Utilisation des plantes aquatiques enracinées pour le traitement des eaux usées urbaines : cas du roseau The use of rooted aquatic plants for urban wastewater treatment: case of Arundo donax

Résumé

La présente étude consiste à tester les potentialités d'un hélophyte : le roseau (Arundo donax) à épurer une eau usée urbaine sous un climat aride.

Le pilote expérimental est constitué de bacs de 115 litres de capacité, remplis sur une épaisseur de 5 cm de gravier et de 30 cm de sol (texture : limono-argilo-sableuse). Deux bacs sont plantés de jeunes tiges de roseaux. Deux autres bacs non plantés sont pris comme témoins. L'alimentation du système se fait exclusivement par des eaux usées urbaines en bâchées de 25 litres/jour et ce avec une fréquence régulière d'une fois par semaine. L'écoulement se fait par translation verticale à travers le substrat. L'eau de percolation est récupérée au moyen d'un drain placé à la base de chaque bac.

L'étude du fonctionnement hydrologique des pilotes testés, a montré que le débit moyen à la sortie du lit planté (254 ml/min) est cinq fois plus élevé par rapport au lit non planté (51 ml/min). Ce qui permet soit de traiter un volume d'eau usée plus important ou bien de réduire la superficie nécessaire par équivalent habitant. En plus, il apparaît que la présence du roseau aide d'une part à prévenir le colmatage qui est un problème fréquent dans le sol non planté et d'autre part de maintenir une porosité suffisante pour assurer la percolation des eaux en traitement.

Le suivi des performances épuratoires du système à roseau montre que ce dernier assure une élimination importante de la charge organique (MES : 91%, DCO : 72%). Il fournit des eaux épurées claires et limpides. Ces résultats sont comparables à ceux du sol non planté. La réduction de NTK est de l'ordre de 53% pour le lit planté contre 41% pour le sol nu. En général, le lit planté est plus efficace dans l'élimination de l'azote. Concernant l'élimination des ions ammoniums, le taux d'abattement moyen pour le lit planté est de 24%. Le sol non planté présente une surcharge de l'effluent à la sortie en ammonium (-17%). Le phosphore total et les orthophosphates subissent globalement un faible abattement avec des phases de relargage et d'autres d'abattement. L'abattement moyen obtenu par le système planté ne dépasse pas 28% et 10% respectivement pour le PT et les PO₄. Dans le système non planté, il se produit un relargage de phosphore qui se maintient sur une longue période durant la 1ère année et qui se répète également en 2ème année de fonctionnement avec une intensité moins importante. L'abattement moyen obtenu est de -8% et -33% respectivement pour le PT et les PO₄.

En tenant compte des pertes d'eau par évapotranspiration, la correction effectuée a montré une nette amélioration des performances épuratoires surtout pour le sol planté où les pertes de volume sont considérables. Dans ce cas l'abattement moyen obtenu pour le lit planté est de 68%, 48%, 52% et 39% respectivement pour NTK, NH₄, PT et PO₄. Pour le sol non planté, les abattements sont plus faibles (NTK : 51%, NH4 : 3%, PT : 12%, PO₄ : -8%).

La présence du roseau dans le système planté assure donc une nette amélioration de l'abattement de la charge organique et des nutriments par rapport au sol nu. Cette amélioration est faible (3 à 7%) pour la DCO et les MES, par contre pour les nutriments, elle est beaucoup plus importante (17 à 48%).

Concernant la charge parasitaire, les deux systèmes planté et non planté, assurent une élimination totale des œufs d'helminthes parasites. Pour les kystes de protozoaires, le système planté assure une réduction de 99,8%. Avec l'épaisseur du substrat testée, les risques de détecter des kystes de protozoaires à la sortie des systèmes plantés est à appréhender. Selon la norme de l'OMS, l'effluent de sortie du système est classé en catégorie B.

Le roseau produit une biomasse importante qui atteint 176,5 tonnes/ha. La biomasse aérienne facilement éliminée par faucardage est de 85,3 T/ha. Le taux d'azote et de phosphore exporté avec cette biomasse atteint 98,54 et 4,15 g/m² respectivement. Ces taux retenus au niveau des parties aériennes représentent 12% de la charge reçue par le système en azote et 3% de la charge reçue en phosphore.

Abstract

Aquatic plant - based system is increasing popular alternatives for treatment of various types of wastewater. Conventional wastewater treatment requires large capital investments and consumes large amounts of energy. While, aquatic plants are a simple and energy efficient means of removing some nitrogen and phosphorus quantities and other pollutants from wastewater. The present study consists of testing the efficiency of an helophyte Arundo donax to treat urban effluent under an arid climate and to assess the suitability of the treated effluent for irrigation purposes.

