Les filtres plantés de roseaux : application au traitement d’eaux pluviales (NOVATECH 2004).

Compartir

Dirk Esser (*), Bruno Ricard (*), Thierry Magnouloux (**), Laurent Daune (***), Philippe Tregoat (°), Jean Michel Barbier (°°)

fig 22Cet article a été écrit pour sa présentation à la Conférence internationale de NOVATECH de 2004. NOVATECH traite des stratégies et des solutions pour la gestion durable de l’eau dans la ville, avec un accent particulier sur les eaux pluviales urbaines.

RÉSUMÉ
Une première communication présentée en 2001 à Novatech exposait les principes des filtres plantés de roseaux utilisés pour le traitement d’eaux pluviales. En prolongement, la présente communication s’appuie sur deux réalisations mises en service respectivement au printemps et à l’automne 2002 :
• un filtre planté de roseaux réalisé dans le Parc de la Maourine à Toulouse (Haute Garonne) ;
• une série de trois filtres et deux bassins paysagers réalisés le long de la RN 504
à Neydens (Haute Savoie) ;
Ces deux expériences nous permettent de préciser les champs d’application des
filtres plantés de roseaux pour le traitement d’eaux pluviales parmi les différentes techniques disponibles.

INTRODUCTION
Les filtres plantés de roseaux permettent un traitement efficace d’eaux pluviales polluées. En France, cette technique a fait son apparition il y a une quinzaine d’années pour le traitement des eaux usées domestiques : plus de 200 stations d’épuration de ce type ont été réalisées. Plus récemment, les filtres plantés de roseaux ont été adaptés au traitement d’eaux pluviales.
Nous proposons dans un premier temps de situer ce système dans le panel des techniques disponibles, et de préciser son fonctionnement tant sur le plan hydraulique qu’épuratoire. Puis nous présentons les deux filtres mise en service courant 2002, et les premiers enseignements qui peuvent en être tirés.

1. TRAITEMENT DES EAUX PLUVIALES : CHAMP D’APPLICATION DES FILTRES PLANTES DE ROSEAUX
Au-delà de leur intérêt paysager, les filtres plantés de roseaux trouvent aujourd’hui leur place de part leur performance épuratoire et leur double fonction sur une surface limitée : rétention et dépollution.
1.1. Quelques limites de solutions traditionnelles
La simple décantation
Plusieurs recherches ont montré la bonne décantabilité des effluents unitaires [CHEBBO]. Ceci a conduit à juste titre à préconiser des solutions de décantation pour des eaux unitaires. En revanche, pour des eaux strictement pluviales, la simple décantation comporte des limites :
• limites liées à l’emprise, dans la mesure où l’essentiel de la pollution y compris
les hydrocarbures sont fixées sur des particules fines. L’approche par simple décantation peut donc conduire à étancher des surfaces disproportionnées au regard de la pollution chronique véhiculée par la pluie.
• limites liées à l’entretien : Le curage des décantats doit être régulier pour éviter
les relargages, or c’est une opération délicate : taille des bassins, protocole de vidange, fragilité du système d’étanchéité…
Les « séparateurs »
Il est désormais admis, y compris par les constructeurs de dispositifs compacts, que les séparateurs d’hydrocarbures ne sont pas pertinents pour piéger des pollutions pluviales chroniques, qu’il s’agisse de ruissellement routier, de parking, ou a fortiori de quartiers d’habitat. Rappelons notamment deux points :
• la plupart de ces systèmes garantissent 5 mg/l d’hydrocarbures en sortie. Or il est rare d’observer de telles quantités en entrée (ex : Autoroute A11, 24000 véhicules/jour, 44 pluies mesurées. Moyenne : 1,2 mg/l, écart type de 0,94.
[LEGRET]. Ainsi « les rendements mesurés sur ces dispositifs pour la pollution chronique des eaux de ruissellement sont faible » [SETRA]. Si l’objectif est de piéger des hydrocarbures présentes en quantité inférieures à 5 mg/l, ce n’est donc pas le bon système.
• les séparateurs sont aussi conçus, en théorie, pour décanter…mais capables, dans la pratique, de relarguer. Les rendements négatifs sont fréquents.
Ces dispositifs sont donc à réserver, moyennant un entretien régulier, à certains rejets industriels de temps de pluie tels que les stations services.
Le séparateur peut garder un intérêt comme rempart vis-à-vis d’une pollution accidentelle, mais d’autres systèmes à piégeage passif tels que les fossés filtrants développés par certaines sociétés d’Autoroute, ou le filtre planté de roseaux, seront souvent plus pertinents.
Les décanteurs lamellaires
Ces décanteurs sont largement présentés dans ce colloque. Ils sont adaptés au piégeage de particules fines, et sont donc sont efficaces sur la pollution pluviale chronique à condition d’être surveillés et entretenus plusieurs fois par an.
Une de leur limite réside toutefois dans leur coût, de l’ordre de dix fois supérieur à celui d’un « séparateur ».
1.2. Les filtres plantés de roseaux : principes et fonctionnement

