Academic literature on the topic 'Marais filtrants'

Ce projet vise à améliorer l’efficacité des marais à éliminer les éléments minéraux présents dans les effluents provenant de cultures de tomates hors sol. Selon nos résultats, les ssh végétalisés de Typha latifolia et combinés avec un apport en carbone ont rendu plus efficace le traitement des effluents de cultures en serre. De plus, parmi les trois types de marais à l’étude (ssh, ssv et sh), les ssh semblent être les mieux adaptés pour traiter des effluents très chargés en éléments minéraux. Toutefois, les émissions de GES ne sont pas à négliger dans les ssh. Afin d’accroître la performance de traitement en terme de charge polluante ionique, des marais en série devraient être utilisés. Selon l’un de nos essais, le traitement des effluents par trois ssv en série a éliminé efficacement les différents minéraux en dessous de la limite permise au Québec.

Les marais filtrants artificiels (MFA) forment un système biologique et passif de traitement des eaux usées constituant une alternative durable aux traitements conventionnels des effluents de cultures en serre. La performance des MFAs à réduire la charge polluante des effluents de culture et l’émission de gaz à effet de serre est étroitement liée aux communautés microbiennes. Afin d’optimiser l’activité biologique des MFAs et par conséquent leur performance, l’enrichissement en biochar des substrats filtrants pourrait constituer une avenue prometteuse. Le biochar, produit de la pyrolyse de la biomasse, est utilisé comme amendement pour les sols. Toutefois, les conséquences de son utilisation dans les systèmes d’épuration des eaux usées comme les MFAs sont peu connues jusqu’à nos jours. Les objectifs de cette thèse étaient donc de : (1) évaluer l’effet d’un biochar sur la diversité et l’activité des microorganismes dans les MFAs ; (2) évaluer l’effet du biochar sur l’efficacité des MFAs à réduire la charge en pesticides dans les effluents de cultures ; (3) évaluer l’effet du biochar sur les microorganismes des MFAs en présence de pesticides, et finalement (4) évaluer l’effet de l’utilisation de l’eau traitée par les MFAs comme eau d’irrigation sur la croissance des plantes et la diversité microbienne de la rhizosphère d’une culture de tomate. Les résultats obtenus ont démontré que le biochar n’a pas eu un effet majeur sur la composition des populations bactériennes dans les substrats et les effluents des marais. Toutefois, le biochar a affecté le taux d’expression de plusieurs gènes clés impliqués dans le fonctionnement des MFAs incluant ceux contrôlant le dégagement des gaz à effet de serre. Par ailleurs, l’utilisation des eaux traitées par les MFAs comme eau d’irrigation n’a pas affecté le développement des plantes de tomate. Au contraire, des bactéries connues pour leur stimulation de la croissance des plantes comme Flavobacterium, Rhizobium, Azospirillum et Pseudomonas ont été détectées en abondance. Finalement, en présence de pesticides, le biochar a exercé un effet protecteur sur les communautés microbiennes des MFAs permettant ainsi de maintenir leur performance à réduire les charges polluantes dans les effluents de serre. Toutefois, l’effet du biochar sur la capacité des marais à réduire la concentration des pesticides a été spécifique au type de pesticide. Ces travaux suggèrent que l’amendement des MFAs avec du biochar peut être une pratique utile pour améliorer et optimiser le fonctionnement des MFAs en atténuant certains de leurs inconvénients comme le dégagement des gaz à effet de serre. Ils ont démontré également la faisabilité et l’importance de la valorisation des eaux traitées par les MFAs.
