À côté de la station classique d’épuration des eaux usées (boues activées, lits bactériens, …) qui assure un traitement intensif des eaux usées urbaines, il existe également un autre type de traitement des eaux usées, dit extensif, ou traitement par lagunage dont le principe est basé sur les processus d’autoépuration se déroulant spontanément dans les étendues d’eaux, dans lesquelles les microorganismes dégradent la matière organique et la transforme en éléments minéraux.
Il est généralement composé d’une série de bassins à faibles profondeurs (0,3 à 0,5 m). Son mécanisme de fonctionnement implique la photosynthèse qui se limite à la tranche supérieure des bassins exposée au soleil. Ce qui facilite la présence des algues qui produisent l’oxygène nécessaire au développement et au maintien des bactéries aérobies responsables d’une partie de la dégradation de la matière organique.

Dans les bassins de lagunage à macrophytesl’utilisation des macrophytes comme Eichornia, Typha et Phragmitis peut améliorer significativement la qualité́ de l’effluent (Reddy et al, 1987 ; Brix et al, 1989; Sekiranda et al, 1998). L’effet épuratoire est dû principalement à la faculté́ de ces plantes d’extraire les éléments nutritifs de la colonne d’eau et au support que leurs racines et feuilles offrent aux microorganismes susceptibles de dégrader les matières organiques et nitrifier l’azote ammoniacal.
De surcroît, la couverture de la surface d’eau limite le développement d’algues microscopiques difficiles à décanter, crée un milieu propice pour décantation des matières organiques et du plancton et diminue l’évaporation (Oron et al, 1987), ce qui est un point largement positif lorsque l'eau traitée est considérée comme une ressource. L’effet sur la dégradation de la matière organique passe principalement par la création d’une zone de rhizomes servant comme support pour le biofilm pouvant dégrader (Korner et al 1998).
Cet effet est cependant minimisé par la diminution de la ré-aération de la colonne d’eau. Par contre, l'ombrage de l'eau dû à la présence des macrophytes diminue fortement la quantité́ de rayonnements UV qui atteignent l'eau et l'efficacité́ épuratoire vis à vis des espèces pathogènes indicatrices (coliformes et streptocoques). (Cereve, 2003)

L’épuration, grâce aux filtres plantés de roseaux, se réalise selon le principe de l’épuration biologique principalement aérobie en milieux granulaires fins à grossiers. Les filtres plantés sont destinés au traitement des eaux usées d’origine domestique pour des capacités de 50 à 1000 EH, voire 2000 EH.

Les filtres à écoulement vertical sont alimentés en surface avec des eaux usées brutes, ayant subi un dégrillage grossier puis l’effluent percole verticalement à travers le massif filtrant. Cette première filtration permet la rétention physique des matières en suspension à la surface des filtres du 1er étage, d’où̀ une accumulation de boues théorique d’environ 15 mm par an, à capacité́ nominale (OIE-2008).
La dégradation biologique des matières dissoutes est réalisée par la biomasse bactérienne aérobie fixée sur le support filtrant ainsi que sur la couche de dépôt accumulée en surface.
Le 1er étage contribue essentiellement à la dégradation de la pollution carbonée avec un début de nitrification.
Le 2ème étage permet d’affiner l’élimination de la fraction carbonée et complète la nitrification en fonction des conditions d’oxygénation, de température et de pH.
L’oxygénation est assurée grâce à une alimentation par bâchée (alimentation non continue), à la diffusion gazeuse par la surface des filtres et grâce à la connexion des drains en fond de filtre à l’atmosphère.
Les filtres plantés à écoulement vertical sont constitués de deux étages en série. Chaque étage comporte 2 ou 3 lits en parallèles, alimentés en alternance.
Les périodes de repos sont fondamentales, elles permettent de :

L’ensemble de ces phénomènes permettent de minimiser le colmatage du filtre.
Le rôle des roseaux est principalement mécanique ; les tiges de roseaux et les rhizomes (tiges souterraines) perforent la couche de boues superficielles. Ils créent alors des cheminements se prolongeant jusqu’au système racinaire et vers la couche drainante, cela permet l’oxygénation et évite le colmatage. Les roseaux permettent la couverture foliaire qui préserve la surface des filtres d’une éventuelle dessiccation estivale. Cela assure de l’ombre aux bactéries, leur permettant un bon développement.
Le rôle des roseaux pour l’élimination directe de la pollution (carbone, azote, phosphore) est extrêmement faible. Ce sont les micro-organismes, se développant dans le support filtrant, qui assurent l’épuration biologique.

Coupe transversale schématique d’un filtre planté de végétaux (FPV) à écoulement vertical (Dessin Saurel pour AFB)(Morel,

Source : Irstea, 2012.

Dans les filtres à écoulement horizontal, le massif filtrant est totalement saturé en eau. L’effluent est réparti sur toute la largeur et la hauteur du filtre par un système répartiteur situé à une extrémité du bassin ; il s’écoule ensuite dans un sens principalement horizontal au travers du substrat. La plupart du temps, l’alimentation est continue car la charge organique apportée est faible et la surface relativement importante. L’évacuation des eaux traitées se fait par un drain placé au fond, à l’extrémité opposée du filtre, et enterré dans une couche de pierres drainantes. Ce tuyau est relié à une mise en charge permettant de régler la hauteur de surverse, et donc celle de l’eau dans le casier* de façon à ce qu’il soit saturé. Le niveau d’eau doit être maintenu environ à 5 cm sous la surface du matériau. Ceci permet d’éviter les écoulements préférentiels en surface et d’assurer un flux homogène (Lombard Latune et Molle, 2017)

Schéma d'un filtre à écoulement horizontal (Dessin Saurel pour AFV).

 Source : Irstea, 2012.

Filtres nus ou lit bactérien à très faible charge
Ce dernier est un massif de 150 cm de haut de roche volcanique 20/60 mm. Le système d’alimentation est composé de deux réseaux de canalisations percées d’orifices, disposes en quinconce (Figure 10). L’alimentation se fait en alternance sur chacun des réseaux, par bâchées d’un volume correspondant à̀ une lame d’eau de 3 cm, toutes les 5 minutes. Ce mode d’alimentation permet le décollement du biofilm excédentaire se développant sur les blocs. En fond de lit, des casiers permettent de ménager une zone dans laquelle se fera la séparation entre les eaux traitées et les boues secondaires. Ces dernières sont soutirées entre 1 et 4 fois par jour et repartent en tête de station. Le lit bactérien est dimensionné à très faible charge : avec une hauteur de 1,5 m de matériaux de surface spécifique de 150 m2/m3, la charge surfacique est de 3,5 g DBO5/m2/j. Dans ce type d’ouvrage, les apports d’oxygène sont importants, permettant un traitement très poussé de l’azote réduit (NTK < 10 mg/L). Sa compacité́ (aux alentours de 0,1 m2/EH) et le fait qu’il permette de s’affranchir de l’utilisation de sable en font une option intéressante. Mais il présente aussi des inconvénients : le principal tient au fait qu’une boucle de recirculation est indispensable pour assurer une alimentation suffisante. En cas de suri- mentionnèrent de la station (très fréquent), il peut arriver que les eaux soient recirculées plusieurs dizaines de fois avant de sortir de la station. Généralement, un second système de pompage est nécessaire pour renvoyer les boues soutirées en tête de station (Lombard Latune et Molle, 2017).