Conception de zones humides construites à l’échelle d’un mésocosme pour le traitement des eaux usées

Les systèmes de traitement des milieux humides artificiels sont utilisés depuis des décennies pour traiter les eaux usées, mais leur application pour traiter les eaux touchées par le traitement des sables bitumineux est relativement nouvelle. Pour explorer ce potentiel, un plan de mésocosme à écoulement de surface et des méthodes expérimentales sont esquissés. Cette approche vise à améliorer notre compréhension des principaux paramètres de conception et à améliorer l’efficacité du traitement.

Les eaux contaminées par le traitement des sables bitumineux, un sous-produit de l’extraction du bitume par l’exploitation minière à ciel ouvert en Alberta, au Canada, contiennent divers constituants préoccupants, y compris les composés de fraction d’acide naphténique (NAFC). Ces composés organiques sont particulièrement inquiétants en raison de leur toxicité et de leur persistance dans l’environnement. Les systèmes de traitement des zones humides construites (CWTS) utilisent les plantes et les microbes qui leur sont associés pour atténuer les contaminants dans les eaux usées. Les CWTS à l’échelle du terrain ont été présentés comme une option potentielle de traitement à grande échelle pour les OSPW, en particulier pour la dégradation des NAFC. Afin d’optimiser l’utilisation du CWTS pour le traitement à grande échelle des NAFC dans l’OSPW, il est essentiel d’approfondir notre compréhension de divers paramètres de conception et d’explorer des moyens d’améliorer l’efficacité.

Les expériences à l’échelle du mésocosme servent d’intermédiaire précieux, car elles permettent de combler le fossé entre les essais complexes sur le terrain et les laboratoires contrôlés. Les mésocosmes fournissent un environnement contrôlé et reproductible pour étudier les effets de divers paramètres tels que le substrat, les espèces végétales, la température et le temps de rétention, tout en intégrant les complexités écologiques dans leur conception. Des travaux publiés et antérieurs ont montré que cette méthode permet d’évaluer les impacts de différents paramètres sur l’efficacité des CWTS pour atténuer les NAFC dans l’OSPW. Ce protocole décrit la conception et la mise en place d’un mésocosme de zone humide à écoulement de surface, ainsi que l’approche expérimentale pour le traitement des NAFC dans l’OSPW. Cette méthode peut être adaptée pour traiter d’autres eaux usées dans divers lieux géographiques.

La région des sables bitumineux du nord de l’Alberta, au Canada, contient les troisièmes plus grandes réserves de pétrole au monde, produisant plus de 3 millions de barils de pétrole brut par jour¹. Cependant, l’extraction du bitume à partir de l’exploitation minière à ciel ouvert génère des volumes importants de résidus et d’eau affectée par le traitement des sables bitumineux comme sous-produits. En raison de la politique de zéro rejet de l’Alberta, ces sous-produits sont stockés dans des bassins de résidus dans la région des sables bitumineux exploitables. En 2023, on estimait que 391,1^Mm3 d’OSPW existaient sous forme d’eau libre dans les bassins de résidus et n’incluait pas l’eau interstitielle qui continuera d’être libérée lors du dépôt des résidus². L’OSPW contient <5 % de solides et se caractérise par des niveaux élevés de sels, de métaux traces et de contaminants organiques³.

Plusieurs grandes classes de contaminants sont présentes dans l’OSPW, notamment les composés de fraction d’acide naphténique (NAFC), les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), les BTEX (benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), les phénols et les métaux lourds ^3,4. Les NAFC sont des composés organiques du bitume qui sont solubilisés et concentrés au cours du processus d’extraction et sont systématiquement identifiés comme la principale source de toxicité aiguë de l’OSPW ^5,6. Les OSPW posent plusieurs défis environnementaux et économiques en raison du volume, de la complexité et de la toxicité du mélange. Il est essentiel de développer des technologies de traitement rentables, passives et évolutives pour l’OSPW, car les méthodes conventionnelles, telles que l’oxydation chimique et la filtration, restent limitées dans leur faisabilité pour des applications à grande échelle. Les systèmes de traitement des zones humides construites sont des systèmes de traitement de l’eau à faible consommation d’énergie, rentables et durables qui reposent sur l’utilisation de plantes et de microbes associés pour atténuer les contaminants dans les eaux usées. ils sont apparus comme une alternative prometteuse pour traiter l’OSPW 7,8,9,10,11,12.

