Comprendre les zones humides construites

Les milieux humides construits sont des écosystèmes conçus qui reproduisent les processus naturels de purification des marais et des marais, qui consistent généralement en bassins ou canaux peu profonds plantés de végétation aquatique émergente, comme les queues de chat, les roseaux et les ruées, avec de l'eau qui coule dans un substrat de gravier, de sable ou de sol. Ces systèmes exploitent les interactions physiques, chimiques et biologiques pour traiter une vaste gamme de polluants, notamment les nutriments, les métaux lourds, les agents pathogènes et les composés organiques.

Le problème microplastique : sources, destin et risques

Les microplastiques sont définis comme des particules de plastique de moins de 5 millimètres, souvent classées en microplastiques primaires (fabriqués en petits grains et en microbilles) et en microplastiques secondaires (résultant de la fragmentation d'articles en plastique plus grands).Les principales sources sont l'eau de lavage synthétique, les particules d'usure des pneus, la dégradation des sacs et des bouteilles en plastique, les produits de soins personnels, les abrasifs industriels et les flocons de peinture.

Leur petite taille et leur surface élevée permettent aux microplastiques d'adsorber des produits chimiques toxiques (p. ex. polluants organiques persistants, métaux lourds) et de contenir des biofilms pathogènes. Ils sont ingérés par des organismes aquatiques à tous les niveaux trophiques, du zooplancton aux poissons et aux mammifères, ce qui entraîne des dommages physiques, réduit l'alimentation, réduit les altérations de la reproduction et le transfert de contaminants dans la chaîne alimentaire.

Mécanismes d'enlèvement des microplastiques dans les zones humides construites

Les milieux humides construits utilisent plusieurs procédés simultanés pour capturer et conserver les microplastiques. La compréhension de ces mécanismes est essentielle pour optimiser la conception pour une efficacité maximale d'élimination.

Sédimentation et incarcération physique

Dans les conditions hydrauliques quiescentes d'une zone humide, les vitesses d'écoulement plus faibles (généralement <0,1 m/s) et les profondeurs d'eau peu profondes, les particules se déposent sur le substrat et s'accumulent dans les couches de sédiments. Les fibres plastiques fines, qui peuvent être moins denses, peuvent être physiquement piégées dans les pores du gravier ou des milieux sableux. Des études indiquent que la sédimentation seule peut expliquer 40 à 70 % de l'enlèvement microplastique dans des milieux humides bien conçus.

Filtration et adhérence médiée par les plantes

Les racines, les rhizomes et les tiges submergées des plantes des zones humides forment une matrice tridimensionnelle dense qui intercepte les microplastiques en suspension. Des macrophytes comme Phragmites australis ( roseaux communs) et Typha latifolia (peau de chat) développent des systèmes radiculaires étendus qui agissent comme un filtre physique, ralentissent l'eau et fournissent des surfaces pour l'adhérence microplastique.

Interaction et biodégradation des biofilms

Les surfaces submergées d'une zone humide construite sont rapidement colonisées par des biofilms, des communautés complexes de bactéries, de champignons, d'algues et de protozoaires intégrés dans une matrice polymérique. Les microplastiques qui entrent en contact avec ces biofilms sont enchevêtrés et peuvent être partiellement dégradés par des enzymes microbiennes. Certaines bactéries (p. ex. Ideonella sakaiensis-souches liées, bien que rares) peuvent hydrolyser le PET et d'autres polymères.

Adsorption et agrégation

Les microplastiques s'adsorbent facilement aux particules colloïdales naturelles, aux minéraux argileux et aux matières organiques dissoutes présentes dans les eaux des zones humides. Ce processus, appelé hétéroagrégation, augmente la taille et la densité efficaces des grappes de particules microplastiques, favorisant leur décantation.

Ingestion par les organismes des zones humides

Les invertébrés, comme les escargots, les vers et les larves d'insectes, habitent les sédiments des zones humides et la colonne d'eau. Ces organismes peuvent ingérer des microplastiques avec leur nourriture, les piéger temporairement dans les tissus intestinaux ou les déposer dans des pellets fécaux. Bien que l'ingestion ne retire pas le plastique du système, elle peut transférer des particules vers des couches de sédiments plus profondes ou les lier à des agrégats organiques plus résistants à la remise en suspension.

Facteurs influant sur l'efficacité de l'enlèvement

L'efficacité des milieux humides construits pour l'enlèvement des microplastiques n'est pas uniforme; elle dépend d'un jeu complexe de variables de conception, d'exploitation et d'environnement.

