Les zones de rejet végétalisées de grande taille : observation et modélisation

Large constructed wetlands at the outlet of WWTP : monitoring and modeling

• Auteur / Autrice : Nicolas Maurice
• Direction : Marie-Noëlle Pons, Nouceiba Adouani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 13/07/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Alain Geffard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Noëlle Pons, Nouceiba Adouani, Christophe Dagot, Jean-Marc Choubert, Sylvie Dousset
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Dagot, Jean-Marc Choubert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau -- Épuration -- Traitement biologique

Pollution de l'eau

Zones humides artificielles

Zones de rejet végétalisées

Écologie des eaux

Mots clés libres

Zone de rejet végétalisée

Traitement de l'eau

Modèle conceptuel

Microorganismes

Faune sauvage

Plantes aquatiques

Constructed wetland

Water treatment

Conceptual model

Microorganisms

Wide life

Aquatic plants

Résumé

Malgré la réglementation, la pollution anthropique (azote, phosphore, éléments-traces métalliques (ETM), produits pharmaceutiques, coliformes fécaux, etc.) liée aux rejets urbains (stations de traitement des eaux urbaines (STEU) et rejets urbains par temps de pluie (RUTP)) n'est pas négligeable car elle fragilise les écosystèmes aquatiques et peut nuire à la santé humaine. Pour améliorer cette situation, la quantité de polluants se trouvant dans les eaux usées traitées ou de ruissellement urbain doit être amoindrie. Les zones humides sont des merveilles de la nature et sont souvent qualifiées de rein de la Terre du fait de leurs facultés à filtrer les polluants ; elles seraient donc de bonnes candidates pour épurer ces eaux urbaines. Malheureusement, elles sont en fort déclin depuis quelques siècles (13 % des zones humides du 17ème siècle persistaient au début du 21ème siècle). C'est pourquoi en 2011 est né le projet AZHUREV (Aménagement d'une Zone Humide à Reims pour l'Épuration et le Vivant). Ce projet a permis la construction d'une zone humide artificielle (ZHA) ou zone de rejet végétalisée (ZRV) de grande taille (6 ha) (mise en eau en 2017) à la sortie de la STEU du Grand Reims (capacité de 470000 équivalents habitants). Elle est composée de trois bassins de 2 ha alimentés en parallèle, par une partie des effluents de la STEU (10 %), ou des RUTP (25 %) lors d'événements pluvieux, pour améliorer la qualité de ces eaux avant leur rejet dans l'environnement. Initialement ce qui différenciait ces bassins étaient la quantité et le type de végétaux émergés plantés (Phragmites australis, Glyceria maxima, Scirpus lacustris). Dorénavant ce n'est plus le cas car la proportion de végétaux plantés a drastiquement diminué, P. australis étant la seule espèce toujours présente, au profit d'espèces opportunistes (submergées ou flottantes). Ces bassins ont la capacité de réduire la concentration de nombreux composés via différents processus tels que l'oxydation/réduction (azote, ETM), la précipitation/coprécipitation avec les carbonates et le sulfure d'hydrogène (ETM), la biodégradation (produits pharmaceutiques), la photolyse (produits pharmaceutiques, coliformes fécaux) l'adsorption sur les sédiments (ETM et produits pharmaceutiques) ou encore l'assimilation des végétaux (azote et phosphore). La plupart de ces mécanismes sont dépendants à la fois des bactéries et des végétaux aquatiques. De ce fait la capacité d'épuration des bassins est supérieure en été grâce aux températures élevées et aux jours plus longs. L'activité bactérienne a un effet direct sur les polluants et les genres bactériens retrouvés à la sortie de la ZRV font partie du cycle de l'azote, du soufre et du carbone. L'effet des végétaux est quant à lui indirect en promouvant le développement bactérien (source de carbone et d'énergie, support pour le biofilm) et en apportant de la matière organique dans les sédiments lors de la sénescence (site d'adsorption pour les polluants). Ces végétaux sont aussi une source de nourriture, une zone d'habitat et/ou de nidification pour de nombreux animaux sauvages qu'ils soient considérés comme « nuisibles » (rat musqué ou ragondin) ou non (cygne, foulque, canard, grèbe, grenouille, libellule, demoiselle, gammare, limnée, etc.). L'intérêt environnemental de cette ZRV est double, car elle améliore la qualité des eaux urbaines avant leur rejet dans le milieu récepteur tout en fournissant le gîte et le couvert pour de nombreuses espèces animales dépendantes de ce type de milieu. L'interconnexion des multiples variables mesurées a été retranscrite sous la forme d'un modèle conceptuel. Ces résultats sont encourageants pour une éventuelle extension de la ZRV.

Despite regulations, the anthropic pollution (nitrogen, phosphorus, trace elements (TE), pharmaceuticals, faecal coliforms, etc.) related to urban wastewater (wastewater treatment plant (WWTP) and urban stormwater runoff (USR)) is not negligible because it weakens aquatic ecosystems and it can be harmful for human health. In order to minimize its impact, the amount of pollutants must be reduced. Wetlands are wonders of nature and are often describe as Earth's kidney due to their capacity to filter pollutants, so they would be interesting candidates. Unfortunately, they have been in decline for several centuries (13 % of 17th century wetlands still remain at the beginning of the 21th century. This is why in 2011 the AZHUREV project (Aménagement d'une Zone Humide à Reims pour l'Épuration et le Vivant) was born. This project allowed the implementation of a large scale (6 ha) surface-flow constructed wetland (CW) (first water supply in 2017) at the outlet of the Grand Reims WWTP (capacity of 450,000 population equivalents). It is composed of three basins of 2 ha fed in parallel, by part of the effluents of the WWTP (10%), or by the USR (25 %) during rainy events, to improve the quality of these waters before their discharge into the environment. Initially these basins were different because of the quantity and type of emergent vegetation planted (Phragmites australis, Glyceria maxima, Scirpus lacustris). Today, there is no more difference because the proportion of planted plants has drastically decreased, P. australis being the only species still present, to the benefit of opportunistic species (submerged or floating). These basins were able to reduce the concentration of many compounds through various processes, oxidation/reduction (nitrogen, TE), precipitation/coprecipitation with carbonates and hydrogen sulphide (TE), biodegradation or photodegradation (pharmaceuticals, faecal coliforms), adsorption to sediments (TE and pharmaceuticals), or uptake by plants (nitrogen and phosphorus). Bacteria and aquatic plants are responsible for most of these mechanisms. Thus, the basins are better able to remove pollutants in summer due to the higher temperatures and longer days. Bacterial activity has a direct effect on pollutants and the bacterial genera found at the outlet of the CW take part in the nitrogen, sulphur and carbon cycles. Whereas the effect of plants is more indirect by promoting bacterial development (source of carbon and energy, support for the biofilm) and by bringing organic matter (adsorption site for pollutants) into the sediment during senescence. These plants are also a source of food (submerged or floating plants), a habitat and/or nesting area (emergent plants) for many wild animals, whether they are considered ''harmful'' (muskrat or coypu) or not (swan, coot, duck, grebe, frog, dragonfly, damselfly, gammarid, snail, etc.). Therefore, this CW offers two advantages: it improves the quality of urban water before it is discharged into the receiving environment and it provides food and shelter for many animal species that depend on this type of environment. The interconnection of the multiple variables measured has been transcribed into a conceptual model. These results are encouraging for a possible extension of the CW.