filtro

Filtre planté de roseaux de Geispolsheim (67) : épuration de ruissellements de parking.
Conception SINT -SINBIO.
Les filtres plantés de roseaux sont utilisés pour le traitement et la rétention d’eaux pluviales notamment en Australie, en Angleterre et en Allemagne, où une notice technique de dimensionnement a été établie. Ils prolongent et améliorent des procédés connus :
• Comme les « filtres à sable » ou les « structures réservoirs », ils permettent un bon abattement des micro-polluants par filtration, et la présence des roseaux empêche le colmatage.
• La présence des roseaux améliore nettement la capacité de décantation par rapport à une simple lagune.
• La présence des roseaux favorise le développement de micro-organismes qui participent à la dégradation des hydrocarbures et à la précipitation des métaux sous forme oxydée.
• Enfin l’entretien est très simple, en particulier il ne nécessite pas de curage avant plusieurs années : ce type de dispositif évite tout risque de remise en suspension des polluants
Fonctionnement hydraulique
Le filtre planté de roseaux reçoit les eaux de ruissellement superficiel. L’eau percole à travers un substrat constitué de couches filtrantes et de couches drainantes. Des drains situés en fond de filtre permettent de collecter l’eau traitée pour l’acheminer vers un exutoire. Dans le regard de collecte, deux fonctions sont assurées :
• la mise en charge du filtre de façon préserver des zones différenciées (aérobies – anaérobies) et à maintenir entre deux pluies une réserve hydrique pour les roseaux ;
• la limitation du débit traversier par un orifice calibré.

filtro dos

Cordon de filtre planté de roseaux dans une noue longeant une voirie
Les roseaux peuvent être mis en charge sur plus d’un mètre. Le débit traversier étant limité par l’orifice de sortie, le filtre est donc en mesure de stocker le volume produit par une pluie de période de retour 6 mois à 2 ans selon le dimensionnement. Le filtre traite intégralement ce volume, et traite le « premier flot » d’une pluie 10 ans (25 à 60% du volume ruisselé selon le dimensionnement).
Fonctionnement épuratoire – pollution chronique
Il faut rappeler qu’un humus actif est un excellent épurateur d’eaux pluviales modérément polluées. Des micro-organismes sont effectivement présents pour dégrader la pollution y compris les hydrocarbures, et pour précipiter les métaux. C’est pourquoi les rendements pour de simples noues engazonnées sont compris entre 50% et 70% sur les MES, métaux et hydrocarbures [SETRA].
Les filtres à sable non plantés, utilisés en assainissement routier et autoroutier ont montré des rendements de 80 à 90% sur les MES [SETRA].
Les filtres plantés de roseaux vont plus loin d’une part en améliorant la capacité de filtration physique, mais aussi en oxygénant le substrat mis en place. Des micro-organismes dégradent les hydrocarbures grâce aux périodes de repos entre les pluies. D’autres micro-organismes agissent sur les métaux :
« Les formes particulaires sont retenues par filtration. Les formes solubles sont
éliminées notamment par le mécanisme suivant : les métaux précipitent sous formes d’oxydes et de sulfites métalliques grâce à des bactéries métallo oxydantes dans les zones aérobies et des bactéries sulfito réductrices dans les zones anaérobies :
exemple en zones aérobies:  form