Type de terre humide et conception hydraulique

Les milieux humides à débit de surface, où l'eau coule sur le sol végétalisé, permettent généralement d'obtenir un retrait microplastique plus élevé que les systèmes à débit subplastique en raison d'une plus grande exposition aux tiges et à la litière des plantes. Cependant, les milieux humides à débit de surface (horizontal ou vertical) ont l'avantage de forcer l'eau par des milieux granulaires, ce qui permet une filtration physique accrue.

Sélection de la végétation et densité

Les macrophytes avec des systèmes radiculaires denses et fins (p. ex., Phragmites, Typha[, Juncus) surpassent ceux avec des racines grossières et clairsemées. La biomasse végétale contribue également à l'accumulation de matières organiques sur la surface du lit, ce qui augmente la filtration.

Caractéristiques du substrat et des médias

On utilise couramment du gravier grossier (2 à 30 mm) pour son support structurel, mais on a démontré que le sable fin ou un mélange de sable et de biochar peut accroître la capture de microplastiques par filtration mécanique et adsorption. On a démontré que les substrats modifiés par la biochar permettent d'éliminer les particules plus petites (<50 μm) en raison de la surface et de la charge superficielle élevées.

Température et variations saisonnières

Dans les climats froids, la performance des milieux humides peut diminuer en hiver en raison de la réduction du métabolisme des biofilms et de la sénescence des plantes, ce qui réduit l'efficacité d'élimination des mécanismes biologiques. Toutefois, la sédimentation physique peut demeurer élevée à condition que la couverture de glace n'arrête pas complètement l'écoulement.

Caractéristiques microplastiques

Les fibres plus longues (1 à 5 mm) tendent à s'empêtrer dans les structures végétales, tandis que les fibres et fragments plus courts (<100 μm) sont plus difficiles à capturer. La forme (fibres vs fragment vs perle) et le type de polymères influencent également les taux d'élimination; par exemple, le chlorure de polyvinyle (PVC) se dépose rapidement en raison de la haute densité, tandis que le polyéthylène (PE) flotte et peut nécessiter l'adhésion ou l'agrégation des plantes.

Études de cas et résultats de recherche

Une étude historique réalisée par Wang et al. (2020) a permis de surveiller une zone humide à débit de surface traitant le ruissellement urbain en Chine et a signalé une efficacité d'élimination moyenne de 86 % pour les particules >50 μm, la sédimentation étant le mécanisme dominant. Une autre étude menée en Australie a comparé trois modèles différents de milieux humides et a révélé qu'un système hybride à débit vertical a permis d'éliminer 94 % de tous les microplastiques, tandis qu'une zone humide à surface d'eau libre a enlevé 68 % de ces milieux (source : Water Research, 2021.

Une expérience pilote utilisant une zone humide construite plantée avec Phragmites australis a démontré que le système a réduit les concentrations de microplastiques de 25 particules/L à 3 particules/L, avec une efficacité d'élimination de 88 % (source : Science de l'environnement total, 2022. Notamment, l'étude a constaté que les fibres ont été enlevées moins efficacement (75 %) que les fragments (92 %), ce qui souligne la nécessité d'ajuster la conception pour des morphologies particulaires spécifiques.

La surveillance à long terme sur trois ans dans un milieu humide traitant les effluents des eaux usées municipales a montré un retrait constant de plus de 80 % des microplastiques toutes les saisons, bien qu'une légère diminution ait été observée en hiver lorsque la biomasse végétale était faible (source : Journal of Environmental Management, 2023. Ces études de cas confirment que les terres humides construites peuvent être très efficaces, mais elles indiquent également que le rendement est propre au site et que la normalisation de la conception est toujours en évolution.

Limites et défis

Malgré leur promesse, les zones humides construites sont confrontées à plusieurs limites dans l'élimination des microplastiques qui doivent être traitées avant leur déploiement généralisé comme technologie de traitement primaire.

Taille des particules et diversité

Aucune conception actuelle des terres humides ne permet de capturer de façon fiable des microplastiques de moins de 10 μm, y compris de nombreux nanoplastiques. Ces minuscules particules peuvent traverser le substrat et sortir du système. Même pour les microplastiques plus grands, l'efficacité d'élimination varie considérablement (40-95 %) selon les facteurs susmentionnés.

Resuspension et transport en aval

Les microplastiques piégés dans les sédiments peuvent être remobilisés lors d'événements à débit élevé (tempêtes, rejets pulsés) ou lorsque la matière organique accumulée se désintègre et libère ses particules incorporées. Au fil du temps, la couche de sédiments peut devenir saturée de microplastiques, réduisant ainsi la capacité de capture à moins que les sédiments ne soient enlevés périodiquement.

