Dépassements d'égouts combinés : un défi urbain croissant

Les débordements d'égouts combinés (CSO) représentent l'un des problèmes de qualité de l'eau les plus persistants et les plus complexes auxquels doivent faire face les centres urbains les plus anciens du monde. Dans un réseau d'égouts combinés, les eaux usées et les eaux pluviales se partagent les mêmes conduites souterraines.

Les solutions traditionnelles, l'agrandissement des tunnels, la construction de bassins de stockage massifs ou la séparation des égouts et des égouts, sont prohibitifs et perturbateurs. Par conséquent, les urbanistes et les ingénieurs environnementaux se sont tournés vers des solutions durables et fondées sur la nature. L'un des plus prometteurs est la zone humide construite, un écosystème de génie qui mimite les marais et les marais naturels pour traiter et stocker les flux d'OCS avant qu'ils n'atteignent des plans d'eau sensibles.

Quelles sont les zones humides construites?

Les milieux humides construits sont des systèmes anthropiques conçus pour reproduire les processus physiques, chimiques et biologiques des milieux humides naturels. Ils sont constitués de bassins peu profonds remplis de gravier, de sable ou de sol, plantés de végétation émergente, comme des queues de chat, des roseaux et des ruées. L'eau traverse le substrat et la zone racine des plantes, où une communauté complexe de microorganismes, de plantes et d'invertébrés travaillent ensemble pour éliminer les polluants.

Les terres humides construites ne sont pas nouvelles; elles sont utilisées depuis des décennies pour traiter les eaux usées municipales et industrielles, le ruissellement agricole et le drainage minier. Toutefois, leur application à la gestion des OSC n'a gagné en traction que depuis deux décennies, les villes cherchant une infrastructure rentable et multi-avantages.

Paramètres de conception clés pour les zones humides du CSO

La conception d'une zone humide construite pour le contrôle des OSC nécessite une attention particulière à plusieurs facteurs :

  • Taux de chargement hydraulique:[ Le volume d'eau par unité de surface par temps doit être géré pour éviter les courts-circuits ou les inondations qui réduisent l'efficacité du traitement.
  • Temps de rétention:[ L'eau doit rester dans la zone humide assez longtemps pour que la sédimentation, la filtration et l'absorption biologique se produisent et que le mdash se produise; en général, 24 à 72 heures pour les applications des OSC.
  • Sélection de la végétation :[ Les plantes indigènes avec des systèmes racinaires profonds et une tolérance élevée aux polluants sont préférées.Phragmites australis ( roseau commun), Typha spp. (chaque chat), et Scirpus spp. (broussailles) sont des choix communs.
  • Composition du substrat : Un mélange de gravier, de sable et de matière organique soutient la croissance microbienne et fournit des milieux de filtration.
  • Plage et distribution:[ Un bassin de décantation avant la zone humide principale aide à éliminer le sable et les grands solides, empêchant ainsi le colmatage et le maintien de la performance à long terme.

Comment les zones humides construites gèrent les OSC

Lorsqu'un événement d'OSC se produit, l'écoulement excédentaire est détourné du réseau d'égouts vers la zone humide construite plutôt que rejeté directement dans un plan d'eau. La zone humide agit à la fois comme bassin de stockage et comme réacteur de traitement.

  • Sédimentation: Les particules lourdes, y compris les sédiments, les solides organiques et les contaminants attachés, se déposent à mesure que la vitesse de l'eau diminue dans le bassin des zones humides.
  • Filtration: Comme l'eau percole à travers les tiges, les racines et le substrat poreux, la déformation physique élimine les solides en suspension et les pathogènes plus grands.
  • Biodégradation: Les bactéries aérobiques et anaérobies colonisent la zone racinaire et le substrat, en brisant la matière organique, les huiles et la graisse. L'azote est transformé par des cycles de nitrification-dénitrification.
  • Mentions de plant: La végétation émergente absorbe des éléments nutritifs tels que l'azote et le phosphore, ainsi que certains métaux lourds, les incorporant dans les tissus végétaux.
  • Adsorption: Les particules d'argile et la matière organique dans le substrat se lient aux polluants dissous, y compris le phosphore, les métaux et certains composés organiques.
  • ]UV Désinfection:[ Dans les milieux humides de surface d'eau libre, l'exposition au soleil aide à inactiver des agents pathogènes comme E. coli et entérocoques.

Pendant les périodes sèches, la zone humide peut rester sèche ou maintenir un débit de base peu profond d'eau traitée. Le système peut être conçu pour s'écouler lentement entre les événements pour réaérer le substrat et maintenir des communautés microbiennes saines.

