L'Épuration des Eaux Usées par les Roseaux : Une Solution Naturelle et Durable

Les ressources en eau, essentielles à la vie, sont de plus en plus menacées par les pénuries fréquentes et sévères. Cette vulnérabilité est accentuée par les pollutions industrielles, agricoles et domestiques. Pour protéger ces ressources indispensables, il est crucial d'adapter nos systèmes de production sur le long terme, d'éviter le gaspillage et de réduire à la source l'émission de polluants, tels que les nitrates, les phosphates et les résidus médicamenteux et cosmétiques. À court terme, il est impératif de traiter les effluents générés par les activités humaines, en particulier les eaux usées domestiques provenant de nos cuisines, salles de bain et toilettes.

Ces traitements sont encadrés par la loi à l'échelle européenne et nationale, accompagnée d'arrêtés qui fixent les objectifs de traitement et les seuils de rejet. Ils sont mis en place dans des stations d'épuration qui, selon les caractéristiques du territoire, utilisent des procédés intensifs ou des techniques plus sobres, également appelées « extensives ». Le principe de fonctionnement de ces dernières repose essentiellement sur l'activité de bactéries qui ingèrent de nombreux polluants. L'objectif du traitement des eaux usées est de les rendre moins polluantes, mais aussi de régénérer des ressources. Lorsque la réglementation le permet, l'eau traitée peut être valorisée dans des usages domestiques ou pour l'irrigation, par exemple. D'autres ressources à haute valeur ajoutée peuvent être extraites, comme les nitrates et les phosphates, utilisables comme fertilisants.

Dans de nombreuses petites communes en France, le traitement des eaux usées se fait grâce à des techniques sobres, souvent des filtres plantés de roseaux. Loin de l'image d'une lubie d'écologistes isolés, ces techniques équipent plus de 5 000 stations d'épuration sur le territoire, ce qui représente environ 20 % du parc des stations d’épuration d’eaux usées urbaines en France, soit environ 4000 stations d’épuration. La commune a fait un choix écologique audacieux en se dotant d'une station d'épuration à filtres à roseaux, à deux étages de traitement, une solution naturelle et durable pour le traitement des eaux usées, en 2022. Ce système utilise des filtres plantés de roseaux, qui assurent la purification de l'eau grâce à des processus biologiques simples mais efficaces.

Distinction entre Stations d'Épuration Intensives et Filtres Plantés de Roseaux

Les territoires urbains densément peuplés utilisent des stations d'épuration collectives intensives, de capacité de traitement élevée, adaptées aux forts volumes d'eaux usées qu'ils génèrent. Leur efficacité repose sur des consommations élevées en énergie, en réactifs et en équipements compacts relativement sophistiqués.

En revanche, les territoires ruraux ou semi-ruraux ont des contraintes d'espace moindres et optent soit pour des techniques d'assainissement non collectives, notamment les fosses septiques, soit pour des stations d'épuration collectives de capacité de traitement réduite, adaptée au nombre d'habitations raccordées. Les stations d'épuration d'une capacité de traitement équivalente à 2 000 habitants ou moins représentent plus de 80 % du nombre total de stations. Parmi celles-ci, plus de la moitié, soit 59 %, sont des stations intensives basées sur les mêmes principes que leurs homologues des grandes villes. Le reste est représenté par des stations dites extensives, moins sophistiquées que les stations intensives et avec des coûts d'investissement et d'exploitation plus faibles, mais qui garantissent des performances d'épuration poussée. Les filtres plantés de roseaux représentent plus de 50 % du nombre de ces stations extensives, le reste étant constitué par des lagunes ou d'autres types de techniques.

