Contrairement aux systèmes classiques à forte intensité énergétique qui reposent sur des produits chimiques et des procédés mécaniques, la phyto-assainissement permet aux plantes d'absorber, de transformer et de stocker l'excès d'azote et de phosphore provenant des eaux usées, ce qui est particulièrement utile pour les petits systèmes communautaires tels que les villages ruraux, les banlieues, les parcs et les écoles, où les budgets sont limités et où l'exploitation et l'entretien doivent rester simples.

Comment fonctionne la phytorémédiation

La phytorémédiation n'est pas une technique unique, mais une collection de procédés à base de plantes qui éliminent ou neutralisent les contaminants. Au cœur de la méthode, la méthode dépend des activités biologiques innées des plantes et de leurs microorganismes de la zone racinaire associés.

  • Phytoextraction:[ Les plantes absorbent les nutriments à travers leurs racines et les transloquent vers les tissus hors sol, qui sont ensuite récoltés et retirés du système. Cela exporte en permanence de l'azote et du phosphore du plan d'eau.
  • Rhizofiltration: Les racines de plantes aquatiques ou semi-aquatiques agissent comme des filtres physiques, piégant la matière organique en suspension et les nutriments dans leurs matrices racinaires denses.La grande surface des poils racinaires fournit des sites d'attachement pour les biofilms microbiens qui décomposent davantage les composés nutritifs.
  • Phytodégradation:[ Certaines plantes peuvent métaboliser en interne certains polluants, comme l'ammoniac ou l'azote organique, en formes moins nocives. Les enzymes dans les cellules végétales peuvent convertir l'ammonium en acides aminés ou transformer le nitrate en azote gazeux par des voies de dénitrification semblables à celles qui sont assistées par des bactéries de zone racine.
  • Phytostabilisation: Les plantes peuvent immobiliser les nutriments dans les sédiments ou les sols en modifiant le pH local ou les conditions de redox, réduisant ainsi le risque de lessivage des nutriments.
  • Dégradation de la rhizosphère: Une grande partie de l'élimination des nutriments se produit dans la zone racine, où les exsudats végétaux (sugars, acides organiques) alimentent les communautés bactériennes qui effectuent la nitrification et la dénitrification.

Ces mécanismes n'agissent pas isolément; dans un système bien conçu, ils travaillent de concert pour obtenir des efficacités d'élimination qui peuvent rivaliser avec le traitement conventionnel, en particulier pour l'azote total et le phosphore total.

Espèces végétales clés pour l'élimination des nutriments

La sélection des bonnes espèces végétales est essentielle au succès. La plante idéale pour la phytorémédiation dans les petits systèmes communautaires doit tolérer des charges nutritives élevées, croître rapidement, produire une biomasse importante et être gérée pour la récolte périodique. Bien qu'il n'y ait pas de solution unique, de nombreuses espèces se sont avérées efficaces pour différents climats et types de systèmes.

Macrophytes aquatiques

  • Pois (Lemna spp.):[ Une des plantes aquatiques à croissance rapide, l'algue peut absorber l'azote et le phosphore directement de la colonne d'eau. Elle forme un tapis continu qui supprime également la croissance des algues en bloquant la lumière.
  • Hyacinthe d'eau (Eichhornia crassipes):[ Connu pour une absorption exceptionnellement élevée de nutriments, la jacinthe d'eau peut éliminer des quantités importantes d'azote et de phosphore.
  • Laitue d'eau (Pistia stratiotes):[ Similaire à l'algue à canard mais avec des feuilles plus grandes, la laitue d'eau tolère une gamme de concentrations nutritives et fournit un habitat racinaire aux microorganismes.