Étude de cas : Le district métropolitain d'égouts de Green Bay

Le réseau de 120 acres, achevé en 2004, traite les débordements d'égouts combinés de la ville de Green Bay et des collectivités avoisinantes. Pendant les périodes humides, les débits sont détournés vers une série de quatre cellules de milieux humides d'une capacité totale de stockage de 160 millions de gallons. Le milieu humide comprend une baie avant pour l'enlèvement des solides, des zones profondes pour l'entreposage et des zones marécageuses peu profondes pour le traitement. Depuis sa mise en service, l'installation a réduit le volume des rejets d'OCS de plus de 90 % et a considérablement réduit les charges polluantes vers la rivière Fox et la baie Green. Le projet a également créé un habitat faunique précieux et une zone d'éducation publique avec des sentiers de randonnée.

Avantages environnementaux et économiques

Les zones humides construites offrent une série d'avantages qui vont bien au-delà du contrôle des OSC, ce qui en fait une pierre angulaire de la gestion durable de l'eau en milieu urbain.

Amélioration de la qualité de l'eau

En interceptant et en traitant le premier écoulement de ruissellement pollué, les milieux humides construits réduisent considérablement la masse de polluants qui pénètrent dans les plans d'eau naturels.Les rendements d'élimination typiques pour les milieux humides des OSC comprennent 70–90% pour les solides en suspension totaux (TSS), 40–60% pour la demande biochimique d'oxygène (DBO), 30–50% pour l'azote total et 20–40% pour le phosphore total.

Atténuation des inondations et résilience climatique

Les zones humides construites servent de bassins de retenue des eaux pluviales, stockent de grands volumes d'eau pendant les précipitations extrêmes et les libèrent lentement, ce qui réduit les débits maximaux dans les égouts en aval et les eaux réceptrices, atténuant les risques d'inondation.

Création d'habitats et biodiversité

Les milieux humides bien conçus créent des habitats diversifiés pour les oiseaux, les amphibiens, les insectes et les organismes aquatiques. Les plantes indigènes des milieux humides attirent les pollinisateurs et fournissent nourriture et abri à la faune.

Valeur communautaire et esthétique

Les terres humides construites peuvent devenir des atouts communautaires, car elles offrent des possibilités d'éducation environnementale, de loisirs passifs et d'appréciation de la nature. Les sentiers de randonnée, les ponts d'observation et les panneaux d'interprétation peuvent transformer un projet d'infrastructure des eaux usées en un parc public bien-aimé. L'intégration de l'espace vert augmente également les valeurs foncières adjacentes et améliore la qualité de vie dans les quartiers urbains.

Rentabilité

Par rapport aux infrastructures grises classiques comme les tunnels profonds, les réservoirs de stockage ou la séparation des égouts, les terres humides construites ont généralement des coûts d'immobilisations moins élevés et des dépenses d'exploitation et d'énergie beaucoup moins élevées.Une étude réalisée en 2012 par l'EPA a révélé que les solutions fondées sur la nature pour le contrôle des OSC peuvent économiser 30 $ et plus;60 % par rapport aux approches traditionnelles.

Défis et considérations techniques

Malgré leurs avantages, les zones humides construites pour les OSC doivent relever plusieurs défis qui doivent être relevés au cours de la planification et de l'exploitation.

Exigences en matière de superficie

Les zones humides construites exigent une superficie importante par rapport à leur capacité de traitement.Une zone humide typique des OSC peut nécessiter 1–5% de la zone de drainage contributive pour un traitement efficace.Dans les centres urbains denses où les terres sont rares et coûteuses, cela peut être un obstacle majeur.

Variabilité des performances

L'efficacité du traitement peut varier selon la température, la saison, l'intensité des précipitations et les périodes sèches antérieures. Les conditions hivernales froides ralentissent l'activité microbienne et l'absorption des plantes, réduisant ainsi les taux d'élimination de l'azote et des agents pathogènes.

Entretien et longévité

Comme toute infrastructure, les milieux humides construits nécessitent un entretien continu.Les sédiments accumulés dans les baies antérieures doivent être enlevés tous les 2 ans et tous les cinq ans pour maintenir le volume de stockage et empêcher les engorgements.La végétation peut nécessiter une récolte périodique pour éliminer les nutriments et empêcher la domination par les espèces agressives.Les plantes envahissantes doivent être contrôlées.La reproduction des moustiques peut se produire dans l'eau stagnante, mais elle peut être gérée par une conception hydraulique appropriée et la mdash;assurer un débit continu, en utilisant des pentes latérales abruptes, et introduire des poissons mangeurs de moustiques comme Gambusia spp.