Recently, the use of constructed wetlands (CWs), which form a biological and passive system of wastewater treatment, has been proposed as an alternative to conventional treatments of greenhouse effluents. The performance of CWs can be improved by the enrichment of their substrates with various products affecting their microbial communities, thus reducing the impact of some related problems such as the release of greenhouse gases. Biochar, which is the product of biomass pyrolysis, is used as an amendment in the soil. However, the consequences of its use with substrates in wastewater treatment systems such as CWs are little known until today. The objectives of this thesis were (1) to evaluate the effect of a biochar on the diversity and activity of microorganisms in CWs, (2) to evaluate the effect of biochar on the efficiency of CWs to reduce pesticides in greenhouse effluents, (3) to evaluate the effect of biochar on microorganisms in CWs in the presence of pesticides, and finally (4) to assess the effect of using water treated in CWs as irrigation water on tomato growth and rhizosphere microbial diversity. The obtained results demonstrated that biochar did not have a major effect on the composition of bacterial populations in CWs substrates and effluents. However, biochar affected the expression rate of several key genes in CWs functioning, including those involved in the release of greenhouse gases. Also, the use of CWs s treated waters to grow tomato plants in hydroponic crops did not present any physiological or microbiological risk to tomato plants. In fact, plant growth-promoting bacteria such as Flavobacterium, Rhizobium, Azospirillum and Pseudomonas were detected in abundance in the rhizosphere of tomato plants. Finally, in the presence of pesticides, biochar showed a protective effect on the microbial communities of CWs and thus makes it possible to maintain CWs performance in reducing pollutant loads in greenhouse effluents. However, the effect of biochar on CWs performance in reducing pesticides is specific to the type of pesticide. This work highlights the utility of biochar in improving the functioning of CWs and in circumventing some of their disadvantages such as the release of greenhouse gases. The feasibility and the importance of the valorization of water treated by CWs was also demonstrated.

Les eaux de ruissellement routier constituent une problématique due principalement à la circulation routière. Dans certains pays des sels de déglaçage sont répandus sur les routes pendant l’hiver et ceci ajoute d’autres contaminants à cette problématique. Pour traiter ces eaux de ruissellement il a été proposé d’utiliser un marais épurateur construit (MEC) couplé à un lit filtrant. Étant donné le taux de salinité élevé de ces eaux, il a également été suggéré de se servir d’espèces halophytes (plantes qui accumulent les sels) pour le MEC. Le lit filtrant serait composé de calcite, un minéral qui adsorbe le phosphore. L’un des objectifs de cette étude est de déterminer la faisabilité d’un traitement par MEC avec des espèces halophytes en évaluant d’abord les conditions optimales nécessaires pour la croissance des espèces sélectionnées (Atriplex patula, Salicornia europaea, Spergularia canadensis, Typha augustifolia), et leur capacité d’accumulation des sels. Des essais-pilotes menés en serres sont ensuite réalisés à partir des valeurs optimales de ces facteurs. L’autre objectif est d’étudier la capacité d’adsorption par la calcite en fonction de la concentration de phosphore initiale, du temps et de la présence ou non de métaux dans l’eau. Ces caractéristiques nous permettent de définir les paramètres d’essais d’adsorption menés dans des colonnes qui nous permettront de formuler des recommandations quant à la conception du lit filtrant. Les essais-pilotes ont permis d’atteindre des taux d’enlèvement de chlorure et de sodium allant jusqu’à 97 % selon l’espèce halophyte considérée. Les plus hauts taux d’enlèvement ont été constatés dans le cas des unités pilotes d’Atriplex patula. Il a été observé que les adsorptions de phosphore par la calcite ont atteint 1,7 mg P/g de calcite. Les résultats des essais en colonne ont présenté des réductions des concentrations allant jusqu’à 64 %. Cependant le traitement pourrait être meilleur à grande échelle. Des suggestions de recherches futures pour l’amélioration de ces traitements sont présentées en conclusion.
Road runoff is a worldwide problematic, mainly due to metals and hydrocarbon released by cars. Certain Nordic countries like Canada add other contaminants to this chemical mixture by spreading de-icing salts on their roads during winter. With the goal of treating high salt concentration road runoff, it has been proposed to use a constructed wetland coupled with a packed bed filter. Halophytic plants (plants able to accumulate salts) have been suggested as the constructed wetland vegetation. The packed bed filter would be filled with calcite, a phosphorus adsorbant material. The first objective of this thesis was to determine the feasibility of a treatment by constructed wetlands with halophytic plants. Our methodology consisted in evaluating the optimal conditions (1) for the growth of the selected species (Atriplex patula, Salicornia europaea, Spergularia canadensis and Typha augustifolia) and (2) for NaCl accumulation. Those results have been used to design 16 pilot tests by our laboratory. The second objective was to study the phosphorus adsorption capability of calcite as a function of the initial phosphorus concentration, time, temperature and the presence of metals. Adsorption was then tested in column tests. Constructed wetland pilots resulted in chloride and sodium reduction rates from 0 to 97 % depending on the species. The calcite presented adsorptions of active phosphorus up to 1.7 P/g mg of calcite. The results of the column tests allowed a 64 % removal of phosphorus. Saturation of calcite has been reached in a few hours. Treatment could be improved on a large scale device. It is recommended to place the packed bed filter after the MECA and to the follow the design parameters: 1) nutrition complement in the substrate, 2) water level close to the soil surface, 3) a residence time of one week and 4) different basins to be able to optimize the phytoremediation capabilities of the selected species. Packed bed filter should have a residence time of two hours and a calcite of 0.317 cm granulometry. Suggestions for future research to improve treatment system are presented in the conclusion section.