Accumulation dans les sédiments et les biotes

Bien que les microplastiques soient conservés, ils ne sont pas détruits, mais s'accumulent dans les sédiments des zones humides à des concentrations allant jusqu'à 10 000 particules/kg ou plus, ce qui suscite des préoccupations quant à l'exposition chronique des organismes benthiques et au risque de contaminations transportées (adsorbées sur des plastiques) pour rentrer dans la chaîne alimentaire.

Superficie et scalabilité

Les terres humides construites exigent une superficie importante par rapport aux installations de traitement classiques, généralement de 5 à 20 m2 par personne équivalente. Dans les zones urbaines où les coûts des terres sont élevés, cette empreinte peut être prohibitive. Les conceptions hybrides verticales et compactes réduisent la superficie nécessaire, mais peuvent augmenter les coûts d'immobilisation et d'entretien.

Entretien et rendement à long terme

Sans ces mesures, la performance peut se dégrader sur 5 à 10 ans. Le conglage des milieux sous-marins par biofilm peut nécessiter un rinçage périodique ou un remplacement des milieux. Les données de surveillance à long terme au-delà de 10 ans sont rares, ce qui laisse des questions sur la durabilité du cycle de vie de ces systèmes pour l'enlèvement des microplastiques.

Orientations futures et besoins en matière de recherche

Le potentiel des milieux humides construits pour l'assainissement des microplastiques est clair, mais plusieurs pistes de recherche sont essentielles pour améliorer leur fiabilité et leur adoption.

Conception optimisée et matériaux émergents

Les systèmes de régulation du débit réglables pourraient maintenir un TRH optimal même dans des conditions d'écoulement variables. L'utilisation de zones humides de traitement flottant comme complément à des bassins existants est également à l'étude. Il sera essentiel d'élaborer des lignes directrices de conception qui tiennent compte de la distribution de la taille des microplastiques et du type de polymères.

Biodégradation et bioingénierie améliorées

Les recherches sur les enzymes et les consortiums microbiens qui peuvent dégrader plus rapidement les polymères communs (PET, PP, PS) pourraient être intégrées dans les biofilms des zones humides. Le génie génétique des plantes ou des bactéries des zones humides pour sécréter les enzymes de dégradation plastique est un domaine naissant mais prometteur.

Intégration au traitement conventionnel

Les milieux humides construits ne remplaceront probablement pas les traitements tertiaires avancés, mais ils peuvent être intégrés comme étape de polissage après traitement primaire ou secondaire. Par exemple, un milieu humide recevant des effluents d'un bioréacteur à membrane (RMB) pourrait réduire davantage les concentrations de microplastiques à des niveaux proches de zéro.

Surveillance et normalisation

Des protocoles harmonisés pour l'échantillonnage, l'extraction et la quantification des microplastiques dans les eaux des zones humides, les effluents et les sédiments sont nécessaires de toute urgence. Les progrès en spectroscopie automatisée (p. ex., imagerie FTIR) et en apprentissage automatique peuvent aider à traiter de grands volumes d'échantillons.

Cadres de politique et de réglementation

À l'heure actuelle, aucune norme nationale ou internationale ne prévoit l'élimination des microplastiques dans le traitement de l'eau. À mesure que les données sur les effets sur la santé se multiplient, des règlements peuvent émerger.

Conclusion

Les milieux humides construits représentent une approche naturelle, rentable et écologique pour réduire la pollution microplastique dans les plans d'eau. Leur capacité à utiliser la sédimentation, la filtration des plantes, l'interaction biofilm et l'adsorption dans un seul système passif en fait un complément ou un complément viable aux techniques de traitement classiques. Cependant, l'efficacité n'est pas automatique; elle dépend d'une conception soignée adaptée à l'hydrologie locale, aux caractéristiques microplastiques et aux conditions climatiques.

Pour libérer tout le potentiel des zones humides construites, la recherche interdisciplinaire doit continuer à affiner les paramètres de conception, à intégrer les matériaux avancés et à élaborer des protocoles de surveillance normalisés.Les décideurs devraient considérer les zones humides comme une solution évolutive fondée sur la nature pour la protection des sources d'eau et la gestion décentralisée des eaux usées.

Ressources extérieures: Pour plus de détails sur les principes de conception des zones humides construites, voir la page EPA Constructed Wetlands. Un examen complet de l'élimination des microplastiques dans les zones humides de traitement est disponible au Journal of Dangered Materials, 2023. Une autre étude pertinente sur le devenir des microplastiques dans les zones humides à débit vertical peut être trouvée au Frontiers in Environmental Science, 2022