Marais filtrants : purification de l’eau au naturel

Le problème des eaux usées est bien présent. Qu’il s’agisse d’eaux usées agricoles, industrielles, pluviales ou domestiques, on doit s’assurer que l’eau rejetée dans l’environnement est saine. Les marais filtrants répondent à cette problématique en épurant les eaux usées qui y circulent. Et ils sont entièrement naturels… quoique construits.

Les marais filtrants revêtent de multiples avantages pour le traitement des eaux usées : ils demandent peu d’entretien, sont peu coûteux, ne nécessitent aucun produit chimique, permettent d’héberger la faune locale, ne nuisent pas au paysage et ne requiert peu ou pas d’énergie. Sur le plan énergétique, seules des pompes devront être alimentées en énergie si la topographie ne permet pas à l’eau de s’écouler naturellement à travers le marais filtrant (2).

Comment un simple milieu humide peut purifier l’eau?

Le fonctionnement du marais filtrant est basé sur ses propriétés physiques, chimiques et biologiques, qui s’allient pour purifier l’eau. Les types de contaminants à séquestrer ou à dégrader varient selon la provenance des eaux usées. L’eau provenant d’une production agricole sera riche en matières organiques, nitrates, sulfates, phosphates et parfois en sels. L’eau usée domestique sera plutôt riche en coliformes fécaux, en matières organiques, en éléments nutritifs mais aussi parfois en produits chimiques, tandis que l’eau provenant du milieu industriel contiendra divers contaminants incluant parfois des métaux lourds et des hydrocarbures pétroliers. L’eau de ruissellement contient quant à elle principalement des sédiments en suspension, des fertilisants et des polluants récoltés durant le ruissellement (2-4).

La végétation implantée dans le marais filtrant permet d’aérer le substrat et stimule l’activité microbienne. Le réseau racinaire des plantes encourage aussi l’agrégation des matières organiques et des sédiments, les séquestre dans le marais et évite leur diffusion en aval. Les plantes peuvent aussi capter différents éléments toxiques lors de la prise d’éléments nutritifs. Elles peuvent alors stocker ces éléments dans leurs portions aériennes (tiges et feuilles), qui pourront être fauchées et éliminées en fin de saison, au besoin. Les éléments pouvant être bio-accumulés dans les plantes sont nombreux, et comprennent entre autres l’azote (N), le plomb (Pb), le cuivre (Cu), le zinc (Zn), le cadmium (Cd), le fer (Fe) et le manganèse (Mn). De plus, les plantes émergentes et flottantes peuvent aider à diminuer la teneur en éléments nutritifs des eaux usées (azote (N), phosphore (P), potassium(K)) en prélevant ces éléments nutritifs pour leur métabolisme (2, 10).

Le sol joue quant à lui le rôle de sédimentation des matières en suspension à l’aide des racines. Certains éléments chimiques tels que l’aluminium, le fer, le calcium et le magnésium peuvent être adsorbés (se coller) ou précipité (ne plus être en solution, mais retrouver leur phase solide au fond du marais) grâce à des éléments réactifs dans le gravier. Par contre, la saturation des sites de réactions peut mener à une inefficacité du système avec son vieillissement (2).

Les microorganismes sont au cœur de l’action du marais filtrant. Une grande diversité de microorganismes est présente dans le système, mais ceux dont l’action est la plus importante pour l’épuration de l’eau sont les bactéries. Elles dégradent les matières organiques complexes grâce à leurs enzymes extracellulaires qui hydrolysent des macromolécules en composés plus simples, ce qui les rend facilement assimilable par les microorganismes. Ensuite, les composés toxiques seront biodégradés dans les microorganismes durant les multiples réactions qui s’y produisent comme la fermentation et la respiration, et seront finalement rejetés sous forme non-toxique (1). Ce processus dirigé par les bactéries est modulé par les conditions abiotiques du système. Les conditions les plus influentes sur la vitesse de biodégradation sont la concentration d’oxygène dissous dans l’eau, la température (20 à 30 °C pour une activité optimale des bactéries), le pH (neutre à légèrement basique), la conductivité électrique (représentant les solides dissous dans l’eau) et la composition des eaux usées. Concernant ce dernier point, le carbone, l’azote, le soufre et le phosphore sont des éléments nutritifs nécessaires aux bactéries en doses moyennes. Une salinité élevée pourrait réduire l’activité microbienne tandis que l’ajout de carbone sous forme du glucose pourrait encourager l’activité microbienne (4, 11-13).

Autre paramètre important, la lumière du soleil peut aider à dégrader certains contaminants et bactéries pathogènes (2).

