Phyto-Purification of Wastewater

Tutorial de avatarLow-tech Lab | Categories : Housing, Water

Introduction

The purpose of water sanitation is to transform water that has been polluted by human activity (domestic, agricultural, industrial) into water that can be assimilated into the natural environment. There are numerous water sanitation solutions in existence on a collective scale* [especially in France] as individual solutions, declared autonomous. All of these are based on bacteriological activity to clean up contaminated water. Likewise, each system, at its output, returns the water to the natural environment by infiltration or by leach field. The output of this water sanitation is not potable. It is highly rich in minerals that the sun and plants may assimilate, comparable to a fertilizer. Returning it to the aquatic environment is prohibited, excepting cases in which infiltration or leaching is not possible [translator note: depending on your country]. As the aquatic environment is more sensitive than the soil, the input of nutrient-laden water involves a high risk of disrupting the natural environment, going as far as asphyxiation or eutrophication.

Types of pollution and sanitation

Water pollution is grouped into four families:

  • Organic pollution (carbon, nitrogen, phosphorus) mainly comes from substances of biological origin (excrement, urine, manure, slurry, etc.). These particles are oxidizable, that is to say, that in the presence of oxygen, bacteria are able to degrade them and transform them into minerals.
  • Microbiological pollution is linked to organic pollution. Full of excrement, wastewater is rich in pathogenic microorganisms: viruses, bacteria, etc. which are harmful to health and the environment. High bacterial competition inhibits the development and proliferation of these parasites.
  • Chemical pollution is comprised of all the major pollutants resulting from human activity such as medicines, pesticides, hydrocarbons, metals and heavy metals. These chemicals are dangerous for the environment which they pollute lastingly by their high toxicity and low biodegradability. Current sanitation systems (collective or not) are very inefficient in the face of this complex and varied pollution. Pollutants therefore end up in the natural environment and are bio-accumulated. In this way, they move up the food chain and increase their concentration at each new level.
  • Suspended solids (SS) are insoluble solid particles. In the long term, they lead to filtration systems clogging.

Phyto-purification - Planted Filters

Like all the other sanitation systems (water treatment plants, septic systems, and other septic-based systems...) phyto-purification is based on the principle of separating solids from liquids as well as the bacteriological degradation of particles. Phyto-purification (or planted filters) is based on three actors:

- Bacteria. It degrades the organic particles to render them assimilable to the natural environment.

- The substrate, comprised of gravel or aggregate, creates a habitat for the bacteria, which settle upon the surface of each material. It plays an equally important role for the root systems of the plants. With a granule size going from finer to coarser, the substrate is also a filter, permitting the passage of water while blocking the bigger materials.

- The plants, with the development of their roots and the movement of of their overground parts, clean the filter which, contrary to all the other solutions, self-maintains it.

Benefits and drawbacks of Phyto-purification

Phyto-purification is an effective solution for the quality of wastewater sanitation. Contrary to the other systems, a plant-based filter consumes no electrical energy (mixing, foaming, pump...) and requires no complex maintenance such as draining sludge and directing it to a treatment place. Self-sufficient energetically and logistically, phyto-purification is the most ecological solution for wastewater sanitation.

Phyto-purification is an extensive solution which takes up the space (more space than a compact filter, but less space than a sand filter) of between 2 and 4m²/population equivalent (PE). The filters are sized by the accommodation capacity of the housing, not by the number of inhabitants, with one main room = 1 PE. For example, a house with 3 bedrooms, 1 kitchen-dining room, and 1 living room has 5 main rooms. The sanitation system must then have a capacity of 5 PE. Individual sanitation being means-based and not end-based would require, at minimum, 10m² of planted filters.

Filters that are installed in such a way, via the diversity of the filtering plants, play an aesthetic role in gardens. In addition, they replicate wetlands, a necessary element in the development of natural life. Numerous helpers (insects, birds, amphibeans...) return--it's a great path toward biodiversity. Phyto-purification is different from lagoon-based systems in that there is no water on the surface of the filters, but instead gravel--there is therefore no risk of the proliferation of mosquitos.