Avec des réactions similaires pour beaucoup d’autres métaux et notamment le nickel, le cuivre, le plomb, le zinc.
Ces précipités sont retenus dans la matrice du filtre, sans risque aucun de saturation de ce dernier si ce n’est éventuellement au bout de plusieurs décennies. D’autre part à l’interface racine/sédiment, on rencontre de forts gradients rédox qui provoquent la précipitation d’hydroxydes ferriques complexes. Ceux-ci s’accumulent dans la rhizosphère formant une sorte de gaine autour des racines. Cette gaine est une barrière efficace contre l’assimilation végétale et favorise la co-précipitation avec d’autre métaux dans la plaque d’hydroxyde ferrique »[COOPER].
Le filtre est donc destiné à piéger des particules fines, sur lesquelles la pollution est fixée. Constitué pour cela d’un granulat suffisamment fin (sable siliceux choisi dans un fuseau précis), il doit être protégé des apports qui pourraient à terme le colmater.
C’est pourquoi dans certains cas, un petit décanteur destiné à piéger les particules grossières est placé en amont.
Fonctionnement en cas de pollution accidentelle
Le filtre planté de roseaux est sans conteste plus performant que des systèmes compactes dans la mesure où il permet un piégeage passif, y compris de polluants miscibles à l’eau par temps de pluie :
• En cas de pollution lourde ou légère, le piégeage se produit en général dans le décanteur à cloison siphoïde situé en amont ;
• En cas de pollution miscible à l’eau et par temps de pluie, soit la manoeuvre de
vanne est rapide, soit le polluant atteint le filtre où il sera piégé. Le débit
traversier dans le filtre est en effet faible, l’effluent met entre 2 et 3 heures pour
atteindre la sortie. Ce temps est mis à profit pour isoler le filtre.
1.3. Dimensionnement et entretien
Dimensionnement
Le facteur limitant est en général la lame d’eau cumulée annuelle admise par le  filtre, qui ne doit pas dépasser 50 à 100 mètres. A titre de comparaison, un filtre planté de roseaux utilisé en épuration d’eaux usées reçoit autour de 60 m d’eau par an.
Le filtre est en général intégré à un projet de la manière suivante :
• utilisation ciblée sur les eaux de ruissellement potentiellement polluées (voiries denses, parkings…) ;
• détermination de l’emprise de filtre nécessaire selon le critère de lame d’eau annuelle (50 – 100 m).
• Pour les filtres comme pour les autres techniques, il est donc intéressant de gérer à part les eaux qui n’ont pas besoin d’être traitées de façon à ne pas surcharger le filtre. C’est le cas par exemple de l’infiltration à la source d’eaux de toitures…(à condition que la toiture ne soit pas intégralement en cuivre, zinc, bitume…) ;
• détermination de la hauteur d’eau maximum sur le filtre lors d’une pluie (dans
une fourchette de 0,5 à 2 m, en vue de stocker sur le filtre le volume que l’on
souhaite traiter intégralement, en général issu de la pluie 6 mois, 1 an,
quelquefois 2 ans) ;
• en aval du filtre, création d’un volume de rétention complémentaire (dont le rôle est uniquement hydraulique : il n’a donc pas lieu d’être étanche) ;
• équipements adéquats du filtre tels que le décanteur amont, les bypass et vannes d’isolement en cas de risque accidentel.
Entretien
L’entretien paysager porte sur les abords uniquement : le faucardage des roseaux n’est pas indispensable car la biomasse des roseaux fanés peut sans problème se mêler au dépôt qui se formera en surface de filtre.
L’entretien technique porte sur le décanteur amont lorsqu’il existe, qui doit être surveillé et curé une à quatre fois dans l’année selon les cas. Le dépôt formé à la surface de filtre sera raclé au bout de 10 à 20 ans : les situations varieront en fonction des apports ; selon les ratios habituels, un mètre carré de filtre drainant 100 m² de surface active recevra chaque année 5 à 10 kilos de matières en suspension, soit quelques mm de dépôt par an.
1.4. Conclusion sur les champs d’application
En conclusion, le filtre planté de roseaux est une solution pertinente dans les cas de zones d’activités, de zones commerciales, de routes et d’autoroutes :
• apports de pollution chronique trop faibles pour être piégées significativement
par un séparateur ;
• pour autant, coût plus faible et entretien plus simple qu’un décanteur lamellaire ;
• en cas de risque accidentel, possibilité de piégeage classique par effet siphoïde ou fermeture de vanne ; en outre, possibilité de piégeage passif par le filtre d’une pollution miscible à l’eau ;
• insertion paysagère intéressante notamment dans le cas de “pré verdissement” ;
2. APPLCATIONS : TOULOUSE (31) ET NEYDENS (74)
2.1. Le filtre planté de roseaux de la Ville de Toulouse
Sur le réseau de la Ville de Toulouse, une surverse unitaire rejoint la zone humide urbaine située au cœur du parc de la Maourine. La ville a donc souhaité traiter les eaux de cette surverse. Le système de dépollution mise en place est un filtre planté de roseaux de 300 m², précédé d’un bassin de 1400 m3 assurant une régulation hydraulique et, de facto, une pré décantation des eaux de surverse.
Le bassin amont garde un caractère technique et reste fermé, tandis que le filtre
est ouvert et intégré à l’espace public. De forme elliptique, il est composé de deux demi filtres séparés par un cheminement piéton. A l’image de la zone humide, une moitié de filtre est plantée de Phragmites Communis, et l’autre moitié de Typha Latifolia. La canne de Provence n’a pas été retenue du fait de sa taille et de la plus grande quantité de biomasse produite.