Plusieurs types de marais pour s’adapter à toutes les situations

Lorsqu’on pense à un marais filtrant, on imagine de petits volumes d’eau traités lentement. Pourtant, les volumes d’eau peuvent aussi atteindre des sommets. Par exemple, 4,5 millions de mètres cubes par jour peuvent être traités en marais filtrants, selon le type de marais implanté et/ou sa superficie (9).

Les principaux types de marais filtrants sont les suivants (2, 4, 9, 10) :

  • Marais filtrant surfacique à flux horizontal – Ce type de marais filtrant est le plus simple. C’est un bassin peu profond d’eau libre (environ 30 cm en moyenne), où l’on retrouve des plantes émergentes et des plantes flottantes, où le mouvement de l’eau s’effectue juste au-dessus du sol, de l’entrée du bassin vers la sortie. C’est le type de marais filtrants le moins coûteux et le plus facile à entretenir. Par contre, il nécessite une grande superficie et est plus efficace en climats chauds et tempérés. Au Québec, on peut l’utiliser en été ou en serres. De plus, lorsque la charge organique des eaux usées est importante, il peut dégager des odeurs et encourager la prolifération d’insectes. Le gouvernement du Québec encourage fortement à ce que ce système soit couplé à un système aérobie à traitement vertical pour le traitement des eaux usées domestiques.

    surfacique flux horizontal
    Marais filtrant surfacique à flux horizontal. a) plantes flottantes,  b) plantes émergentes (2).
  • Marais filtrant sous-surfacique à flux horizontal – Ce type de marais est fait d’un lit poreux (souvent du gravier) où sont enracinées des plantes émergentes. L’écoulement de l’eau se fait horizontalement sous la surface du marais. Le marais est caractérisé par des zones où l’oxygène dissous est en bonne concentration (aérobie) et d’autres zones plus grandes où il est en faible concentration (anoxie), ce qui facilite le traitement de l’azote. Si on veut limiter le colmatage du marais, un pré-traitement des eaux usées (bassin de sédimentation) peut s’avérer nécessaire lorsque l’eau contient trop de particules en suspension. Ce type de marais peut être utilisé en climat frais puisque le mouvement de l’eau s’effectue sous la surface du marais, le système est donc protégé du gel.

    sous-surfacique flux horizontal
    Marais filtrant sous-surfacique à flux horizontal (2).
  • Marais filtrant sous-surfacique à flux vertical – Ce type de marais est constitué d’un lit poreux (de gravier ou de sable) et l’apport en eaux usées se fait verticalement, par percolation. Le système n’est pas saturé d’eau, donc l’oxygène s’y retrouve en bonne concentration (aérobie). L’eau usée est donc oxygénée ce qui permet de traiter différents contaminants, mais peut nuire au traitement d’autres contaminants qui nécessiterait de la dénitrification, qui s’effectue seulement en anaérobie. Ce marais nécessite peu de superficie puisque le processus est vertical, mais il est sensible aux gels. C’est un marais très utilisé en France.

    flux vertical
    Marais filtrant sous-surfacique à flux vertical (2).
  • Marais hybride – Combinant plusieurs types de marais filtrants, les marais hybrident permettent de tirer avantage des différents marais vus précédemment. La combinaison la plus populaire est le marais à flux vertical suivi d’un marais à flux horizontal. Le premier permet de dégrader efficacement les contaminants qui nécessitent des conditions oxygénées, puis le second permet de dégrader les contaminants restant en conditions anaérobiques.

    hybride
    Marais filtrant hybride : marais sous-surfacique à flux vertical et marais sous-surfacique à flux horizontal. (2)

Le choix des marais filtrants et des plantes doivent donc être effectué en fonction des contaminants à dégrader.

Entretien et aspects négatifs

Malgré les avantages du marais filtrants, il nécessite tout de même un peu d’entretien. Tout d’abord, l’alimentation du marais doit être bien faite pour maintenir un niveau d’eau  constant suite à l’implantation des plantes. Ensuite, l’eau rejetée à la sortie du marais doit être suivie pour s’assurer des performances épuratoires du système. La santé des plantes de même que l’envahissement par les mauvaises herbes doivent aussi être suivies, et finalement les matières organiques s’accumulant dans le système et pouvant bloquer les sites de réaction doivent être enlevées lorsque nécessaire. De plus, le système est à son maximum d’efficacité lorsque les plantes sont bien implantées soit 1 à 2 ans après leur plantation et le traitement du phosphore diminue avec le temps (2).