However, the installation of planted filters remains a greater investment than that of a conventional solution (For 5 PE: approximately 10,000 € for planted filters, versus 7,000 € for an all-water septic system). The system becomes profitable at around 15 years, as it demands neither management by a professional workforce, nor tank drainage (there is no tank), nor energy (apart from cases requiring a sewage pump station for powering the filters, but this costs only a few euros per year where necessary).

If your housing is part of collective or public sanitation (all to the sewer), you cannot run an autonomous sanitation system. But don't lose hope, phyto-purification is the dominant sanitation system in France for towns of less than 1000 inhabitants. Your wastewater may already be in the roots of plants!

Building your own and Approvals

To limit pollution in the natural environment, sanitation systems are subject to regulation. A performance requirement is requested by the sanitation collective (>20 PE). Individual sanitation must meet an obligation of means.

Individual phyto-purification must therefore be approved to be set up, which is to say, if one wishes to go ahead with planted filters at their home, it is necessary to commission a study and an installation by a company that is protected by the system and has received a ministerial approval.

En France, le service public d'assainissement non collectif (SPANC) est chargé du contrôle de tous les systèmes d'assainissement des eaux usées domestiques des habitations non raccordées au réseau d'assainissement collectif.

Il n’empêche que l’autoconstruction est possible en faisant appel à un accompagnateur agréé qui fera l’étude des sols, le dimensionnement, fournira les matériaux et les bons conseils nécessaires à une réalisation durable et performante. L’autoconstruction permet une économie de 30% minimum sur le système global et d’aller plus loin dans la maitrise et la connaissance de son habitat.

Le système présenté a été réalisé avec Kévin Quentric, accompagnateur à l’autoconstruction affilié au réseau Aquatiris. Ce tutoriel retrace les grandes étapes d’une installation, il permet d’évaluer la capacité d’autoconstruction et l’intérêt des filtres plantés. Pour passer à l’acte dans le respect de la loi Française il faudra se rapprocher d’une entreprise dons les solutions sont agréées.

===== Retrouvez dans ce rapport https://lowtechlab.org/assets/files/rapport-experimentation-habitat-low-tech-low-tech-lab.pdf une analyse à l'usage de ce système de phytoépuration, ainsi que des 11 autres low-techs expérimentées lors du projet En Quête d'un Habitat Durable. =====

Video overview

Materials

  • Gravier (granulométrie 12/20 ou 20/40mm)
  • Gravillons (granulométrie 4/8, 4/12 ou 6/10 mm)
  • Sable siliceux lavé (granulométrie 0/4 mm)
  • Géotextile anti-poinçonnant
  • Bâche EPDM
  • Tuyaux PVC
  • 2 raccords T PVC
  • Drains
  • Colle PVC
  • Deux regards
  • Deux vannes
  • Deux passe-parois

Tools

  • Quelques pelles et de bons amis ou une pelleteuse
  • Pelle
  • Pioche
  • Râteau
  • Niveau
  • Scie
  • Cutter
  • Perceuse-visseuse

Step 1 - Dimensionnement des filtres

Il existe de nombreuses solutions d’épuration par filtres plantés, le filtre proposé dans ce tutoriel est la solution la plus utilisée en assainissement collectif déclinée en « format individuel ». Il est composé de deux filtres ayant des rôles différents : un filtre vertical puis un filtre horizontal.

Filtre vertical

Le filtre à écoulement vertical (FV) reçoit les eaux usées chargées, il est constitué de deux lits en parallèle utilisés tour à tour. Le sable en surface du filtre permet de laisser passer l’eau en bloquant les grosses particules. L’alternance de lits d’une semaine à l’autre permet au matière de composter en surface du filtre.

L’eau percole à travers les graviers et est collectée par un drain en bas du filtre, elle passe de 4 à 8 heures dans cette première étape. Le milieu n’est pas noyé dans l’eau il est donc riche en oxygène ce qui stimule l’activité bactérienne aérobie nécessaire à la minéralisation des particules organiques. La minéralisation est une suite de réactions chimiques complexes basée sur le principe d’oxydation des composés organiques. Cette minéralisation permet de transformer un élément non assimilable par une plante à un élément assimilable. La simplification des réactions ressemble à Norg => NH4+ => NO2- => NO3-.

