Fonctionnement des filtres planté de roseaux à écoulement vertical 

Filtration des Matières en suspension (MES)

La filtration des MES dépend de la granulométrie de la couche de surface et donc de l’âge des filtres. Le 1er étage est conçu pour retenir la plus grosse partie des MES (voir Tableau 4). Le 2ème étage, disposant d’une couche de filtration de granulométrie plus faible, assure un traitement de finition. Au total, environ 90 % des MES sont retenues puis minéralisés à hauteur de 61-65% (Molle et al. 2004). A raison d’environ 10-15 mm/an, les MES s’accumulent en surface du filtre pour former une couche meuble, appelée « dépôts du 1erétage » ou « boues », bien que le terme de boues englobe une multitude d’acceptations. Au fil des ans, ces dépôts progressent vers un état proche d’un humus (Liey 2010). Après curage, ils sont le plus souvent valorisés en agriculture. L’épandage direct en champ est rare, les exploitant choisissent le plus souvent un transfert vers un centre de compostage ou une réutilisation comme amendement organique pour les espaces verts.

Traitement de la matière organique (pollution carbonée)

La majeure partie de la pollution carbonée, pour partie incluse dans les MES, (Duchène et al. 2002) est traitée par le 1er étage (voir Tableau 4). Le 2ème étage joue, là aussi, un rôle de finition. L’oxydation de la pollution a lieu dans le réacteur biologique qu’est le filtre. Chazarenc et al. 2010 observe que les hydrates de carbone et les acides carboxyliques sont plus facilement assimilés lorsque les filtres sont en fonctionnement. Une observation à rapprocher de celle de Molle (2003) et Molle et al. (2004) qui observent un meilleur abattement de la DCO lorsque les bâchées sont rapprochées (voir Tableau 15 p. 56). Stefanakis et Tsihrintzis (2012a), à travers une expérimentation menée sur 10 pilotes de 0,82 m2 pendant 3 ans, trouvent que la présence de drains d’aération dans les filtres augmente le traitement de la matière organique d’environ 5%.

Nitrification

Le processus de nitrification est un processus aérobie. Il a donc lieu là où de l’oxygène libre (O2) est présent :
– couche superficielle du filtre.
– fond du lit, car apport d’O2 par les drains.
La réaction de nitrification se fait en deux temps, en suivant le rythme d’alternance des filtres. Les ions NH4+ (on considère que l’azote organique ammonifiable est rapidement transformé en NH4+, Duchène et al. 2002) se fixent sur la matière organique lors de la phase d’alimentation, puis ils sont oxydés en nitrates (NO3-) lors de la phase de repos. Par conséquent, la vitesse de passage des ions ammonium dans le milieu et donc leur temps de séjour est un facteur limitant dans la réaction de nitrification. Il s’agirait même du principal facteur limitant, devant la température et l’oxygénation (si température > 2°C et absence de couche saturée en fond de filtre) d’après Molle et al. (2006a).
D’où l’importance de la couche de dépôt sur le 1er étage. Car en plus de constituer un substrat de matière organique sur lequel les ions ammonium peuvent venir s’adsorber, elle freine et régule l’infiltration de l’effluent dans le filtre.
Chazarenc et al. (2010) observait que les communautés de microorganismes présentes dans le filtre semblaient mieux assimiler les amines (azote organique) et les composés phosphatés lors des périodes de repos.
La surface du filtre exerce également une influence sur la réaction de nitrification : augmenter cette surface signifie diminuer la lame d’eau journalière reçue et donc donner davantage de temps au filtre pour s’oxygéner (AELB 2008a ;
Molle et al. 2006a). Molle et al. (2004) cite également le débit d’alimentation du filtre comme possible facteur clé dans l’efficacité de la réaction de nitrification : si le débit d’alimentation augmente, les durées bâchées sont réduites et les périodes de repos sont allongées. Autre facteur important : la présence de drains d’aération en fond de filtre réduit les concentrations du rejet en NTK et N-NH4+ jusqu’à 10% (Stefanakis et Tsihrintzis 2012a).
On observe par contre une chute des rendements dès lors qu’il y a présence d’une couche saturée en fond de filtre (Molle et al. 2006a). Notons cependant que ce résultat est contredit par une des stations que nous avons étudiées montrant des rendements systématiquement supérieurs à 85 %, et même supérieurs à 95% la plupart du temps.
Kadlec (2008, in Ayaz et al. 2012) montre également qu’une perte de végétation diminue les taux de nitrification dans le filtre. Enfin, de nombreuses études (Stefanakis et Tsihrintzis 2012a, Molle et al. 2006) montrent que la réaction de nitrification est, parmi toutes les transformations qui ont lieu dans le filtre, celle qui est la plus sensible à la température.
Les mécanismes de transformation de l’azote font actuellement l’objet d’une littérature abondante. Parmi les différents moyens de traitement envisagés (voir aussi 1.3.3.4 La dénitrification), Wallace et Austin (2008) proposent  le process ANAMMOX, qui a recours à la bactérie anammox. Cette bactérie, à partir d’un effluent riche en ammonium (> 0.12 kg/NH4/j) et pauvre en oxygène, est capable d’utiliser une partie des ions ammonium transformés en nitrites, pour oxyder le reste des ions ammonium directement en azote gazeux.