Plantes humides émergentes

  • Cattail (Typha spp.):[Une plante robuste et très adaptable qui prospère dans les sols saturés.Les queues de chat ont des rhizomes profonds qui stockent des nutriments et peuvent être récoltées annuellement pour exporter du phosphore.Elles fournissent également un excellent habitat faunique.
  • Reed commun (Phragmites australis):[ Très efficace dans les milieux humides construits pour l'élimination des éléments nutritifs, en particulier l'azote. Cependant, les variétés non indigènes peuvent devenir envahissantes; des génotypes indigènes ou des plantations contrôlées sont recommandés.
  • Bulrush (Schoenoplectus spp.):[ Ces plantes ont des systèmes radiculaires étendus qui améliorent la rhizofiltration et soutiennent de grandes communautés microbiennes.

Plantes terrestres pour bandes tampons

  • Willow (Salix spp.):[ Arbres à croissance rapide qui absorbent de grandes quantités d'eau et de nutriments. Ils sont souvent plantés le long de fossés de drainage ou dans des zones tampons pour intercepter le ruissellement des éléments nutritifs avant qu'ils ne pénètrent dans les cours d'eau.
  • Poplar (Populus spp.):[ Excellent pour la phytoextraction des nutriments et peut être récoltée comme matière première bioénergétique, fournissant un flux de revenus supplémentaire pour les communautés.
  • Les graminées permanentes (p. ex., herbage à interrupteur, malcanthus):[ utiles pour les bandes de filtres végétalisées; leurs tapis de racines denses stabilisent le sol et capturent les nutriments du ruissellement de surface.

De nombreux petits systèmes communautaires utilisent une approche polyculturenelle, mélangeant plusieurs espèces pour imiter la diversité naturelle des milieux humides et accroître la résilience contre les ravageurs et les changements saisonniers.

Considérations de conception pour les petits systèmes communautaires

La mise en oeuvre réussie exige que la conception du système soit adaptée aux conditions du site, aux objectifs de traitement et à la capacité des collectivités, et que les plans les plus courants pour les petites collectivités comprennent les milieux humides construits, les milieux humides flottants et les bandes filtrantes végétales.

Zones humides construites

Les milieux humides construits sont conçus pour reproduire les processus naturels des milieux humides dans un environnement contrôlé. Ils se présentent en deux configurations principales : la surface d'eau libre (FWS) et le débit souterrain (SSF).

  • Les terres humides de surface d'eau libre:[ L'eau coule au-dessus du sol dans des bassins peu profonds plantés de végétation émergente.Ces systèmes sont relativement peu coûteux et fournissent un habitat, mais ils peuvent attirer les moustiques et nécessiter plus de terres.
  • Les milieux humides sous-jacents: L'eau traverse un milieu poreux (grave ou sable) sous la surface du sol, avec des plantes enracinées dans les milieux. Cette conception réduit les problèmes d'odeur et de moustiques et offre une meilleure isolation dans les climats froids.

Pour les petites collectivités qui traitent les eaux usées domestiques ou les eaux pluviales, une zone humide en deux étapes (aérobie suivie d'anaérobie) peut atteindre des taux d'élimination de l'azote de 60 à 85 % et une élimination du phosphore de 40 à 70 % avec un entretien adéquat.

Traitement flottant Terres humides

Les zones humides de traitement flottant (FTW) sont constituées d'un tapis flottant avec fentes pour planter des espèces de terres humides émergentes. Le tapis flotte à la surface de l'eau, permettant aux racines de s'allonger directement dans la colonne d'eau. Les FTW sont particulièrement utiles pour rénover les étangs ou les lagunes existants sans égoutter l'eau. Ils peuvent réduire significativement les concentrations de nutriments tout en fournissant de l'ombre qui contrôle les algues.

Bandes de filtres végétatives

Il s'agit de bandes de végétation densément plantées (herbes, arbustes ou arbres) placées le long des bords des cours d'eau ou des zones de drainage. Elles sont les meilleures pour intercepter la pollution non ponctuelle par les sources de ruissellement agricole ou urbain. Les plantes ralentissent le débit d'eau, permettant aux sédiments et aux nutriments attachés de se déposer, tandis que les racines absorbent les nutriments dissous.

Performance et efficacité

L'efficacité d'élimination des systèmes phytorémédiés dépend de plusieurs facteurs : les espèces végétales, les taux de charge, le temps de rétention hydraulique, la température et les concentrations de nutriments de fond.

