Type de marais filtrants

2.4.1 Marais à écoulement horizontal en surface

Ce type de marais est caractérisé par un bassin d’eau libre passant principalement au-dessus de la surface du sol et l’écoulement se fait horizontalement de l’entrée vers la sortie pour un TRH minimal recommandé de 10 jours (Reed et Brown, 1995; Verhoeven et Meuloman, 1999; Higgins et Whitford, 2003; USEPA, 2014). Les plantes sont généralement émergentes ou flottantes, alors que le bassin est souvent entre de 0,2 à 0,4 m de profondeur (Verhoeven et Meuloman, 1999; Truu

et al., 2009). Ce type de marais est un choix quasi exclusif pour le traitement des eaux pluviales

urbaines, agricoles et industrielles, pour les eaux domestiques en milieu tropical ou subtropical, car c’est le type de marais le plus économique. En raison de leur capacité à gérer une variation du débit, du niveau d’eau, et de leur économie, ils sont aussi fréquemment employés dans le traitement des eaux de mines (Vymazal, 2010).

Dans les marais horizontaux surfaciques, les mécanismes de traitement des eaux usées comprennent les suivants: la décantation des solides en suspension; la diffusion des nutriments dissous dans les sédiments; la minéralisation de la matière organique; l'absorption des éléments nutritifs par les microorganismes et par la végétation; l’adsorption sur les sédiments et les organismes vivants et la précipitation dans les sédiments (Verhoeven et Meuloman, 1999).

Cependant, comparativement aux autres types de marais filtrants, ils sont moins efficaces (surface de contact plus faible) et demandent donc une plus grande superficie pour traiter un même débit. Aussi, en climat froid comme au Canada, ce type de marais ne permet pas une efficacité satisfaisante que pendant la période estivale (Goulet, 2001).

Figure 2-2 : Vue en coupe d’un marais surfacique à flux horizontal a) à plantes flottantes et b) plantes enracinées (tiré de Société québécoise de phytotechnologie, 2013)

2.4.2 Marais sous-surfaciques à flux horizontal

Ce type de marais est constitué de macrophytes émergentes ensemencées dans un milieu poreux (souvent du gravier ou du sable) et dont l’apport en effluent se fait par écoulement horizontal sous la surface du marais (Higgins et Whitford, 2003; Nivala et al., 2012; Ranieria et al., 2013). Le traitement de la contamination se fait par dégradation microbiologique et par des processus chimiques et physiques dans un environnement aérobie (près des racines) ou anaérobie (Vymazal, 2010). Le TRH est très variable, de 12 heures à 8 jours (Akratos et Tsihrintzis, 2007; Gikas et al., 2013; Fu et al., 2014).

Le risque de colmatage est plus élevé dans les marais sous-surfaciques et un prétraitement des eaux usées (en fosse septique ou bassin de sédimentation) est parfois nécessaire dans ce type de système. Aussi, la rétention des métaux lourds est significativement affectée par le colmatage du milieu

poreux (Gikas et al., 2013). En effet, l’ensemble des processus de traitement biologiques, physiques et chimiques cumulés peuvent produire un colmatage graduel du milieu poreux. Ce colmatage peut entraîner des problèmes au niveau hydraulique, mais aussi réduire la performance du système et une intervention peut parfois être requise (Nivala, et al., 2012; Gikas, et al., 2013). L’impact du colmatage sur le milieu poreux peut être évalué en mesurant la conductivité hydraulique, en utilisant des traceurs et en caractérisant la matière colmatée, afin d’élucider le degré et la nature du problème (Nivala et al., 2012).

Malgré cela, les marais sous-surfaciques à flux horizontal sont très exploités pour traiter les eaux usées domestiques et municipales dans le monde entier. À l'heure actuelle, ces systèmes sont aussi utilisés pour traiter d'autres types d'eaux usées comme les effluents miniers et les eaux de ruissellement (Vymazal, 2010; Gikas et al., 2013; Fu et al., 2014).

De plus, la couche de sol au-dessus de l’effluent permet une meilleure isolation en condition hivernale et c’est d’ailleurs pour cette raison que la vaste majorité des marais filtrants en exploitation au Canada sont de ce type (Wallace et al., 2001).

Figure 2-3 : Vue en coupe d’un marais sous-surfacique à flux horizontal (tiré de Société québécoise de phytotechnologie, 2013)

2.4.3 Les marais filtrants sous-surfaciques à flux vertical

Les marais sous-surfaciques à flux vertical sont construits de telle sorte que l'eau se déplace uniformément vers le bas ou vers le haut, à travers le substrat (Truu et al., 2009). L’alimentation se fait en lot et l’eau usée se déplace verticalement au travers du milieu, qui est très souvent

constitué du sable ou du gravier. Une fois que le système est dépourvu d’eau, il est à nouveau alimenté, ce qui favorise l’oxygénation de l’effluent et la biodégradation de certains polluants. En conséquence, les marais sous-surfaciques à flux vertical offrent des conditions aérobies et fournissent des conditions adéquates pour la nitrification. Aussi, comparativement aux marais horizontaux à écoulement surfaciques, ils exigent une plus petite superficie (généralement 1-3 m2) pour une efficacité de traitement comparable. Ils sont largement utilisés pour traiter les eaux usées domestiques et municipales, mais peuvent aussi être employés pour traiter des effluents de raffineries, par exemple (Vymazal, 2010).

Figure 2-4 : Vue en coupe d’un marais sous-surfacique à flux vertical (tiré de Société québécoise de phytotechnologie, 2013)

2.4.4 Les marais hybrides

Pour le traitement des eaux usées domestiques et des effluents miniers, il est courant de combiner plusieurs types de marais filtrants. Les marais horizontaux et verticaux sont efficaces dans l’enlèvement de la matière organique et des solides en suspensions. Cependant, l’épuration de l’azote total demeure limitée puisque le marais horizontal seul présente des conditions anaérobies qui favorisent la dénitrification (la transformation des nitrates en azote gazeux), tandis que le marais vertical est bien aéré et permet la nitrification (l’oxydation de l’azote ammoniacal en nitrite et ensuite en nitrate). Ainsi, dans les systèmes hybrides les avantages des différentes configurations peuvent être utilisés pour se compléter (Vymazal et Kröpfelová, 2011).