Inspirés des marais en milieu naturel, les marais artificiels sont des écosystèmes recréés par l’Homme afin de traiter une large gamme d’eaux usées. Ils servent principalement à traiter les eaux usées domestiques mais peuvent également être utilisés pour traiter les eaux d’orages, les lixiviats, les eaux usées industrielles ou agricoles, les eaux acides de drainage miniers, les eaux provenant des fermes ou des bassins de pisciculture. Ils nécessitent peu d’énergie et offrent une solution durable à l’épuration des eaux. Généralement, on place des unités à écoulement vertical en amont des unités à écoulement horizontal.

Les marais artificiels ont un faible coût d’exploitation, une facilité d’utilisation, ainsi qu’une bonne intégration dans le paysage par rapport aux procédés d’épuration traditionnels. Ils constituent ainsi une méthode économique et efficace d’épuration des eaux.

Les marais se déclinent sous plusieurs formes. On trouve principalement des systèmes composés de plantes émergentes mais il existe aussi des systèmes à base de plantes flottantes ou submergées. De plus, les marais à base de plantes émergentes peuvent être à écoulement en surface, à écoulement horizontal sous la surface ou à écoulement vertical.

Composition d’un marais surfacique à plantes aquatiques émergentes.

Les marais surfaciques à plantes aquatiques émergentes ressemblent à des marais ou marécages naturels. Ils consistent en un bassin peu profond, contenant de la terre ou un autre substrat pour supporter les racines de la végétation. Les profondeurs typiques varient de quelques centimètres à un mètre maximum. Le matériau du lit et la partie racinaire des plantes servent de support à une biomasse épuratrice qui va dégrader les matières dissoutes. Un fond en pente d’environ 0,5 % est souvent prévu pour faciliter le drainage du marais. Les spécialistes recommandent une longueur deux fois plus importantes que la largeur.

La densité initiale de plantation visée est d’environ 10 000 plants par hectare. Une densité de plus de 100 000 plants par hectare est généralement atteinte à l’équilibre lorsque le marais devient mature. Dans ces marais, la couche de surface est en aérobie (présence d’oxygène) alors que les eaux plus profondes et le substrat sont généralement en anaérobie (absence d’oxygène).

Marais sous-terrain

Les marais sous-terrain reposent sur deux principes de base : la filtration superficielle et l’oxydation. L’eau usée s’infiltre à travers des lits composés de terre ou d’un mélange de sables et de graviers et plantés de macrophytes. Le matériau du lit et la partie racinaire des plantes servent de support à une biomasse épuratrice qui va dégrader les matières dissoutes.

Ces marais se distinguent par leur régime d’écoulement, le nombre de lits et le type de plantes. Le lit est inondé ou maintenu en conditions saturées. On ne procède pas au renouvellement régulier du massif filtrant ni à l’évacuation des boues biologiques. On distingue deux types de filtres plantés, suivant le sens de l’écoulement : les filtres à écoulement vertical et les filtres à écoulement horizontal.

Qu’entend-on par « écoulement horizontal » ?

Composition d’un marais sous- surfacique à flux horizontal

On parle d’ « écoulement horizontal » car l’eau usée arrive à l’entrée, traverse lentement le milieu poreux sous la surface du lit d’une façon plus ou moins horizontale jusqu’à la sortie. Le niveau d’eau est maintenu à 5 cm sous la surface du matériau. L’eau usée entre en contact avec un réseau de zones en aérobie, anoxie et anaérobie.

Les zones en aérobie se trouvent autour des racines et des rhizomes qui prennent l’oxygène apporté par diffusion. L’eau usée est épurée par des dégradations microbiologiques et par des processus physiques et chimiques. L’évacuation est réalisée par un drain, au fond, enterré dans une tranchée de pierres drainantes.

Une géo-membrane sert à isoler le marais du sol environnant. Celle-ci peut être en PVC ou Polyéthylène Haute ou Faible Densité pour éviter le mélange des matériaux et la remontée de fines particules dans le sable ou le gravier. Une couche de sable d’environ 2 cm d’épaisseur peut remplacer la membrane. Sensible au colmatage, le filtre horizontal est alimenté en eau prétraitée.

Composition d’un marais surfacique à plantes aquatiques émergentes. Adapté de Sandec/Eawag

Les marais sous-terrain à écoulement vertical sont alimentés obligatoirement de façon discontinue. Ils fonctionnent donc en conditions insaturées en aérobie. L’oxygène provient de l’atmosphère et d’un système d’aération. Dans ces marais, les eaux percolent à travers un minimum de deux étages successifs de filtres plantés de macrophytes qui développent un complexe racinaire assimilable à un réseau de drainage.

Le premier étage est rempli de graviers fins et le deuxième de sable. Le premier étage effectue un traitement primaire par rétention des matières en suspension à sa surface. Il peut donc être alimenté directement avec des eaux usées brutes sans décantation préalable. Il se forme donc une couche de boues sur la surface, lesquelles seront minéralisées par des micro-organismes dans des conditions d’aérobie. Grâce à la présence de roseaux dont les tiges traversent cette couche, il n’y a pas de colmatage.

Le deuxième étage sert surtout à affiner l’épuration en complétant le traitement de la fraction carbonée de la matière organique dissoute, ainsi que l’oxydation des composés azotés. Cette dernière sera fonction des conditions d’aération, de la température et du pH. Un réseau de drainage est situé dans une couche drainante au fond du lit.

Il y a généralement deux ou trois filtres en parallèle fonctionnant en alternance deux fois par semaine pour assurer le traitement vu que l’alimentation se fait de façon discontinue. L’objectif de cette alternance est de minimiser le colmatage du filtre grâce à la minéralisation de la matière organique accumulée à sa surface.

L’ensemble du dispositif d’épuration est, encore une fois, parfaitement isolé du sous-sol par membrane imperméable ; ainsi, aucun rejet ne peut s’effectuer avant traitement complet de l’effluent. Les boues qui restent sur le premier filtre se trouvent dans un milieu ombragé par les roseaux et ces conditions d’humidité sont optimales pour une intense activité biologique (vers, larves d’insectes) qui dégradent encore une grande partie de ces matières et les transforment enfin en une sorte de terreau. Après une dizaine d’années, la couche constituée atteint une épaisseur d’environ 25 cm et ce terreau doit être évacué vers une utilisation ultérieure.

Quelles plantes utiliser ?

Les plantes doivent pouvoir tolérer l’engorgement permanent et l’exposition à des eaux contenant des concentrations relativement fortes et souvent variables de polluants. Les plantes les plus souvent utilisées sont des plantes émergentes persistantes telles que les joncs (Scripus spp. Et Juncus spp.), les laîches (Syperus spp. et Carex spp.), les roseaux communs (Phragmites australis), la baldingère faux-roseau (phalaris arundinacea), la glyceria maxima, les quenouilles (Typha spp.) et les Eleocharis. Pour les eaux usées et les eaux d’orage, les espèces locales sont préférées car elles sont adaptées au climat local, aux sols et aux communautés animales et végétales environnantes.

Auteur : Matthieu Combe, fondateur du webzine Natura-sciences.com


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