  • Désorption totale d'azote:[ 60–85 % pour les zones humides construites; 40–70 % pour les zones humides flottantes; 30–50 % pour les bandes filtrantes.
  • Enlèvement total du phosphore: 40 à 70 % par absorption de la plante et fixation des sédiments; enlèvement plus élevé si la récolte est régulière.
  • Réduction de la demande d'oxygène biochimique (DBO):[ 70 à 90 % dans les milieux humides construits, comparable au traitement secondaire.

L'enlèvement de l'azote est principalement dû à la dénitrification microbienne dans la zone racinaire, tandis que l'enlèvement du phosphore dépend de l'absorption des plantes et de l'adsorption du sol. La récolte de biomasse hors sol est la seule façon d'enlever définitivement le phosphore du système; autrement, il peut recycler lorsque le matériel végétal se désintègre.

Les températures froides ralentissent l'activité biologique, réduisant ainsi les performances en hiver. Cependant, les milieux humides sous-marins et les tapis flottants isolés peuvent maintenir un retrait raisonnable pendant les mois de froid.

Entretien et exploitation à long terme

Les systèmes de phytorestauration sont généralement peu entretenus par rapport aux usines de traitement mécanique, mais ils ne sont pas sans entretien.

  • Désorption :[ Enlever périodiquement la biomasse végétale pour empêcher la libération de nutriments de matières en décomposition.La fréquence dépend du taux de croissance – deux fois par année pour la plupart des milieux humides tempérés, chaque mois pour les aquatiques à croissance rapide comme l'algue.
  • Contrôle des mauvaises herbes:[ Gérer les espèces envahissantes qui pourraient surpasser les plantes désirées ou les voies de circulation des cailloux.
  • Gestion des sédiments:[ Au fil du temps, les sédiments accumulés peuvent réduire le volume efficace.
  • Surveillance:[ Échantillonnage régulier des écoulements et des sorties d'azote, de phosphore, d'oxygène dissous et de pH. Au minimum, des échantillons mensuels de prélèvement pendant la saison de croissance; des capteurs en temps réel peuvent fournir un avertissement précoce du stress du système.
  • Repair:[ Fixation de l'érosion des bermes, remplacement des revêtements endommagés et replantation de la végétation morte après des temps violents.

Avec un opérateur bien formé (souvent un résident local ou un personnel municipal) et une simple procédure d'exploitation standard, une petite collectivité peut gérer ces tâches sans entrepreneurs extérieurs.

Avantages économiques et environnementaux

Les coûts d'investissement d'une zone humide construite peuvent être inférieurs de 50 à 70 % à ceux d'une installation mécanique de même capacité, et les coûts d'exploitation (principalement la main-d'oeuvre pour la récolte et la surveillance) peuvent être inférieurs de 80 à 90 % parce qu'il n'y a pas d'aération à forte intensité énergétique ni de dosage chimique.

Au-delà des facteurs économiques, ces systèmes offrent des avantages environnementaux importants :

  • Séquestration du carbone:[ Les plantes des zones humides capturent le CO2 atmosphérique et le stockent dans la biomasse et les sédiments. Une zone humide construite à un hectare peut séquestrer 2 à 5 tonnes métriques de carbone par année.
  • Habitat de biodiversité: Les zones humides attirent les oiseaux, les amphibiens, les insectes et la vie aquatique, créant un écosystème miniature qui améliore la biodiversité locale.
  • Le contrôle des flots :[ Les zones humides et les bandes tampons absorbent le ruissellement des eaux pluviales, réduisant les débits de pointe et atténuant le risque d'inondation en aval.
  • Valeur esthétique:[ Les espaces verts avec des sentiers de randonnée et des plates-formes de visionnement peuvent devenir des atouts communautaires qui augmentent la valeur des propriétés et la qualité de vie.

Ces multiples avantages font de la phytorestauration un candidat fort pour les collectivités qui poursuivent des objectifs de durabilité ou qui cherchent à obtenir des subventions auprès d'organismes environnementaux.