Les Atouts des Filtres Plantés de Roseaux

Les systèmes d'épuration par filtres plantés de roseaux sont des « solutions basées sur la nature », c'est-à-dire que leur principe de fonctionnement est inspiré de celui d'écosystèmes naturels : les marais. « Cette technologie présente de nombreux avantages. Elle nécessite très peu d'énergie et se distingue par sa faible maintenance, réduisant ainsi les coûts d'exploitation ». Les filtres plantés de roseaux sont une alternative aux méthodes traditionnelles de traitement des eaux usées par boues activées. Ils sont simples à exploiter et présentent des coûts de fonctionnement faibles. Ils résistent bien aux variations de débit, permettent de traiter efficacement la matière organique et ne génèrent pas de mauvaises odeurs.

Ces systèmes présentent de nombreux atouts techniques :

• De bonnes à très bonnes performances d'épuration, notamment vis-à-vis des matières en suspension, de la charge organique et azotée, et dans une moindre mesure du phosphore. Les filtres plantés de roseaux permettent de garantir de bonnes performances épuratoires sur les paramètres MES (matières en suspension), DCO (demande chimique en oxygène), DBO5 (demande biologique en oxygène sur 5 jours) et NK (azote Kjeldahl) et un peu moins bonnes sur les paramètres NGL (azote global) et Pt (phosphore total).
• Un niveau de technicité modéré dont la mise en œuvre et la maintenance sont compatibles avec les moyens humains, techniques et financiers mobilisables par les petites communes. L'entretien des filtres plantés de roseaux nécessite des visites régulières mais les opérations d'entretien ne requièrent que peu de technicité.
• Une consommation énergétique et en réactifs faible comparée à celle des stations intensives.
• Une excellente intégration paysagère. La station d'épuration par filtre planté de roseaux de Marlieux dans le département de l'Ain au printemps 2023 en est un exemple, où l'intégration paysagère est notamment assurée par le développement des roseaux.
• Zéro fosse, zéro vidange, zéro nuisance olfactive, zéro moustique.
• Solution compacte avec un espace dédié faible. Pour Aquatiris, la gamme Roseaux présente un dimensionnement plus compact (2m carrés par équivalent habitant) par rapport à la gamme Iris.
• Adaptation aux variations de charge (absence, résidence secondaire…).
• Pas de boue à vidanger.
• Plusieurs finitions possibles (matériaux, ornements, végétaux…).
• Pas de consommation d'énergie, ni de réactif chimique.
• Entretien simple de type jardinier.
• Intégration paysagère, jardin de biodiversité.

Les filtres plantés de roseaux peuvent reproduire les fonctions écosystémiques des zones humides naturelles qu'ils émulent, comme les marais, tourbières, mares et mangroves. En effet, grâce à leur position particulière à l'interface des trois milieux physiques de la planète (eau, terre, air), ils abritent une biodiversité considérable, régulent les transferts hydriques et la température grâce au phénomène d'évapotranspiration, et contribuent à l'épuration des eaux.

Fonctionnement des Filtres Plantés de Roseaux

Le système de traitement par filtres plantés de roseaux comporte des étapes successives simples, mais dont l'efficacité exige une ingénierie maîtrisée. Le filtre planté de roseaux utilise la technique de la phytoépuration. Les filtres plantés de roseaux, qu'ils soient mis en œuvre dans le traitement des eaux usées ou dans le traitement des eaux pluviales, sont dotés d'une ou plusieurs couches filtrantes constituées de matériaux granulaires (sable, graviers, galets) dans lesquelles des roseaux sont plantés et se développent. La filière classique consiste à filtrer les eaux usées préalablement dégrillées à travers deux étages de filtres plantés de roseaux en série (1er étage avec 3 filtres en parallèle, 2e étage avec 2 ou 3 filtres en parallèle). Chaque filtre est composé d'un massif filtrant de 60 à 90 cm de profondeur (couches de graviers et sable de plusieurs granulométries) et planté de roseaux (Phragmites australis). L'essentiel du traitement est assuré par les couches filtrantes constituant le support de micro-organismes capables de « digérer » la plupart des polluants.