neyden 1

Demi filtre Nord et chemin central avant plantation
Compte tenu de la topographie (la surverse unitaire est souterraine), le filtre est alimenté par pompage à raison de 200 m3/h. L’eau se répartit sur le filtre par des rampes posées sur le sable. Ce filtre est en fonctionnement depuis décembre 2002.
2.2. Neydens
Contexte
La Zone d’activités des Envignes couvrira à terme 90 hectares. Le projet prévoit de stocker et de filtrer les eaux de ruissellement avant de les restituer au ruisseau du Ternier et au ruisseau de la Folle. Aujourd’hui, trois filtres plantés de roseaux (« B », « C1 » et « C2 ») sont réalisés, ainsi que deux bassins de rétention paysager.
Le projet fait l’objet d’une co – maîtrise d’oeuvre pluridisciplinaire entre le cabinet Profils Etudes (Hydraulique), le paysagiste Laurent Daune (noues, bassins paysagers, plan de végétation des filtres), la SINT (conception des filtres plantés de roseaux).
Cheminement de l’eau sur le site
Le cheminement de l’eau est le suivant :neyd uno
• Collecte des eaux de ruissellement dans des noues enherbées, le long des places de stationnement.
• Passage en buse jusque dans un décanteur. Celui-ci assure :
o la décantation des matières en suspension les plus grossières (> 200 μm)
o le piégeage de flottants (les sorties vers le filtre planté de roseaux sont à  contrepente)
• Passage de l’eau sur le filtre planté de roseaux. Ce filtre assure la rétention de l’eau, à concurrence du volume « annuel » (mise en charge sur 80 cm) et la      filtration de cette eau à travers le massif filtrant.
• L’eau est drainée en fond de filtre jusqu’à un regard de sortie.
Il n’a pas été nécessaire d’étancher le fond des filtres (terrain naturellement peu
perméable).
Pour les pluies les plus fortes, la pointe de débit est écrêtée en amont du décanteur : pour éviter de surcharger le filtre, le trop plein part directement dans le bassin de rétention paysager. Celui-ci est en effet dimensionné pour les pluies «décennales » (dimensionnement sur la base des données locales).ney2
Filtre B, avec au fond le bassin de rétention complémentaire ; Filtre B (vues fin août 2003 juste après la canicule)
Les filtre B, C1 et C2 du projet sont réalisés. Le filtre B fonctionne depuis le printemps 2002.

