Le marais filtrant : une phytotechnologie pour la gestion des eaux usées et des eaux de ruissellement

On dit que la nature fait bien les choses, et c’est vrai. La dynamique des écosystèmes est complexe et fascinante. Par exemple, il existe plusieurs mécanismes qui permettent l’épuration de l’eau dans les milieux naturels.

Dans cet article on traitera d’une catégorie spécifique de phytotechnologie, les marais filtrants. On débutera par définir ce qu’est un marais filtrant, ensuite on discutera brièvement de son fonctionnement, on poursuivra en discutant des quatre types de marais filtrants, on continuera en indiquant la possibilité de placer plusieurs marais filtrants en série et on terminera en énumérant les avantages et les inconvénients de l’utilisation de marais filtrant.

Qu’est-ce qu’un marais filtrant ?

Les marais filtrants (ou marais épurateurs) sont des écosystèmes artificiels qui s’inspirent des milieux naturels. Ils permettent de filtrer et dégrader divers types de polluants provenant des eaux usées municipales, industrielles et agricoles. Au Québec, ils sont parfois utilisés dans les usines d’épuration des eaux usées comme traitement secondaire ou tertiaire. Ce type de système a un faible coût d’installation et d’opération et requiert peu d’énergie comparativement à des systèmes de traitement des eaux conventionnels.

Les marais filtrants sont composés d’un bassin d’assez grande surface qui comprend généralement :

• Un substrat
• Des végétaux
• Un système d’alimentation et d’évacuation des eaux
• Une membrane imperméable.

Superficie des marais filtrants

Comparativement à plusieurs infrastructures vertes de gestion des eaux, les marais filtrants nécessitent une surface d’installation beaucoup plus grande, c’est pourquoi ils sont rarement installés en milieux urbains.

Leur dimension varie en fonction du volume d’eau à traiter. Par exemple, quatre marais filtrants sous-surfaciques à flux horizontal ont été implantés en 2007 pour traiter les eaux usées domestiques de l’auberge Le Baluchon en Mauricie. La superficie de ces quatre marais est de 4176 m² et le volume moyen d’eaux usées est de 135 m³ par jour.

Dans une publication sur les marais filtrants de l’Association internationale de l’eau en 2017, la superficie nécessaire pour traiter les eaux usées dans un marais sous-surfacique est de 3,0 à 10,0 m² par personne pour un marais à flux horizontal et de 1,2 à 5,0 m² par personne pour un marais à flux vertical.

Principe de fonctionnent des marais filtrants

Des processus physiques, chimiques et biologiques permettent de décontaminer les eaux usées, notamment grâce aux interactions entre le sol, les plantes et les microorganismes.

Il est primordial de bien choisir les végétaux et le substrat utilisé dans le marais pour favoriser l’élimination des différents polluants. La nature des polluants diffère d’un site à l’autre et il faut bien identifier leur composition avant de concevoir le marais filtrant.

Par exemple, Les polluants que l’on retrouve généralement dans les eaux usées domestiques sont :

• Les matières en suspensions
• La matière organique
• Les pathogènes
• L’azote
• Le phosphore

D’autres polluants peuvent se retrouver dans les eaux usées comme des pesticides, des métaux lourds, des produits pharmaceutiques, etc.

Les quatre types de marais filtrant

Il existe quatre types de marais filtrants, soit :

• Le marais filtrant surfacique à flux horizontal
• Le marais filtrant sous-surfacique à flux horizontal
• Le marais filtrant sous-surfacique à flux vertical
• Le marais à effluent nul.

Marais filtrant surfacique à flux horizontal

Le marais surfacique à flux horizontal comprend un bassin d’eau libre avec des plantes qui peuvent être flottantes non enracinées, submergées, à feuilles flottantes ou émergentes. L’écoulement horizontal se fait en continu. Bien que ce type de marais soit très économique et simple à construire et à opérer, il n’est pas idéal pour un climat froid comme celui du Québec puisqu’il ne peut être opéré à l’année en raison du gel.

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Marais filtrant sous-surfacique à flux horizontal

Le marais sous-surfacique à flux horizontal est le plus utilisé au Québec puisqu’il est bien adapté aux climats froids.

Le substrat est saturé en eau et l’écoulement se fait horizontalement en continu sous la surface du marais. Les végétaux sont composés de plantes enracinées émergentes puisqu’il n’y a pas d’eau libre. Ce type de marais permet de maximiser le contact entre l’eau et la rhizosphère; la zone située près des racines des plantes où il y a une forte activité des microorganismes qui jouent un rôle essentiel pour la décomposition des contaminants.

Afin d’éviter le colmatage du système, il peut être nécessaire d’avoir recours à un prétraitement afin de diminuer la charge de particules en suspension. De plus, il est important de bien évaluer la capacité du marais lors de la conception afin d’éviter de surcharger le système.

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Marais filtrant sous-surfacique à flux vertical

Le marais sous-surfacique à flux vertical diffère du marais sous-surfacique à flux horizontal par son alimentation d’eaux usées qui se fait par bâchées, soit un apport d’eau assez rapide qui permet une répartition uniforme dans le bassin. De plus, comme l’eau arrive par la surface, les plantes peuvent jouer le rôle de filtre et ainsi diminuer les risques de colmatage du système.

Ce type d’alimentation permet d’avoir un milieu plus riche en oxygène, ce qui favorise la biodégradation de certains polluants bien que certains processus d’enlèvement soient plutôt favorisés par un milieu pauvre en oxygène.

Malheureusement, ce système n’est pas adapté aux climats froids et il nécessite des coûts de construction et d’opération plus élevés que les autres types de marais.

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Marais à effluent nul

Les marais à effluent nul s’apparentent à des marais sous-surfaciques horizontaux excepté qu’ils n’ont pas de sortie d’eau. Ils sont conçus pour infiltrer l’eau directement dans le sol, ce qui requiert une bonne analyse de la capacité du marais lors de la phase de conception afin de s’assurer que l’eau puisse entièrement s’infiltrer.

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L’installation de marais filtrants en cascade

Il est également possible de mettre en place des marais en série afin de tirer bénéfice de plusieurs types de systèmes. Par exemple, il pourrait être avantageux d’installer un marais sous-surfacique à flux vertical en amont d’un marais sous-surfacique à flux horizontal puisque le premier favorise un milieu aérobique alors que le second favorise un milieu anaérobique. De plus, le marais à flux vertical peut recevoir une plus grande charge de particules en suspension.

Avantages et inconvénients des marais filtrants

Les principaux avantages des marais filtrants sont :

• Améliorer la qualité des eaux
• Traiter les eaux usées avec un système peu énergivore
• Nécessiter un faible coût de construction et d’opération
• Requérir peu d’expertise lors de l’opération
• Capter du CO₂ par les végétaux
• Contribuer à la réduction des îlots de chaleur
• Contribuer à l’augmentation de la biodiversité.

Les principaux inconvénients des marais filtrants sont de :

• Nécessiter une grande superficie
• Avoir une efficacité variable
• Avoir une capacité limitée à enlever le phosphore.

Références

• Les marais filtrants (eaux usées) sur le site de Société québécoise de phytotechnologie.
• Guide de gestion des eaux pluviales sur le site du ministère de l’Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques.
• Dotro, G., Langergraber, G., Molle, P., Nivala, J., Puigagut, J., Stein, O., & Von Sperling, M. (2017). Treatment wetlands (p. 172). IWA publishing.