La dénitrification

La réaction de dénitrification – transformation des nitrates en azote gazeux – nécessite un environnement en conditions anoxiques (présence de nitrates mais absence d’oxygène libre). Or, un FPRv fonctionnant correctement ne permet pas, hormis peut être quelques hétérogénéités du  filtre très localisées, le développement de telles conditions. Les rendements en azote global ou NGL seront donc faibles, de l’ordre de 40 % (AERM 2007). C’est pour cette raison que se développent de plus en plus de filières de traitement comprenant un étage à écoulement horizontal ou une zone saturée en fond de filtre à écoulement vertical et/ou une recirculation de l’effluent. Plusieurs études (Sklarz et al. 2010, Ayaz et al. 2012) montrent que la mise en place d’un système de recirculation, associé à une filière comprenant au moins un filtre à écoulement horizontal et un filtre à écoulement vertical (dénommé « filière hybride »), permet d’atteindre des résultats tout à fait satisfaisants concernant les rejets de nitrates dans le milieu récepteur (concentration de rejet entre 15 et 30 mg/l et rendement en NGL de 66% avec un taux de recirculation entre 100 et 200%, pour Ayaz et al. 2012). Molle et al. (2008) teste le potentiel d’une filière comprenant un premier étage à écoulement vertical puis un deuxième à écoulement horizontal et propose un dimensionnement permettant de fiabiliser la réaction de dénitrification.

Traitement du Phosphore

La végétation

Le roseau commun (Phragmites australis) est le végétal le plus utilisé sous nos latitudes car il présente une bonne résistance aux conditions rencontrées (longues périodes submergées du filtre puis période sèche, fort taux de matières organiques) (AERM 2007). Il est de plus un bon colonisateur et a tendance à former des communautés monospécifiques (Havens et al. 2003).
De nombreuses études mettent en évidence l’influence positive des plantes sur l’abattement de la pollution. Stefanakis et Tsihrintzis (2012a) observent des rendements épuratoires supérieurs de 6, 10 et 11 % pour respectivement la matière organique (DCO et DBO5), l’azote et le phosphore. Le rôle des plantes et des microorganismes qui leur sont associés au niveau de la rhizosphère est multiple. Le terme de phytorémédiation est quelquefois utilisé (Tapia Padilla 2010) pour décrire l’ensemble des actions des végétaux :
– Ils maintiennent une conductivité hydraulique dans le filtre c’est-à-dire qu’ils empêchent ou retardent toute apparition de colmatage au sein de la couche superficielle du filtre (contrôle hydraulique). Cela, ils le réalisent à l’aide de 1) la pénétration et la croissance de leurs rhizomes dans la matrice granulaire et 2) par le mouvement de leur tiges qui entretient un orifice à la base du plant (Molle et al. 2006b, Cooper 2009). C’est une des raisons pour laquelle la conductivité hydraulique du filtre apparaît plus élevée en été, lorsque les tiges sont plus hautes et donc davantage soumis au mouvement du vent. La croissance des rhizomes influe sur la décompaction du sol ainsi que sur la création de cheminement d’écoulements préférentiels.
– Oxygénation du massif via un transport par les racines.
– Ils créent un environnement autour des rhizomes (la rhizosphère) particulièrement favorables à la fixation et à la croissance de micro-organismes (phytostimulation), tels que les micro-organismes cellulolytiques (AERM 2007), responsable de la dégradation de la pollution soluble et de la minéralisation des dépôts organiques.
Ils préservent également les filtres des fortes variations de températures : ombre en été (participe aussi au maintien d’une hygrométrie nécessaire à la biomasse bactérienne), protection vis-à-vis du gel en hiver (si les roseaux sont faucardés au printemps) (AERM 2007).
– Stockage de la pollution (phytoextracion). La quantité de matière stockée par les roseaux reste néanmoins négligeable comparée aux flux à traiter : Stefanakis et Tsihrintzis (2012a) calcule que cela représente de 1,4 à 4,0 % pour l’azote et de 0,2 à 1,1 % pour le phosphore de la charge totale reçue par le filtre. A titre de comparaison, les rendements épuratoires de la réaction de nitrification atteignent facilement 70 à 85 % (Stefanakis et Tsihrintzis 2012a, Molle et al. 2004).
– Dégradation des polluants via une activité enzymatique (phytodégradation).
– Participent à la volatilisation de certains composés organiques (phytovolatilisation).
– Rôle dans l’intégration paysagère.
L’énumération des contributions que la plante apporte au fonctionnement d’un filtre planté montre les multiples dimensions des recherches entamées par le Dr Seidel, dans les années 1950