Les marais filtrants artificiels sont communément utilisés pour le traitement des eaux usées municipales, mais ils peuvent aussi traiter une large gamme d’effluents à l’aide de différents types de marais filtrant et ce sous une variété de climats. Les plantes jouent un rôle central dans l’épuration des eaux, mais on peut se demander si ce rôle est le même sous toutes les conditions et ce pour les différentes espèces de plantes. Dans le cadre de cette étude, j’ai évalué l’influence de la présence ainsi que de l’espèce de plantes selon des conditions extrêmement différentes : 1) traitement de rejet de serre hydroponique par un marais filtrant à flux horizontal en conditions hivernales, 2) traitement des boues par un marais à flux vertical en conditions estivales.
Constructed wetlands (CWs) are commonly used to treat municipal wastewater, but they can also handle a wide range of effluents by using different types of CWs and under a variety of climatic conditions. Plants play a central role in CWs, but it is still unknown if the presence of plants or the choice of the species have the same influence under different conditions. In this study, I evaluated the influence of the presence and the species of plants under two very different conditions: 1) treatment of hydroponic wastewater by a horizontal flow CW in winter conditions, 2) sludge treatment by a vertical flow CW in summer conditions.
Cette thèse a été codirigée par le Dr. Florent Chazarenc

Au cours des dernières décennies, une grande variété de pesticides émergents, tels que le chlorantraniliprole (CAP), ont été introduits malgré le manque de connaissance approfondie de leur risque écotoxicologique. Les marais filtrants (TW) sont des technologies écologiques et durables qui ont montré un grand potentiel d’atténuation des polluants agricoles communs, tels que les pesticides dans le ruissellement. L’objectif de cette étude était d’optimiser l’utilisation du marais filtrant sous-surfacique à écoulement horizontal (HSSF) en déterminant: a) l'effet d’un amendement de biochar au substrat et b) la performance de trois espèces de macrophytes (Phragmites australis subsp. americanus, Scirpus cyperinus et Sporobolus michauxianus) dans l'abattement du CAP du ruissellement agricole. L'efficacité d'abattement a été calculée en utilisant la méthode du bilan de masse dans des mésocosmes HSSF matures alimentés avec un ruissellement agricole synthétique contenant du CAP pendant une période d'un mois. Les mésocosmes avec l’ajout de biochar se sont avérés très efficaces dans l’abattement du CAP (90 à 99%) et ils le sont restés tout au long de la période expérimentale. Cette efficacité est probablement due à la grande capacité d’adsorption du biochar, bien que ce mécanisme n’ait pas été directement mesuré. En revanche, l'abattement du CAP dans les mésocosmes plantés sans biochar était faible et limité et il n’y avait pas de différence entre les espèces, bien qu’elles aient eu des différences dans leur biomasse aérienne et leur taux d'évapotranspiration (ET). Cependant, les traitements plantés ont agi comme zone tampon, en atténuant la masse du CAP de l'influent et en la libérant lentement dans l'effluent. Le taux d'ET de Scirpus et Phragmites était plus élevé que celui de Sporobolus, ce qui s’est traduit par un meilleur effet tampon. Cette étude suggère que l'ajout de biochar au substrat HSSF TW est prometteur pour l'atténuation du CAP dans le ruissellement agricole, mais leur efficacité à long terme reste à être étudiée. Malgré tout, les TW devraient être utilisés comme un outil complémentaire, dans le cadre d'actions plus larges visant à réduire la pression des polluants sur les écosystèmes aquatiques.