2.3. Suivi des filtres
Dans les deux cas cités, les services de Police de l’Eau n’ont pas demandé de mesure spécifique d’autosurveillance. La démarche de suivi est donc volontariste, et se trouve aujourd’hui en cours de mise en place à Neydens :
• depuis fin 2002 : groupe de travail impliquant les chercheurs de l’Ecole Polytechnqiue de Lausanne et de l’Institut Faurel de Genève, et le laboratoire de la station d’épuration de Genève – Aires. Ce groupe de travail prévoit la réalisation de mesures in situ à l’horizon printemps ou automne 2004, et d’un travail de fin d’étude.
• automne 2003 : pré campagne in situ mise en place par les bureaux d’études SINT et Profils Etudes et par la Ville de Neydens.
Pour ce qui est de l’observation des végétaux, 15 mois après les plantations, il apparaît dores et déjà des croissances différenciées entre les essences végétales
mises en place, parmi lesquelles le phragmite se distingue à la fois par sa croissance plus rapide (plants de plus d’un mètre) et par sa robustesse (meilleur état de fraîcheur suite à la canicule).
Enfin le filtre a révélé son efficacité pour la détection visuelle de rejets indésirables, puisqu’un déversement chronique d’hydrocarbures a été repéré et supprimé.
BIBLIOGRAPHIE
Chebbo, G. (1992) Solides des rejets pluviaux urbains, caractérisation et traçabilité. Thèse de doctorat. Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, Paris.,400p. + annexes.
Legret, M., Pagotto, C., Stefanini, F.,(2001). Qualité des eaux de ruissellement In : Routes et pollution des eaux et des sols, LCPC, 27 – 28 mars 2001. LCPC, Nantes, pp 8-9
Setra. (1997) L’eau et la route. Setra, Paris, 1997
Blake G, Merlin, G. (2000) Contribution à la possibilité de traitement des eaux pluviales et des eaux de ruissellement par des systèmes d’épuration à macrophytes. Les Rendez-vous du Graie, 1er mars 2000, Le Bourget du Lac.
Boutin C, Liénard A., Molle P, Esser D. (2000) Les filtres et lits plantés de roseaux en traitement d’eaux usées domestiques. Perspectives pour le traitement d’eaux pluviales. Les Rendez-vous du Graie, 1er mars 2000, Le Bourget du Lac.
Cooper P. and Green B. (1998) In : “Constructed wetlands for wastewater treatment in Europe.”,
Ed. Vymazal J., Brix H., Cooper P.F., Green M.B., Haberl R., 1998, Backhuys Publishers, Leiden (Netherlands), pp.315-335.
LfU. (1998) Bodenfilter zur Regenwasserbehandlung im Misch- und Trennsystem. Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Würtenberg, Handbuch Wasser 4, Band 10, 1998. LfU, Karlsruhe, 95 p. + Annexes.

(*) Société d’Ingénierie Nature & Technique (SINT), sint@sint.fr – www.sint.fr
(**) BET Profils Etudes,
(***) Agence de Paysage Laurent DAUNE
(°) Ville de Neydens
(°°) Ville de Toulouse