Perception et sécurité du public

Certains membres de la collectivité peuvent être préoccupés par les odeurs, les insectes ou la qualité de l'eau près des zones humides d'épuration des eaux usées. La communication transparente, l'esthétique bien entretenue et les clôtures, au besoin, peuvent régler ces problèmes.

Innovations et orientations futures

Le domaine de la conception des zones humides construites pour la gestion des OSC continue d'évoluer.

  • Systèmes hybrides:[ Combiner des milieux humides construits avec d'autres infrastructures vertes comme des chaussées perméables, des jardins pluviaux ou des toits verts pour créer un train de traitement qui réduit le débit et les polluants à plusieurs points.
  • Biochar et substrats techniques: Ajouter des milieux riches en biochar, en zéolite ou en fer pour améliorer l'élimination du phosphore, des métaux et des contaminants émergents comme les produits pharmaceutiques et les microplastiques.
  • Surveillance et contrôle intelligents:[ Intégrer des capteurs, des débitmètres et des vannes automatisées avec des algorithmes prédictifs pour orienter dynamiquement les flux d'OSC vers les zones humides en fonction de la capacité en temps réel et des précipitations prévues.
  • Terres humides verticales: Des plans de terres humides empilés ou muraux qui réduisent l'empreinte terrestre, adaptés aux environnements urbains denses.
  • Intégration énergétique renouvelable:[ Utilisation de zones humides construites en conjonction avec des panneaux solaires (floatovoltaiques) ou des turbines hydroélectriques pour générer des énergies renouvelables, compensant les coûts opérationnels.

Appui aux politiques et à la réglementation

Compte tenu des avantages multiples des terres humides construites, de nombreux organismes de réglementation encouragent ou exigent maintenant des éléments d'infrastructure verte dans les plans de contrôle à long terme des OSC. Le programme Infrastructure verte offre des conseils techniques et des possibilités de financement aux municipalités qui cherchent des solutions fondées sur la nature.

Mise en place d'une zone humide construite pour le contrôle des OSC : une approche étape par étape

Pour une municipalité qui envisage de construire une zone humide, les étapes suivantes sont essentielles :

  1. Évaluation du site :[ Évaluer les emplacements potentiels en fonction de la disponibilité des terres, de la proximité des égouts, de la perméabilité du sol, de la topographie, du risque d'inondation et du soutien communautaire.
  2. Étude de faisabilité :[ Modéliser le système existant d'OSC pour estimer les volumes de débordement, les fréquences et les charges polluantes.
  3. Conception conceptuelle :[ Développer la disposition des milieux humides, y compris l'avant-bouage, les cellules de traitement, la structure de sortie et le système de dérivation.
  4. Engagement des intervenants et des titulaires de permis :[ Obtention des permis environnementaux requis (p. ex., l'article 404 de la Loi sur l'eau propre, permis d'État pour les zones humides).
  5. Conception et construction détaillées :[ Préparer des plans de construction, des spécifications et des documents de soumission.
  6. Démarrage et surveillance:[ Établir la qualité de l'eau de base, surveiller l'hydrologie et ajuster les opérations.
  7. Gestion adaptative à long terme:[ Utiliser des données de surveillance pour améliorer le fonctionnement, améliorer le rendement et documenter les avantages de la conformité réglementaire et des rapports publics.

Conclusion

En exploitant les processus naturels de sédimentation, de filtration, de biodégradation et d'absorption des plantes, ces écosystèmes aménagés protègent la qualité de l'eau, réduisent les risques d'inondation et créent de précieux espaces verts dans les zones urbaines. Bien que des défis comme les besoins en terres et la variabilité des performances existent, des progrès dans la conception, la surveillance et les approches hybrides continuent d'accroître leur faisabilité.

Les zones humides construites dans le monde entier sont confrontées au vieillissement de l'infrastructure, à la croissance démographique et aux changements climatiques, et elles offrent une voie vers des systèmes d'eau urbains plus durables et plus adaptatifs. Elles transforment un passif et une eau de mer; des écoulements excédentaires d'eaux usées et de l'eau de mer non traitées;un atout qui nettoie l'eau, soutient la faune et enrichit les collectivités.

Pour plus de renseignements sur la conception des zones humides construites et la gestion des OSC, voir le [EPA’s CSO Control Policy et le [IWA’s guide on constructiond widths for waters treatment.