Over the past decades, a wide variety of emergent pesticides, such as chlorantraniliprole (CAP), have been introduced despite the lack of in-depth knowledge of their ecotoxicological risk. Treatment wetlands (TWs) are environmentally friendly and sustainable technologies that have shown great potential to mitigate common agricultural pollutants, such as pesticides in runoff. The objective of this study was to optimize the use of the horizontal subsurface flow treatment wetlands (HSSF TWs) by determining a) the effect of biochar amendment to the substrate and b) the performance of three species of macrophytes (Phragmites australis subsp. americanus, Scirpus cyperinus and Sporobolus michauxianus) in CAP removal from agricultural runoff. The removal efficiency was calculated using the mass balance method in mature HSSF mesocosms fed with synthetic agricultural runoff containing CAP for a period of one month. Mesocosms with the addition of biochar were very effective in removing CAP (90-99%) and remained so throughout the experimental period. This efficiency is likely due to the high adsorption capacity of biochar, although this mechanism has not been directly measured. In contrast, CAP removal in mesocosms planted without biochar was low and limited and there was no difference between species, although there were differences in their above-ground biomass and their evapotranspiration (ET) rate. However, the planted mesocosms acted as buffer zones, reducing the CAP mass of the influent and slowly releasing it into the discharge. The ET rate of S. cyperinus and P. australis was higher than that of S. michauxianus, resulting in a better buffering effect. This study suggests that adding biochar to the HSSF TW substrate is promising for CAP attenuation in agricultural runoff, but their long-term effectiveness remains to be investigated. Nevertheless, TWs should be used as a complementary tool, as part of wider actions aimed at reducing the pressure of pollutants on aquatic ecosystems.

L’objectif principal de ce projet est d’évaluer le potentiel d’un système de marais filtrants combinés pour le traitement d’un lixiviat contaminé aux agents de préservations du bois - l’arséniate de cuivre chromaté (ACC) et le pentachlorophénol (PCP) - en portant une attention particulière au rôle des plantes. Pour ce faire, une expérience en pot faisant varier la concentration d’exposition de quatre espèces de macrophyte (Typha angustifolia, Phalaris arundinacea, Phragmites australis americanus et Phragmites australis australis) a été effectuée. Le suivi de quatre marais filtrants à écoulement horizontal sous-surfacique, plantés d’une des quatre espèces de macrophyte et d’un bassin planté de saules (Salix Miyabeana SX67) a également été réalisé. La résistance des plantes au milieu contaminé, la capacité de bioaccumulation des macrophytes et les efficacités de traitement des différents systèmes ont été analysés. Nos résultats montrent que la concentration d’exposition n’influence pas la capacité des plantes à croître en milieu contaminé. Par contre, il existe une relation dose-réponse entre la concentration d’exposition et la capacité de bioaccumulation des macrophytes. Les quatre marais pilotes ont tous des efficacités de traitements supérieures à 55% en 2013 et 82% en 2014 pour les contaminants à l’étude. Le bassin de saule a la capacité théorique d’évapotranspirer jusqu’à 1200 L par jour. De plus, ses efficacités de traitements sont supérieures à 59% pour tous les composés à l’étude. L’utilisation de marais filtrants pour le traitement d’un lixiviat contaminé aux agents de préservations du bois est donc une alternative intéressante aux méthodes de traitement conventionnel.
The main objective of this project is to evaluate the capacity of a combined constructed wetland system to treat a leachate polluted with two wood preservatives-chromium copper arsenate (CCA) and pentachlorophenol (PCP)- according a particular importance to the role of plants. The effect of the exposure concentration on four macrophytes species (Typha angustifolia, Phalaris arundinacea, Phragmites australis americanus and Phragmites australis australis) was evaluated using a pot experiment. Four HSSF pilot constructed wetlands, planted with one of these plants species, were monitored. The role of an HSSF constructed wetland, planted with willow (Salix Miyabeana SX67), placed at the end of the treatment chain was also assessed. The plants growth and survival and their bioaccumulation capacity were measured, and the system treatment efficiencies were monitored. There was no effect of the concentration on plants growth but the higher exposure concentration resulted in a higher bioaccumulation in the roots of the four macrophytes. All four pilots CW showed treatment efficiencies superior to 55% in 2013 and to 82% in 2014 for the pollutants tested. The willows CW have the theorical capacity to evapotranspirate up to 1200 L of water. Its treatments efficiencies were over 59% for all the pollutants tested. A combined constructed wetland system is a good alternative to conventional methods to treat a leachate polluted with wood preservatives.