Les marais filtrants concrètement

  • A Montréal, la biosphère est dotée de trois bassins de marais filtrant pour purifier les eaux usées du musé. (14)
biosphere
Marais filtrants de la Biosphère (14)
  • L’aéroport d’Orly, le deuxième en importance en France, est doté de nombreux marais filtrants couvrant une superficie totale d’environ 6500 mètres carrés afin de filtrer ses 4,5 millions de mètres cubes d’eaux usées chaque jour (9, 15).
aéroport
Marais filtrants de l’aéroport d’Orly, France (15)
  • A Corgné-sur-Lorgne, en France, la ville s’est dotée d’un grand marais filtrant pour filtrer les eaux usées de ses 1600 habitants, soit environ 160 m3 d’eau chaque jour (16).
  • L’auberge Le baluchon, située à Saint-Paulin au Québec, s’est dotée de quatre marais filtrants afin de purifier ses eaux usées avant leur retour dans la rivière-du-loup (2, 17).

 

Par Catherine Emond

 

Références

(1) Gouvernement du Québec. 2015. Guide technique sur le traitement des eaux usées des résidences isolées. Ministère du Développement Durable, de l’Environnement et de la Lutte au Changements Climatiques. Bibliothèque nationale du Québec. ISBN-13 : 978-2-550-48687-9 (PDF).

(2) Société québécoise de phytotechnologie, Fiches techniques de la SQP. I. Les marais filtrants. 28 mai 2014. phytotechno.com

(3) Knight, R.L., Victor, Payne, V.W.E., Borer, R.E., Clarke, R.A., Pries, J.H. 2000. Constructed wetlands for livestock wastewater management. Ecological Engineering 15: 41-55.

(4) Lévesque, V. 2011. Potentiel des marais filtrants à traiter les effluents de serre issus d’une culture de tomates. Mémoire de maîtrise, presses de l’Université Laval.

(5) Mays, P.A., Edwards, G.S. 2001. Comparison of heavy metals accumulation in a natural wetland and constructed wetlands receiving acid mine drainage. Ecological Engineering 18 (2): 251-252. doi:10.1016/S0925-8574(00)00112-9

(6) Ye, Z.H., Whiting, N.S., Qian, J.H., Lytle, C.M., Lin, Z.Q., Terry, N. 2001. Trace element removal from coal ash leachate by a 10-year-old constructed wetland. Journal of Environmental Quality 30: 1710-1719.

(7) Kularatne, R.K.A., Ranil, K.A., Kasturiarachchi, J.C., Manatunge, J. 2009. Mechanisms of manganese removal from wastewaters in constructed wetlands comprising water hyacinth (Eichhornia crassipes (Mart.) Solms) grown under different nutrient conditions. Water Environment Research 81(2): 161-172.

(8) Jayaweera, M.W., Kasturiarachchi, J.C., Kularatne, R.K.A., Wijeyekoon, S.L.J. 2008. Contribution of water hyacinth (Eichhornia crassipes (Mart.) Solms) grown under different nutrient conditions to Fe-removal mechanisms in constructed wetlands. Journal of Environmental Management 87: 450-460.

(9) Site web France Info. L’aéroport d’Orly possède son marais filtrant pour le traitement des eaux de ruissellement. http://www.franceinfo.fr/emission/chroniques-du-ciel/2013-2014/l-aeroport-d-orly-possede-son-marais-filtrant-pour-le-traitement-des-eaux-de-ruissellement. Page visitée le 18 avril 2016.

(10) Gouvernement du Québec. Ministère du Développement Durable, de l’Environnement et de la Lutte aux Changements Climatiques. 2010. Chapitre 5 Les marais filtrants. 36 pp.

(11) Truu, M., Juhanson, J., Truu, J. 2009. Microbial biomass, activity and community composition in constructed wetlands. Science of the total environment 407: 3958-3971.

(12) Gutknecht, J.L.M., Goodman, R.M., Balser, T.C. 2006. Linking soil process and microbial ecology in freshwater wetland ecosystem. Plant Soil 289: 17-34.

(13) Shackle, V.J., Freeman, C., Reynolds, B. 2000. Carbon supply and the regulation of enzyme activity in constructed wetlands. Soil Biology and Biochemistry 32(13): 1935-1940.

(14) Les marais d’épuration des eaux usées de la biosphère. http://www.ec.gc.ca/biosphere/default.asp?lang=Fr&n=6D55C901-1. Page visitée le 18 avril 2016.

(15) Communiqué de Presse, Aéroports de Paris. http://www.parisaeroport.fr/docs/default-source/groupe-fichiers/presse/cp_avril-juin-2014/2014_04_08-presse-adp_inauguration_marais_filtrant_traitement_eaux.pdf.  Page visitée le 19 avril 2016.

(16) Les jardins filtrants de Corgné-Sur-Lornge. Stéphanie Lechêne. http://www.consommer-responsable.fr/magazine/article/les-jardins-filtrants-de-corcoue-sur-logne. Page visitée le 18 avril 2016.

(17) Site web de l’Auberge Le Baluchon. https://www.baluchon.com/fr/apropos/eco-responsabilite/. Page visitée le 20 avril 2016.

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