Défis et limites

Malgré sa promesse, la phytorestauration n'est pas une panacée. Les principaux défis à relever sont les suivants :

  • Exigences relatives à la superficie : Les terres humides nécessitent beaucoup plus de terres que les usines mécaniques.Pour un débit de 100 000 gallons par jour, une zone humide construite peut nécessiter de 1 à 3 hectares (2,5 à 7,5 acres).
  • Variabilité de la saison:[ Les taux métaboliques des plantes et la baisse de l'activité microbienne par temps froid, entraînant une baisse de la performance.
  • Temps de démarrage: Les plantes ont besoin de temps pour établir des systèmes racinaires matures, généralement une à trois saisons de croissance.
  • Limitations du phosphore :[ Contrairement à l'azote, l'enlèvement du phosphore est essentiellement basé sur le stockage.Sans récolte régulière, la saturation du phosphore se produit et les taux d'enlèvement diminuent.Dans les systèmes où la récolte est peu pratique (p. ex., les milieux humides mal accessibles), l'enlèvement du phosphore peut être insuffisant.
  • Penssion et sécurité du public:[ L'eau debout peut soulever des préoccupations au sujet des moustiques, des odeurs et de la sécurité pour les enfants.
  • Acceptation réglementaire:[ Certains organismes de réglementation se méfient toujours de la phytorestauration pour le traitement direct des eaux usées domestiques, nécessitant une désinfection ou un polissage supplémentaires avant le rejet.

Études de cas et conseils pratiques

Dans la ville de Maysville, en Iowa (population ~200 habitants), une zone humide de surface d'eau libre plantée de queues de chat et de broussailles traite 30 000 gallons par jour d'eaux usées municipales. Après une période de deux ans d'établissement, le système permet d'éliminer l'azote à 75 % et le phosphore à 65 %, ce qui permet de respecter les limites de rejets de l'État.

En Thaïlande, des zones humides de traitement flottantes utilisant de la jacinthe d'eau et de l'herbe vétive ont été déployées dans des étangs de village pour traiter les eaux grises des ménages. Ces systèmes à faible coût réduisent les niveaux d'éléments nutritifs de 50 à 80 % en deux semaines et peuvent être construits à partir de matériaux disponibles localement.

Pour ceux qui envisagent de mettre en œuvre les pratiques exemplaires suivantes sont recommandées :

  • Effectuer une évaluation approfondie du site, y compris l'hydrologie, le type de sol, le climat et l'espace disponible.
  • Mobiliser rapidement les intervenants locaux pour répondre aux préoccupations et renforcer le soutien.
  • Commencez par un système pilote pour tester les espèces végétales et les taux de chargement avant la construction à grande échelle.
  • Conception pour les situations d'urgence – inclure les capacités de contournement pour les tempêtes et l'entreposage hivernal au besoin.
  • Partenaire d'un service de vulgarisation universitaire ou d'une firme d'ingénierie réputée ayant une expérience en phytorémédiation.

Conclusion

En exploitant la puissance naturelle des plantes et de leurs microbes, ces systèmes peuvent atteindre des niveaux de traitement qui protègent la qualité de l'eau tout en améliorant les écosystèmes locaux. Aucune technologie n'est sans inconvénients et la phyto-médiation exige une conception réfléchie, une patience pendant l'établissement et un entretien continu. Pourtant, pour les communautés qui ont la terre et l'engagement, le bénéfice est une solution de traitement de l'eau résistante, à faible énergie et belle qui s'intègre parfaitement au paysage.

Pour plus d'informations sur la spécification et la conception de ces systèmes, consultez les lignes directrices de l'EPA sur les zones humides construites[ et Environnement aquatique & Fondation pour la réutilisation (WERF)[ sur les systèmes de traitement naturels. Des conseils techniques supplémentaires sont disponibles auprès du USDA Natural Resources Conservation Service[ pour les bandes de filtres végétalisées, et du UNEP pour les applications tropicales.