènes, non réactives et évolutives), mais les verrous scientifiques restent importants pour comprendre la contribution du compartiment biologique, notamment des biofilms, dans ces mécanismes.
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