Les marais filtrants artificiels sont des écosystèmes recréés par l’homme dans le but d’optimiser l’épuration des eaux usées. Lors de la sélection d’espèces végétales pour la mise en place de ces marais filtrants, l’utilisation d’une polyculture ainsi que d’espèces indigènes non invasives est de plus en plus recommandée. Néanmoins, la plupart des marais filtrants existants sont des monocultures utilisant des plantes envahissantes, probablement à cause du manque d’évidences scientifiques sur les avantages de la diversité végétale et de la performance des espèces locales. Ainsi, les questions de recherche autour desquelles s’oriente ma thèse sont: Les polycultures présentent-elles un potentiel épuratoire aussi ou plus grand que les monocultures, et une espèce indigène est-elle aussi efficace et performante qu’une espèce exotique envahissante dans des marais filtrants ? Trois expériences ont été conduites afin de répondre à ces questions. J’ai d’abord testé l’influence de la richesse végétale sur l’élimination des polluants en deux dispositifs expérimentaux: 1) comparant deux espèces de plantes émergentes en monoculture ou combinées séquentiellement, et 2) évaluant la performance de quatre espèces flottantes plantées en monoculture par rapport à des associations de deux (avec toutes les combinaisons possibles) et de quatre espèces. Une troisième expérience a été réalisée afin de comparer l’efficacité épuratoire de l’haplotype européen envahissant du roseau commun (Phragmites australis) et de la sous-espèce locale non-invasive (P. australis subsp. americanus). La composition en espèces végétales a produit un effet notable sur la performance des marais filtrants. La comparaison des performances en mono- et en polyculture n’a pas permis de démontrer clairement les avantages de la diversité végétale pour l’élimination des polluants dans les marais filtrants. Toutefois, les marais filtrants plantés avec une combinaison d’espèces étaient aussi efficaces que les monocultures des espèces les plus performantes. La comparaison entre les deux sous-espèces de P. australis indiquent que la sous-espèce indigène pourrait remplacer le roseau exotique envahissant, évitant ainsi les potentiels risques environnementaux sans toutefois compromettre l’efficacité du traitement. Les résultats prometteurs de la sous-espèce indigène de P. australis doivent encore être testés dans des expériences à grande échelle avant d’utiliser largement cette espèce dans les marais filtrants. Nos résultats suggèrent que, dans des conditions où la performance des macrophytes disponibles est inconnue ou ne peut être déterminée, l’utilisation d’une combinaison d’espèces présente les meilleures chances d’accomplir le plus haut niveau possible d’élimination de polluants. De plus, même si la diversité végétale ne présente pas un avantage mesurable en termes d’efficacité épuratoire, celle-ci améliore la résilience des marais filtrants et leur résistance aux stress et aux maladies.
Treatment wetlands (TWs) are complex engineered ecosystems designed to remove pollutants from wastewater. In selecting plant species for TWs, the use of polycultures as well as the choice of local non-invasive species is increasingly recommended. However, to date, the majority of TWs have been planted in monoculture using invasive species, probably because the performance of native species and the possible advantages associated with plant diversity have not been clearly demonstrated. The research questions of my thesis are: Are polycultures as good as or better than monocultures for pollutant removal, and could a native species be as efficient as an exotic invasive species in TWs? Three experiments were performed to answer this question. The influence of plant richness on pollutant removal was tested in two mesocosm experiments: 1) comparing two emergent plant species in monoculture and planted in sequence, and 2) evaluating four free-floating species, each in monoculture versus pairs of species (all possible combinations) and the four species planted together. A third experiment was carried out to compare the removal efficiency of the invasive European haplotype of common reed (Phragmites australis) and the native non-invasive subspecies (P. australis subsp. americanus). Plant species composition influenced the performance of TWs. The comparison of the performance of monocultures versus polycultures showed that, overall, TWs planted with a combination of species were as efficient as monocultures of the best performing species. Comparing the performance of native and invasive P. australis strongly suggests that the native could replace the invasive species in TWs, thereby avoiding possible environmental risks without compromising treatment efficiency. The promising results of the native P. australis subspecies need to be further tested in full-scale experiments in order to encourage the use of this species in TWs. The results obtained comparing plant species combinations suggest that under circumstances in which the performance of available macrophytes is unknown or cannot be determined, using a mixture of species offers the best chances of achieving the highest possible level of pollutant removal. Furthermore, it has been suggested that plant diversity contributes to TWs in terms of their resilience to stress and disease.