Le filtre verticale fait 60 à 80 cm de profondeur et a une superficie de 2m²/EH.

Filtre horizontal

Le filtre à écoulement horizontal (FH) récupère les eaux usées filtrées à la suite du filtre verticale. Le filtre horizontal travaille « en charge » c’est-à-dire que le substrat est quasi saturé d’eau en permanence. En absence d’oxygène se sont des bactéries anaérobiques qui vont dénitrifier l’eau : elles prélèvent l’oxygène dont elles ont besoin sur les molécules de nitrates qui vont se transformer en diazote : N03- => N2O => N2.

Le filtre à écoulement horizontal mesure 2m²/EH pour une profondeur de 60cm.

Pour que l’assainissement soit entièrement autonome et qu’il ne consomme pas d’énergie nous utiliserons la gravité pour alimenter les deux filtres. Il faut donc que le haut du filtre vertical soit plus bas que le point de collecte des eaux usées de la maison. De même le haut du filtre horizontal doit être plus bas que le fond du filtre vertical. L’installation sera donc probablement sur la partie basse du jardin. Si cela n’est pas possible car le terrain est plat il faut installer une pompe de relevage entre le point de collecte et le filtre vertical, ce dernier sera hors sol, le filtre horizontal quant à lui est enterré.

Les filtres doivent être installés à plus de 3 mètres d’arbres, leurs racines risqueraient de percer les membranes d’étanchéité.


Step 2 - FV - Fouille

En fonction de la disposition du terrain

  • Creuser ou maçonner ou réaliser en bois la structure du filtre vertical de 90cm X 2m X nombre d’équivalent-habitant en mètre.
  • Ensabler légèrement pour avoir un fond plat et une pente légère (≈1%) en direction du deuxième filtre
  • Pour les constructions enterrées, poser une barrière anti-racines

Step 3 - FV - Plomberie

  • Installer un regard en haut du filtre pour l’arrivée des eaux usées chargées
  • Dans ce regard installer une vanne 3 voies pour la répartition des eaux entre les 2 lits.
  • Installer un regard en bas du filtre qui récupère les eaux drainées.




Step 4 - FV - Etanchéité

  • Poser un géotextile
  • Poser une membrane EPDM qui fera l’étanchéité
  • Poser un géotextile
  • Installer un passe* paroi sur la membrane EPDM dans le bas du filtre



Step 5 - FV - Drainage

  • Poser un drain fente vers le bas dans le bas du filtre avec un T vers le passe paroi.
  • Installer une cheminée d’aération du côté haut du drain et un bouchon de l’autre.
  • Remplir de gravier (granulométrie 10/20 mm) sur 20 cm
  • Séparer les deux lits en mettant une séparation en béton de 60 cm de haut sur toute la largeur
  • Remplir de gravillons (granulométrie 4/8 mm) sur 30 cm
  • Remplir de sable siliceux lavé (granulométrie 0/2 mm) sur 10 cm
  • Installer les tuyaux d’alimentation en sortie de la vanne 3 voies, un pour chaque lit
  • Sous la sortie des tuyaux d’alimentations, poser une pierre, une tuile, pour éviter que l’arrivée des eaux usées ne creusent le substrat.

Step 6 - FV - Plantation

Les plantes présentent dans le filtre vertical doivent être très rustiques en résistant à de grands écarts de température entre l’été et l’hiver, aux variations entre les phases d’inondation et de repos ainsi qu’au contact avec les eaux chargées en matière organique.

Le roseau commun (phragmites communis), à ne pas confondre avec la massette, est la plante la plus communément utilisée en filtre vertical. La densité de plantation est de 6 plants/m².

 On peut également planter des Açores odorant, Populage des marais, Pontédérie à feuilles en cœur, Véronique des ruisseaux, Scirpe lacustre, Massettes à large feuille.