La conception

Les règles de dimensionnement des filtres, bien qu’établies à partir de relations empiriques (Cooper 2009) donnent, lorsqu’elles sont respectées, des résultats satisfaisants. Il existe pourtant des cas où d’autres ratios sont utilisés (AELB 2008a, CEMAGREF 2008), plutôt pour réduire les surfaces des filtres dans le but de réduire les coûts de Le faucardage désigne l’opération qui consiste à couper et exporter les roseaux et autres herbacées poussant dans l’eau des fossés, rivières, canaux, watringues ou watergangs et autres étangs et surfaces toujours en eau. Source : Wikipedia.
Il faut garder à l’esprit que même si les FPR sont des systèmes déjà largement étudiés, il reste difficile de relier clairement l’impact du dimensionnement sur les rendements épuratoires (Molle et al. 2004). Le facteur prudence intervient donc également dans la conception de la filière.
La grande difficulté dans la conception d’un FPRv, et de manière générale de tout système de traitement des eaux usées, est d’estimer les charges de pollution et charges hydrauliques qui vont arriver à la station. Ce sont eux pourtant qui conditionnent la taille de la station. Il semble pourtant que toutes les préconisations (AERM 2006 et 2007, MEDDE 2012) ne soient pas toujours intégrées aux études. Ces estimations de charges sont d’autant plus importantes lorsqu’il y a possibilité d’avoir de gros volumes d’eau qui arrivent sur la station, c’est à dire en présence d’un réseau unitaire et/ou d’arrivée d’eaux claires parasites dans le réseau. Soulignons que c’est dans ces derniers cas de figures que les estimations sont les plus difficiles à réaliser.

Les travaux

L’impact des travaux réalisés par l’entreprise sur le vieillissement de la station est conditionné par :
– Le choix des matériaux (granulats, dispositifs d’étanchéité) et des équipements qu’elle propose de mettre en œuvre
– Le soin qu’elle apporte à la mise en œuvre des différents matériaux et équipements
– Le respect des plans d’exécution et des choix de fournitures
– La plus-value dans la qualité de l’ouvrage qu’elle amène grâce à son expérience

L’entretien – l’exploitation

Le point clé de l’entretien d’un filtre est la gestion de son colmatage. La « filière française », dont la première étape de traitement est en général le passage d’eaux usées brutes par un filtre vertical, a vocation à subir un colmatage (Knowles et al., 2011), mais il doit rester contrôlé (Molle et al., 2006b). Le colmatage comporte des composantes favorables (voir Figure 6), aussi bien que défavorables pour le fonctionnement d’un système d’infiltrationpercolation (Chabaud 2007). Un colmatage trop important devient synonyme de dysfonctionnement car il empêche l’oxygénation du filtre et peut provoquer à terme le passage des effluents par le by-pass (trop plein). Un colmatage modéré, au contraire, influe positivement sur le fonctionnement hydraulique du filtre et sur ses performances épuratoires (voire 3.3.2 p.56).

