Québec Vert
The magazine for ornamental-horticulture and floristry professionals in Quebec
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Des marais artificiels pour filtrer des polluants
Les marais filtrants artificiels (treatment wetlands ou constructed wetlands en anglais) sont des écosystèmes créés artificiellement afin de traiter des eaux usées municipales, industrielles et agricoles. L’épuration des eaux usées en marais filtrants est réalisée en vertu d’une combinaison de processus physiques, chimiques et biologiques. Les plantes y jouent un rôle essentiel en favorisant, notamment, le développement de microorganismes et en oxygénant le milieu. Contrairement aux systèmes conventionnels de traitement des eaux usées, les marais filtrants présentent un faible coût d’installation et d’exploitation et n’exigent aucun produit chimique ainsi que peu ou pas d’énergie. Ils offrent en outre un habitat pour la faune et sont socialement bien acceptés.
1. Quatre types de marais artificiels
Un marais filtrant est constitué d’un bassin avec ou sans substrat (sable, gravier, etc.) Il contient des plantes flottantes ou enracinées ainsi que des systèmes d’apport des eaux usées et d’évacuation de l’eau traitée.
a) Marais filtrant surfacique à flux horizontal
Ce type de marais est caractérisé par un bassin d’eau libre où les plantes sont flottantes ou enracinées en fond de bassin (Figure 1 a-b). Ce marais est dit surfacique à flux horizontal, car l’eau circule horizontalement au-dessus du sol (fond du bassin) de l’entrée vers la sortie du bassin. C’est le type de marais le moins coûteux à construire et le plus facile à opérer. Par contre, il est moins efficace et exige une plus grande superficie pour traiter un débit équivalent équivalant à celui d’autres types de marais filtrants. Il est approprié pour les milieux tropicaux et subtropicaux ou les serres, car il peut y être en activité toute l’année. Au Québec, par contre, on ne peut l’utiliser en hiver.
b) Marais filtrant sous-surfacique à flux horizontal
Pour ce type de marais, qui est constitué d’un lit de gravier où sont enracinées des plantes, l’écoulement horizontal a lieu sous la surface (Figure 2). Ces marais comportent des zones avec de faibles quantités d’oxygène dissous (anoxie) et d’autres bien oxygénées (aérobie), ce qui facilite l’élimination de l’azote. Toutefois, afin de limiter le colmatage du marais, un prétraitement des eaux usées (fosse septique, bassin de sédimentation) est parfois nécessaire lorsque l’eau usée contient beaucoup de particules en suspension. Ce type de système a l’avantage de pouvoir être utilisé en climat froid, car l’effluent passe sous la surface du marais et est ainsi protégé des basses températures. La vaste majorité des marais filtrants en activité au Québec sont de ce type.
c) Marais filtrant sous-surfacique à flux vertical
Ce type de marais est constitué d’un lit de sable ou gravier. L’apport en effluent y est réalisé verticalement par percolation de l’eau usée via la matrice plantée (Figure 3). Puisque le système n’est pas saturé d’eau, l’effluent est oxygéné par son passage dans le gravier, ce qui favorise la biodégradation de certains polluants. Toutefois, l’épuration peut être limitée par l’absence de zones anaérobies nécessaires pour certains processus de biodégradation (la dénitrification, par exemple). Ce type de marais est très efficace et, comparativement aux autres, il ne nécessite qu’une plus petite superficie pour un niveau d’épuration équivalent. Ces marais sont toutefois sensibles au gel. Sous un climat trop froid, la glace qui se formerait en surface empêcherait l’eau usée de pénétrer dans le marais, sans compter les risques de dommages causés par le gel aux tuyaux d’alimentation situés au-dessus de la surface du sol. La majorité des systèmes de marais filtrants utilisés en France sont de ce type.
d) Marais hybride
Les marais filtrants hybrides combinent plusieurs types de marais filtrants. Le plus populaire est formé d’un marais filtrant à flux vertical suivi d’un marais à flux horizontal. On profite ainsi des avantages de chacun. En effet, pour l’épuration des polluants azotés, le marais vertical permet, grâce à sa bonne aération, la transformation de l’azote ammoniacal en nitrite et en nitrate (nitrification). Pour sa part, le marais horizontal permet la transformation des nitrates en azote gazeux (dénitrification) en raison des conditions anaérobiques de ce type de système.
Artificial wetlands for filtering pollutants
Treatment or constructed wetlands are ecosystems created artificially to treat municipal, industrial and agricultural wastewater. Wastewater is purified in the constructed wetlands through a combination of physical, chemical and biological processes. Plants play a vital role, especially by promoting the growth of microorganisms and oxygenating the system. Unlike conventional systems for treating wastewater, constructed wetlands cost little to create and operate and do not require chemicals or much energy, if any. They also provide a habitat for wildlife and are socially well accepted.
1. Four types of artificial wetlands
A constructed wetland consists of a basin with or without substrate (sand, gravel, etc.). It contains floating or rooted plants as wells as the sewage intake and treated water discharge systems.
a) Horizontal surface-flow constructed wetland
This type of wetland is characterized by an open pool of water in which the plants are either floating or rooted to the bottom of the basin (Figure 1 a-b). It is described as horizontal surface-flow because the water flows horizontally over the ground (pool floor) from the basin’s inlet to its outlet. This is the least expensive type of wetland to build and the easiest to operate. On the other hand, it is less efficient and requires a larger area for treating a flow rate equivalent to that of other types of constructed wetlands. It is suitable for tropical and subtropical environments and greenhouses, as they can operate in these climates throughout the year. In Québec, obviously, it cannot operate in winter.
b) Horizontal subsurface-flow constructed wetland
For this type of wetland, which consists of a bed of gravel in which plants are rooted, the horizontal flow occurs below the surface (Figure 2). These marshes consist of zones that have low levels of dissolved oxygen (anoxia) and zones that are well-oxygenated (aerobic), which facilitates the removal of nitrogen. However, to minimize marsh aggradation, wastewater pre-treatment (a septic tank or a settling basin) is sometimes necessary when the wastewater contains a lot of suspended particles. This type of system has the advantage that it can be used in cold climates because the effluent passes beneath the surface of the marsh and is thus protected from low temperatures. The vast majority of constructed wetlands in operation in Québec are of this type.
c) Vertical subsurface-flow constructed wetland
This type of wetland consists of a bed of sand or gravel. Effluent intake is directed vertically by wastewater percolating through the plant matrix (Figure 3). Since the system is not saturated with water, the effluent is oxygenated as it passes through the gravel, which helps some of the pollutants biodegrade. However, treatment may be limited by the absence of anaerobic zones necessary for certain biodegradation processes (denitrification, for example). This type of wetland is very efficient and, compared to others, it requires a smaller area for the same degree of purification. However, these marshes are sensitive to frost. In a climate that’s too cold, ice would form on the surface to prevent wastewater from entering the marsh. Furthermore, there’s a risk of damage to the feed pipes located above the soil surface due to freezing. The majority of constructed wetland systems used in France is of this type.
d) Hybrid wetland
Hybrid constructed wetlands are a combination of several types of constructed wetlands. The most popular consists of a vertical flow constructed wetland followed by a horizontal flow wetland. It has the benefits of both. For instance, the efficient aeration of the vertical wetland purifies nitrogen pollutants by converting ammonia nitrogen into nitrite and nitrate (nitrification). Then nitrate is converted to nitrogen gas (denitrification) in the horizontal wetland as a result of the anaerobic conditions of this type of system.