Step 7 - FH - Fouille

Le haut du filtre horizontal devant être plus bas que le fond du filtre vertical, ce filtre est creusé.

  • Creuser le filtre horizontal de 60cm X 2m X nombre d’équivalent* habitant en mètre.
  • Ensabler légèrement pour avoir un fond plat et une pente légère (≈1%) vers la zone d’infiltration

Step 8 - FH - Plomberie

  • Installer un regard en bas du filtre qui récupère les eaux drainées.
  • Installer dans le regard un système de mise en charge (trop-plein) pour garder le bassin en eau. Le niveau de l’eau doit arriver quelques centimètres plus bas que les gravillons. Il faut creuser les graviers pour avoir accès à l’eau.




Step 9 - FH - Etanchéité

  • Poser un géotextile
  • Poser une membrane EPDM qui fera l’étanchéité
  • Poser un géotextile
  • Installer un passe-paroi sur la membrane EPDM dans le bas du filtre




Step 10 - FH - Drainage

  • Poser un drain fente vers le bas dans le bas du filtre avec un T vers le passe paroi.
  • Remplir de gravillons (granulométrie 4/8 mm) sur 40 cm

Step 11 - FH - Plantation

L’eau du filtre à écoulement horizontale a déjà été séparée des matières organiques, les plantes épuratoires peuvent donc un peu moins résistantes que les roseaux, tout en restant rustiques et adaptées au milieu aquatique. En général, on profite de ce filtre pour augmenter la biodiversité et introduire des plantes qui fleurissent à des périodes différentes de l’année. La densité de plantation est de 6 plants/m²

Les plantes suivantes sont intéressantes dans les filtres plantés :

  • Massette (Typha Latifolia)
  • Rubanier (Sparganium erectum)
  • Plantain d’eau (Alisma plantago)
  • Scirpe (Scirpus lacustris)
  • Menthe aquatique (Mentha aquatica)
  • Iris (Iris pseudocorus)
  • Salicaire ( Lythrum salicaria)




Step 12 - Exutoire

En sortie du filtre à écoulement horizontal l’eau est assimilable par le milieu naturel. La capacité d’absorption et de purification de l’eau par le sol est très importante dans sa couche superficielle : la terre végétale. L’objectif est que cette eau rejoigne doucement le milieu aquatique (nappe phréatique ou cours d’eau), l’infiltration doit donc être faite en surface.

  • Creuser une tranchée de 30 cm de profondeur sur quelques mètres de long en aval du filtre horizontal
  • Installer un drain relié à la sortie du filtre horizontal.
  • Remplir de gravier

Si le sol ne permet pas une infiltration car trop argileux ou compact, l’exutoire peut être un puits perdu ou directement dans un cours d’eau. Ces solutions restent toutefois à réaliser très occasionnellement et avec de grandes précautions car le milieu aquatique est particulièrement sensible aux perturbations générée par de l’apport d’eau concentrée en minéraux.




Step 13 - Entretien et usage

Un filtre planté ne demande que très peu d’entretien et, s’il en est, on l’appelle plus communément jardinage.

Pendant l’hiver la partie aérienne des plantes va se dessécher, ce qui n’empêche pas le bon fonctionnement du système racinaire et des bactéries associées. Pour l’esthétique et favoriser la reprise végétative il faut couper ces parties sèches au début du printemps : le faucardage. Ces matières sont idéales pour le compostage ou faire du mulch, autrefois le roseau servait également à couvrir le toit des chaumières.

Avec des toilettes à eau, les eaux usées sont beaucoup plus chargées en matières organiques qu’en filière toilettes sèches, où elles sont presque inexistantes. Cette matière va composter sur le filtre vertical et s’accumuler avec le temps. Tous les 10 à 20 ans il faut récupérer les quelques centimètres de matière organique stabilisée qui feront un très bon amendement pour le sol. Il est conseillé de faire subir un cycle de compostage supplémentaire à cette matière car elle est envahie par les rhizomes de roseau. La montée en température provoquée par la dégradation du fumier va détruire les germes.