Verrous actuels et perspectives de la filière

Lorsque l’on s’intéresse aux limites des filtres plantés de roseaux, il est toujours utile de rappeler qu’on a affaire à une filière dite « rustique ». Ainsi, l’absence de connaissance fine de certains mécanismes (Molle et al. 2004, Wanko 2005) ou la difficulté à obtenir des outils de modélisation à usage large va de pair avec une filière relativement simple à exploiter et souvent, plus économique à construire que d’autres (AERM 2007).

Les verrous techniques

Le traitement du phosphore par les filtres plantés de roseaux, à écoulement horizontal ou vertical, est un point sur lequel la communauté scientifique n’est pas encore parvenue à proposer de solution à la fois fiable et économiquement viable pour les petites collectivités. Bien que plusieurs solutions aient été proposées, comme par exemple l’adsorption du phosphore sur de l’apatite disposée dans le filtre (Molle 2003, Prost-Boucle et Molle 2008), elles présentent toutes des aspects prohibitifs (coûts, bilan environnemental, ressources limitées). Les procédés de traitement intensifs (exemple : station de traitement des eaux usées par boues activées) réalisent la précipitation du phosphore par 2 voies (Molle 2003) :
– voie biologique (assimilation du phosphore par les micro-organiqmes). Cette solution n’est cependant pas applicable aux procédés de traitement par cultures fixées (Cooper 2009).
– voie physico-chimique (injection de sels métalliques). Certains maîtres d’œuvre/constructeurs mettent en place une déphosphatation physico-chimique en amont du 1er étage, en se servant par exemple du poste de refoulement pour injecter un floculant (injection de chlorure ferrique). Les boues physico-chimiques qui en résultent se déposent sur le 1er étage. Des phénomènes de relargage au sein du filtre ont cependant été constatés rendant impossible le respect des normes de 2 mg/l (AELB 2008a). Dans les cas où le traitement du phosphore est demandé, il faut donc prévoir le passage par un décanteur spécifique pour piéger les boues chargées en phosphore. Pour réduire la quantité de floculant à injecter (le floculant réagit également avec la matière organique) et pour s’assurer d’une étape de filtration en aval du décanteur, il est judicieux de positionner ce traitement physico-chimique du phosphore entre le 1er étage et le 2ème (AELB 2008a).
La quantification précise des flux d’oxygène, avec à la clé une optimisation du dimensionnement des lits, est actuellement encore une des limites de la filière. Elle est source de nombreux travaux de recherche (Wanko 2005, Petitjean 2011).
Un mauvais dimensionnement dû à des lacunes dans les connaissances des concepteurs (AERM 2006, Cooper 2009) se rencontre malheureusement encore de temps en temps.

La modélisation

La modélisation du fonctionnement des filtres plantés de roseaux est une discipline en pleine essor depuis le début des années 2000 (Langergraber 2008, Langergraber et al. 2009). Les FPRv, en particulier, restent complexes à modéliser parce qu’ils cumulent régime transitoire (non-permanent) et conditions insaturées (Giraldi et al. 2009, Langergraber 2008). Pourquoi une modélisation si tardive ? Peut être parce que les méthodes empiriques ou les ratios exprimés en EH/m2 ont été suffisants pour produire un traitement de qualité (Cooper 2009). Cooper met en garde contre cette approche qui, si elle permet d’affirmer que les filtres ne sont pas sous dimensionnés, n’indique en rien cependant si le lit est bien dimensionné ou s’il n’est pas surdimensionné.
A l’heure où les domaines d’applications des filtres plantés de roseaux ne cessent de s’élargir (traitement des pesticides, d’effluents industriels, lixiviats, …) la modélisation devient un outil précieux pour adapter les règles de dimensionnement au traitement de nouveaux polluants. De même, la modélisation permet de mieux comprendre l’influence intrinsèque de chaque paramètre, comme par exemple l’influence de la croissance de la biomasse (Langergrbaer 2008), sur les performances d’un FPRV. Pour une synthèse des modèles concernant les FPRv on pourra se référer à Langergraber (2008) et Langergraber et al. (2009).