The experiment was conducted from August 1994 to September 1996. Fourth plots (capacity : 115 liters, diameter : 57 cm) were filled to depth of 5 cm and 30 cm with respectively gravel and soil (texture : 30% clay, 34% silt and 36% sand). Two plots were planted with reeds. Young shoots were taken from local and natural reed stand, cleaned, weighed and transplanted in August 1994 at a rate of 34 shoots/m². Two unplanted plots served as a control. The soil used has sustained the spreading of wastewater fore more than 60 years. It was an organic soil with a pH near neutrality. Alimentation was exclusively done by urban raw effluent with batch loads of 25 liters every 7 days. Water flowed vertically through the substratum.

In order to investigate the capacity of the systems for organic loads, phosphorus and nitrogen removal, the concentration in the inflow and outflow of each plots was determined over the whole period of experiment. At the end of experiment, the reeds biomass and nutrients analysis in plant material and soil were evaluated.

The control of system hydrology indicate that the retention time of planted system was very short. It varied between few hours to only few minutes in Summer. The unplanted system become completely clogged in Winter. So, the presence of Arundo donax in planted system maintained sufficient porosity in order to allow water pollution for treatment and to prevent the clogging which was a problem in the unplanted one.

Over the whole experimental period, results revealed significant performances of reed beds for organic load reduction. The mean elimination rates were 90% for TSS and 70% for COD. The TSS and COD elimination performance of unplanted soil was only little lower (TSS: 83% and COD: 90%). Removal of TSS and COD for the two systems, planted and unplanted, didn't varied significantly from season to another (p<0.05). TSS and COD elimination were almost entirely due to physical processes (filtration and sedimentation) associated to microbial community and the presence of reeds.

The nutrients reed bed removal efficiencies were relatively low (total phosphorus : 28%, orthophosphates : 10% and ammonium : 24%). The system was more efficient in removing NTK (53%). The unplanted soil carried away an overloading of effluent in phosphorus and ammonium particularly in Winter. The treatment could be improved if we took into account the evaporation and evapotranspiration phenomena in each systems. The planted bed appeared to reduce more phosphorus (TP : 52% and PO4 : 39%) and nitrogen (NTK : 68% and NH4 : 48%). The unplanted soil removed 12%, -8%, 3% and 51% respectively for TP, PO₄, NTK and NH₄.

The results showed that the presence of reeds can indeed improve the removal efficiencies in planted plots than the unplanted one. This amelioration was about 17 to 47% for nutrients and only 3 to 7% for organic loads.

Concerning parasitical load, there are several helminthic parasites that occur in wastewater. Two types of helminth eggs were recovered from the sample tested : Nematodes (Ascaris, Trichuris) and Cestodes (Hymenolepis, Taenia). Hymenolepis eggs alone represented 50% of the total number of helminthic eggs. For protozoa, the most important found in the inflow were the protozoan Entamœba and Giardia. The parasitical load presented an important temporal fluctuation at the influent with concentrations varying from 0 to 13 eggs/l and 55 to 1903 cysts/l respectively for helminthic eggs of protozoal cysts. In contrast, helminth eggs were never found at the outflow of planted and unplanted systems. On the other hand, except of the fourth occasions where protozoal cysts were found at the outflow of planted system, the effluents of all the systems generally were exempt of protozoal cysts. The protozoal reed bed removal efficiencies was about 99,8%. So, it will be necessary to increase the filter depth in order to prevent this problem. According to WHO guidelines (1989) for crops irrigation, the quality of effluent should be classified within category B which could be reused for irrigation of cereal crops, follder and trees.

On the other hand, conductivity, sodium and chlorides content increased in planted system more than the unplanted one when the effluent flowed through the substratum. So, when we compared the quality of treated water with FAO guidelines (relating to physico-chemical water quality designed for irrigation) it appeared that the risk of salinity must be taken into consideration. It is recommended that treated wastewater must be used in irrigation with caution and restriction on the type of crop planted. However, treated wastewater contains sufficient nutrients to reduce the need for other fertilization. The use of effluent in irrigation has, therefore, a positive economic impact.

Arundo donax presented a good resistance to irrigation with raw wastewater and it seems to be adapted to the soil rich in nutrients in which it was implanted. The reed above ground biomass produced was estimated at 85,3 tonnes dry weight.ha^-1. It represented 50% of total biomass of reed. Nitrogen and phosphorus removed by the aerial parts were respectively about: 985,47 and 41,51 Kg.ha^-1. This amount account for about 12% of nitrogen and 3% phosphorus with regard to their load at the influent. Plant harvest once a year may be necessary to achieve definitive removal of nutrients incorporated in plant tissue.