Lors des premiers mois d’utilisation des filtres plantés, il est recommandé d’apporter du compost sur le filtre vertical, ce qui permet de lancer l’activité bactérienne et de dissimuler les « premiers voyageurs » dans la masse en compostage. Par la suite, les plantes masqueront entièrement l’arrivée des eaux usées chargées et aucune odeur ne percera le mur végétal.

Pour une bonne dépollution et éviter la fermentation il faut alterner l’usage des lits du filtre vertical d’une semaine à l’autre. Après chaque semaine d’utilisation, par le jeu de vannes, changer de lit de filtration.

Produits d’entretiens et toxicité phytosanitaire

L’assainissement par filtre planté encourage l’utilisation de produits plus respectueux de l’environnement et c’est une bonne chose. De nombreux produits simplifiés existent pour l’entretien de la maison et l’hygiène. Plus les molécules sont simples plus elles seront facilement dégradées par les bactéries. A l’inverse les produits complexes, « huit en un », sont extrêmement difficile à réduire et polluent l’environnement.

Que ce soit en assainissement collectif ou non, il est important de rappeler que l’évier ou la chasse d’eau ne sont pas les poubelles de l’habitat. Que ce soient les huiles usagées, les peinture, les solvants, les hydrocarbures, les médicaments, les produits d’entretien… tous comportent des risques important pour l’environnement car ils ne seront que peu ou pas pris en charge par le système d’assainissement, quel qu’il soit. Ces produits doivent être pris en charge spécifiquement en déchetterie au risque de les retrouver dans la nature. L’assainissement n’est pas une poubelle !

Step 14 - Toilettes sèches et phytoépuration

Les agréments ministériels ne dissocient pas la filière toilettes sèches de celle à eau. Les filtres seront donc des mêmes dimensions quel que soit le système de toilettes utilisé.

La forte concentration en matière organique des filières à toilettes à eau stimule l’activité bactérienne dans les filtres. Cette forte concentration en bactéries favorise la dépollution microbiologique et chimique des eaux usées. Avec une filière toilettes sèches le volume de matière organique dans les eaux sera ridicule. Pour compenser ce manque il est possible d’apporter du compost sur le filtre vertical de temps à autre.

Évidemment, une eau ne transportant pas les excréments est nettement moins chargée en parasites. De même, utiliser des produits d’hygiène et d’entretien simples non impactant pour l’environnement est à la portée de tous. L’utilisation de toilettes sèches permet de réduire fortement sa consommation d’eau potable et d’augmenter significativement sa production de compost si le besoin est identifié.

Step 15 -

Vous avez une minute ? Que vous souhaitiez ou non réaliser cette low-tech, votre réponse à ce formulaire nous aiderait à améliorer nos tutos. Merci d'avance pour votre aide !

Comme tout le travail du Low-tech Lab, ce tutoriel est participatif, n'hésitez pas à ajouter les modifications qui vous semblent importantes, et à partager vos réalisations en commentaires.

Notes and references

Ce tutoriel a été réalisé par Clément CHABOT avec l'aide de Camille DUBAND et Thibaud LANCIEN sur le travail de Kevin QUENTRIC.

Pour aller plus loin, nous vous recommandons la lecture du livre "La phytoépuration" par Aymeric et Guillaume LAZARIN

Références

https://fr.wikipedia.org/wiki/Eutrophisation

https://fr.wikipedia.org/wiki/Roseau_commun

https://fr.wikipedia.org/wiki/Phyto%C3%A9puration

http://www.assainissement-non-collectif.developpement-durable.gouv.fr/les-filtres-plantes-agrees-a749.html

Impact de la pollution chimique sur le vivant :

Widespread Sexual Disruption in Wild Fish - Susan Jobling - https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/es9710870 

https://www.futura-sciences.com/planete/actualites/zoologie-feminisation-poissons-rivieres-nouveaux-produits-cause-1

http://www.irstea.fr/lespace-jeunesse/approfondir/lepuration-des-eaux-usees-les-avancees/debusquer-limiter-traiter-les

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