Traitement des autres pollutions

En dehors du cadre du traitement des eaux usées d’origine domestique, il est aussi intéressant de remarquer que d’autres usages sont et seront faits des filtres plantés de roseaux. De nombreux travaux de recherche (Vymazal 2011a, Cooper 2009) montrent que les FPR ont le pouvoir de traiter des eaux polluées d’origines très variées: eaux pluviales, industrie, industrie agro-alimentaire, lixiviats de décharges, mines, résidus de produits phytosanitaires, produits pharmaceutiques, … Quant à la problématique des micropolluants et polluants émergents, plusieurs études (Hijosa-Valsero 2011, Haarstad et al. 2012) mentionnent la capacité des FPR abattre la pollution.
Les FPR apparaissent donc comme des systèmes aptes à traiter des composés chimiques complexes et difficilement biodégradables (ex. résidus de produits phytosanitaires) et par ailleurs très différents (composés organique, métaux lourds, Arsenic, …).

Méthodes d’analyse des données

Collecte de données

Trois collectes de données ont nourri ce travail. La première rassemble des données provenant de l’INSEE, du portail assainissement du ministère de l’écologie, du développement durable et de l’énergie (MEDDE) et de l’observatoire national des services de l’eau et de l’assainissement. Elles ont servi à dresser un état des lieux de la population couverte par l’assainissement collectif dans un périmètre d’environ 200 km autour de Colmar (Siège d’Olry Arkedia).
La seconde collecte fait la synthèse entre des données provenant du Système d’Information sur l’Eau Rhin-Meuse (S.I.E.R.M.) et du SATESE du Haut-Rhin dans l’optique d’étudier l’évolution des performances en fonction de l’âge de la station.
Enfin, la troisième collecte a été opérée lors de la visite des stations (Tableau 6), en compagnie de l’exploitant. Un questionnaire avait été préparé au préalable, dont le but était de caractériser l’état de la station, de recenser les éventuels dysfonctionnements de la station ainsi que les points à améliorer sur les prochains chantiers.

Table des matières
Remerciements 
Résumé 
Abstract 
Sommaire 
Liste des tableaux 
Liste des figures 
Abréviations utilisées dans le texte 
Glossaire
Introduction 
I. Etat de l’art : étude bibliographique 
1.1. Historique de la filière
1.2. La réglementation
1.2.1. Les principaux textes appliqués aux agglomérations de moins de 2000 EH actuellement en vigueur
1.2.2. La définition des niveaux de rejets
1.3. Fonctionnement de la filière
1.3.1. Les filtres plantés de roseaux
1.3.2. Fonctionnement des filtres planté de roseaux à écoulement vertical
1.3.3. Le traitement
1.3.4. La végétation
1.4. Vieillissement de la filière
1.4.1. La conception
1.4.2. Les travaux
1.4.3. L’entretien – l’exploitation
1.5. Verrous actuels et perspectives de la filière
1.5.1. Les verrous techniques
1.5.2. La modélisation
1.5.3. Nouveaux modes de fonctionnement pour les filtres plantés de roseaux à écoulement vertical
1.5.4. Travail sur les communautés végétales
1.5.5. Traitement des autres pollutions
II. Méthodes d’analyse des données 
2.1. Collecte de données
2.1. Le traitement des données
2.2. Choix des paramètres
III. Résultats et discussion 
3.1. Les FPRv respectent-ils leurs autorisations de rejets ?
3.2. Effet de l’âge sur les performances des filtres
3.2.1. Effet de l’âge sur les performances des filtres
3.2.2. Premières années de fonctionnement des filtres
3.2.3. Analyse de l’évolution des performances avec l’âge
3.3. Eléments de diagnostic des dysfonctionnements
3.3.1. Description et discussion des désordres rencontrés
3.3.2. Lien entre hydraulique et performances épuratoires
IV. Perspectives de travaux 
4.1. Systèmes de traitement à créer
4.2. Renouvellement du patrimoine
4.3. Autres travaux
4.4. Profil moyen d’une STEU
Conclusion 
Bibliographie 
Bases de données 
ANNEXE I. Préparation des données pour l’analyse factorielle des correspondances multiples (AFCM)
ANNEXE II. Représentation graphique des résultats de l’AFCM
ANNEXE III. Synthèse des dysfonctionnements observés sur les stations

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