Le système est constitué d'un ou plusieurs filtres en série, isolés du sol par une « géomembrane » et remplis de couches de matériaux granulaires au travers desquels s'écoulent les eaux usées à traiter - la taille des grains augmente avec la profondeur. Les roseaux sont plantés à la surface des filtres. Ces végétaux à croissance rapide développent un réseau racinaire dense qui facilite l'écoulement hydraulique et le transfert d'oxygène, et crée des conditions favorables à l'activité des micro-organismes responsables de l'épuration.

Étapes du Traitement

Les eaux usées subissent d'abord un simple « dégrillage » afin de prévenir le colmatage des filtres et de protéger les pompes utilisées. Dans le cadre du traitement des eaux usées, les eaux usées sont prétraitées par simple dégrillage puis stockées dans une bâche. Les eaux grises (lavabo, évier, machine à laver, etc.) et les eaux vannes (WC) sont acheminées vers un bassin rempli d'un substrat minéral (sable, gravier, etc.) où sont plantés différents types de plantes et végétaux comme des roseaux. Les plantes utilisées doivent être des espèces locales adaptées à la région.

Le traitement se fait ensuite par filtration physique à la surface du massif poreux qui retient les matières en suspension et certains micropolluants, qui sont capturés à la surface des particules. Les bactéries ainsi que les micro-organismes présents autour des racines des roseaux se chargent alors de digérer les matières solubles. En ce qui concerne les matières non solubles, elles n'atteignent pas les racines des plantes. Elles sont plutôt compostées à la surface.

Une microflore très riche se développe dans le milieu filtrant, composée principalement de bactéries aérobies, c'est-à-dire de bactéries qui utilisent le dioxygène pour oxyder les matières des eaux usées et les minéraliser en dioxyde de carbone et en eau. Ces bactéries sont présentes naturellement dans les eaux usées ; les plus adaptées aux conditions au sein du filtre prédominent en consommant pour se multiplier la charge organique et les polluants présents dans l'eau. De cette manière, la pollution des eaux est transformée en de nouvelles cellules microbiennes qui sont retenues dans le milieu filtrant alors que l'eau épurée le traverse.

Les roseaux, comme le Phragmites australis, ont un système racinaire très développé qui permet de drainer le support minéral, d'apporter de l'oxygène et de servir de supports aux bactéries aérobies. Ces bactéries vont dégrader et minéraliser les matières organiques (les boues). La contribution des roseaux à l'élimination de l'azote et du phosphore et à l'aération est négligeable, mais leur rôle est crucial pour le maintien d'un environnement propice à l'activité microbienne.

Les systèmes dits « à écoulement vertical » sont les plus utilisés en France. Ils sont classiquement constitués de deux étages de filtration. Chaque étage de filtre est composé de plusieurs cellules indépendantes. On asperge régulièrement à la surface des filtres de la première cellule avec un volume donné d'eaux usées pendant quelques jours ou une semaine ; puis c'est la deuxième cellule qui est alimentée, et enfin la troisième. L'alternance saturation-désaturation en eau est particulièrement favorable aux micro-organismes impliqués dans l'épuration. L'eau sortant du premier étage est collectée par des drains au fond des cellules, et traitée sur le second étage suivant le même protocole.

Pendant la phase de filtration, les MES sont retenues à la surface du filtre et la biomasse aérobie dégrade la pollution organique et nitrifie la pollution azotée. L'eau sortant du premier étage de filtration alimente un filtre du second étage pour parfaire la nitrification (système épuratoire avec deux étages de filtres verticaux en série) ou pour réaliser une dénitrification partielle (système avec filtres verticaux suivis de filtres horizontaux).

En résumé, le principe du filtre à roseaux est simple puisqu'il joue le rôle d'une passoire, en ce sens que les eaux qui en ressortent sont épurées. Elles regagnent donc le sol sans constituer un danger pour ce dernier.

