Présentation des STEU à filtres plantés

I.1.2.1. Généralités

Les filtres plantés sont des systèmes extensifs de traitement des eaux. L’appellation « extensif » provient du fait que ces techniques fonctionnent à des charges appliquées par unité de surface bien plus faibles que les systèmes intensifs. La surface d’implantation requise est de 4 à 8 m²/EH avec une surface utile de 2 à 2,5 m²/EH. Le système dit « français » comporte deux étages de filtres. Le premier étage nécessite généralement une surface d’au moins 1,2 à 1,5 m²/EH (en France, on trouve en moyenne 1,2 m²/EH, avec un maximum de 4,7 m²/EH), alors que le deuxième étage est généralement de l’ordre de 0,8 à 1 m²/EH (0,8 m²/EH en France en moyenne, avec un maximum de 3,6 m²/EH) (Boutin, 1987; Molle et al., 2004). Ces systèmes sont également appelés « marais artificiels » (« constructed wetlands » en anglais) car ils sont conçus comme des écosystèmes artificiels qui reproduisent de manière optimisée les processus d’autoépuration des milieux humides naturels (Knight et al., 2001; Sundaravadivel &

Les premières STEU à filtres plantés ont été élaborées dans les années 60 en Allemagne et sont apparues en France à la fin des années 80. Les filtres sont très généralement plantés de roseaux, ce qui leur vaut leur appellation courante « filtres plantés de roseaux » (FPR). Ils sont majoritairement utilisés pour le traitement des eaux usées domestiques (Kim et al., 2014; Paing & Voisin, 2005), mais peuvent également traiter les eaux pluviales urbaines (Boutin et al., 2000; Pálfy et al., 2018) ou certains effluents industriels tels que ceux de l’industrie agroalimentaire (effluents viticoles et provenant de distilleries) (Paing et al., 2015; Vymazal, 2014), voire d’autres effluents plus spécifiques tels que les lixiviats de décharge (Nivala et al., 2007). Ils peuvent être combinés à d’autres technologies intensives et employés comme traitement secondaire ou tertiaire. Ainsi, les filtres plantés offrent désormais une diversité d’applications dans le domaine de l’épuration des effluents domestiques, agricoles, mais également industriels. De plus, ils sont utilisables dans des zones aux conditions climatiques « extrêmes », c’est-à-dire en climat froid et en altitude (montagne), mais également en zones tropicales (Lombard Latune & Molle, 2017; Prost-Boucle et al., 2015). Enfin, autres que les effluents, ils peuvent être implantés pour le traitement des boues activées (Nielsen, 2003; Troesch et al., 2009a) ou encore les matières de vidange (Troesch et al., 2009b; Vincent et al., 2011).

La croissance de la filière notamment en France et en Europe est liée à ses nombreux avantages. Les FPR sont des systèmes robustes demandant peu d’énergie et, d’une manière générale, simples d’exploitation et de maintenance. De plus, la production de boue qui en résulte est peu importante. Enfin, leurs faibles nuisances olfactives, sonores et visuelles, et leur bonne intégration dans le paysage rural, en font une technique attractive pour les collectivités.

I.1.2.2. Les différents types de filtres plantés

Deux types de filtres plantés peuvent être distingués selon le mode d’écoulement dans le milieu filtrant :

les filtres à écoulement horizontal les filtres à écoulement vertical.

Ces deux systèmes reposent sur des principes similaires mais fonctionnent dans des conditions très différentes (Tableau I.1).

Les filtres à écoulement horizontal, ou « filtres horizontaux », 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 ([Figure I.2.a). 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.

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).

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 ([Figure I.2.b). Au contraire des filtres horizontaux, les filtres verticaux peuvent traiter des eaux brutes non décantées 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).

[Figure I.2] Schémas de (a) filtre planté horizontal et (b) filtre vertical (documentation SCIRPE).

Les conditions de fonctionnement et les options technologiques de la filière se sont enrichies ces dernières années pour répondre aux exigences croissantes de traitement

(a)

évolutions ont été soutenues par un investissement très significatif en recherche-développement des principales entreprises du secteur. Ainsi par exemple, des combinaisons technologiques entre filtres plantés et d’autres systèmes de traitement ont été développées (lits bactériens, disques biologiques). Des étapes de traitement spécifique (pour l’azote, et le phosphore notamment) ont été intégrées, et certaines des conditions opératoires des filtres ont été modifiées. Les principales modifications apportées au système français classique de filtres plantés à écoulement vertical sont présentées au Tableau I.1.

Tableau I.1: Comparaison des paramètres de fonctionnement des filtres horizontaux et verticaux FPR et avec traitements additionnels) (adapté de Boutin et al. 2007 ; Kim, 2014)

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

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 rédox dans les

filtres ^{Anoxie à anaérobiose}

Aérobiose si filtre non saturé Aérobiose à anoxique si immersion partielle du filtre)

Surface des filtres ¹

er étage FPR vertical 2ème étage horizontal  2,0 m².EH

-1

1er étage  1,2 à 1,5 m².EH-1

2ème étage  0,8 à 1,0 m².EH-1

Profondeur _{0,6 m 0,6 à 1 m}