Exemples et Projets de Référence

La station d'épuration de Chamboulive, en Corrèze, a inauguré un tout nouveau système de traitement des eaux usées en juin. Ce procédé écologique et durable fonctionne à partir de la filtration par des roseaux. À Chamboulive, 3000 mètres carrés de roseaux ont été plantés pour traiter les eaux rejetées par les 1225 habitants de la commune. Dans ce projet, la commune a été accompagnée par le SATESE (service de l'aménagement et de l'eau) de Seine-et-Marne. La STEP est gérée par l'entreprise délégataire Suez.

Pour le traitement des eaux pluviales, des retours d'expérience similaires peuvent être trouvés à Marcy l'Étoile et Michelbach-le-Haut. Dans le cadre de la gestion des eaux pluviales, le traitement par filtres plantés de roseaux est généralement combiné à un bassin de décantation.

Des entreprises comme Aquatiris accompagnent les particuliers dans la conception et l'installation de filtres plantés de roseaux, avec plus de 2000 Jardins d'Assainissement installés partout en France chaque année. Le système d'assainissement par phytoépuration d'Aquatiris a été déclaré conforme aux diverses exigences après avoir été soumis au protocole marquage européen CE et à un test de 38 semaines.

Entretien et Gestion

L'entretien des filtres plantés de roseaux nécessite des visites régulières mais les opérations d'entretien ne requièrent que peu de technicité. En plus de la vérification du bon fonctionnement des différents organes du traitement, il faudra éliminer manuellement les plantes indésirables au sein du filtre et entretenir ses abords pour éviter la prolifération de nuisibles et faciliter l'exploitation. Les roseaux sont faucardés (fauchés et retirés) tous les printemps. Pour la gamme Roseaux d'Aquatiris, les systèmes d'assainissement individuel ne requièrent aucune action supplémentaire après leur installation, ils s'entretiennent comme un jardin ordinaire, et s'intègrent parfaitement à n'importe quel type de décor paysager.

Il est aussi pris soin d'installer le filtre à roseaux pour un écoulement horizontal à l'air libre afin que le traitement des eaux puisse se faire en présence d'oxygène. Cette précaution est prise dans le but de garantir une absence totale d'odeurs.

Avant l'installation du système d'assainissement par phytoépuration de la gamme Roseaux, un certain nombre de précautions sont prises. Par exemple, une étude du sol est effectuée afin d'en savoir davantage sur la configuration du terrain, ainsi que sur la perméabilité et la nature du sol. Les résultats obtenus permettent d'installer des filtres sur mesure aux clients.

Perspectives d'Évolution

L'efficacité d'épuration des filtres plantés de roseaux, leur niveau modéré de sophistication technique, leur faible coût d'exploitation et d'investissement, et leur excellente intégration paysagère sont les atouts majeurs de ce système d'épuration extensif qui offre en outre d'autres fonctions écosystémiques au-delà de leur fonction épuratoire principale. Mais ces systèmes sont appelés à évoluer pour s'adapter aux pollutions émergentes et aux exigences croissantes d'épuration.

Des recherches et développements continus sont menés pour améliorer ces systèmes, notamment pour le traitement du phosphore, pour lequel les filtres plantés de roseaux sont très peu efficaces. Des travaux sur la déphosphatation par phosphorite appliquée aux petites et moyennes collectivités ont été menés, visant à guider les maîtres d'œuvre, les collectivités et les décideurs dans la mise en place de telles filières d'assainissement.

De plus, des innovations comme les filtres plantés de roseaux avec aération forcée, tel le système Rhizosph'air®, ou l'association de lits bactériens et de filtres plantés de roseaux (filière Combipur de Syntea, procédé AZOE de Scirpe, ou Rhizopur de la Lyonnaise des Eaux - Suez) sont explorées pour optimiser les performances. L'évaluation du procédé Rhizostep® de SAUR et la superposition de deux étages de filtres plantés de roseaux à écoulement vertical (Bifiltres®) démontrent également les efforts pour affiner les paramètres de dimensionnement et de fonctionnement de ces systèmes.

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