Les CWTS sont des zones humides artificielles conçues pour reproduire les fonctions de filtrage des zones humides naturelles. Conçus à l’origine pour traiter les eaux pluviales et les eaux usées municipales, les CWTS sont maintenant utilisés pour un large éventail d’applications, notamment les déchets agricoles, le drainage minier acide, les eaux usées industrielles et d’autres efforts d’assainissement¹³. Ces systèmes ont trois composants de base : le substrat, l’eau et la végétation. Les CWTS peuvent être conçus comme des systèmes d’écoulement de surface ou d’écoulement souterrain, avec un mouvement d’eau configuré pour s’écouler horizontalement ou verticalement^13,14. Les plantes hydrophytes des zones humides sont largement utilisées dans les CWTS en raison de leur adaptation à des conditions de sol saturées de manière persistante. En général, le CWTS utilise couramment des espèces de plantes émergentes telles que Typha sp. (quenouilles), Juncus sp. (joncs) et Carex sp. (carex).

CWTS utilise divers mécanismes pour le traitement de l’eau. Les solides en suspension peuvent adsorber les contaminants et se déposer, formant un lit de sédiments qui favorise la croissance des plantes. De plus, les plantes peuvent transférer ou transformer des contaminants dissous par une combinaison de mécanismes biotiques et abiotiques. Les mécanismes abiotiques comprennent la filtration, la sédimentation, la précipitation, la sorption, l’oxydation/réduction chimique, la complexation, la photodégradation et la volatilisation. Les processus biotiques impliquent la biotransformation (microbienne ou végétale), la phytoaccumulation et la phytostabilisation^13,14. Les CWTS offrent des avantages significatifs en tant que systèmes autonomes qui deviennent généralement plus efficaces avec le temps¹⁴. Ces systèmes sont polyvalents et capables de traiter plusieurs contaminants simultanément tout en étant durables sur le plan environnemental et acceptables pour le public. De plus, leurs faibles coûts d’exploitation et d’investissement par rapport aux méthodes de traitement conventionnelles les rendent bien adaptés au traitement de grands volumes d’eaux usées, telles que les OSPW. Cependant, la complexité des différents processus abiotiques et biotiques qui se produisent simultanément dans l’OSPW nécessite une conception minutieuse pour optimiser le CWTS afin d’obtenir une efficacité maximale du traitement. Une compréhension claire des objectifs de traitement, combinée à des tests systématiques à l’échelle du laboratoire, du pilote et de la démonstration, est essentielle pour optimiser le système et prédire le succès de la mise en œuvre à grande échelle¹⁴.

Les expériences à l’échelle pilote, souvent appelées expériences en mésocosme, sont généralement menées à l’aide de baignoires ou de réservoirs qui simulent des cellules de traitement individuelles. Les mésocosmes peuvent être réalisés à l’intérieur ou à l’extérieur dans le cadre d’une expérience sur le terrain. Les mésocosmes sont des systèmes partiellement fermés qui offrent une plus grande complexité écologique que les expériences à l’échelle du laboratoire, tout en maintenant un contrôle et une réplication suffisants pour évaluer les impacts des paramètres de conception individuels sur l’élimination des contaminants. Des études à l’échelle du mésocosme sont nécessaires pour confirmer les mécanismes de traitement et découvrir les complications à plus petite échelle, où des corrections et des ajustements de conception peuvent être mis en œuvre¹⁴. Ce protocole décrit la configuration et le fonctionnement d’un CWTS à écoulement de surface horizontal à l’échelle du mésocosme intérieur, fournissant un cadre pratique pour la conception d’études CWTS, en particulier pour l’atténuation des NAFC dans l’OSPW.

1. Construction du mésocosme

REMARQUE : Voir le Tableau des matériaux pour une liste complète des matériaux requis pour la construction du mésocosme et la figure 1 pour un schéma de la construction du mésocosme.

1. Retirez le haut du réservoir en polyéthylène (129,5 cm x 30,0 cm) si nécessaire.
2. Préparez les trous de drainage ; percez deux trous (pièces #1 et #2) du même côté du réservoir en polypropylène. Placez un raccord de cloison en PVC (pièce #3) dans les deux trous avec les filetages mâles vers l’extérieur. Scellez le bord extérieur du raccord de cloison à l’aide d’un scellant imperméable.
   1. Trou de drainage de l’eau du sol (pièce #2) : positionnez-le à la base d’angle du réservoir, en vous assurant qu’il y a suffisamment de place pour le raccord de cloison.
   2. Trou de drainage des eaux de surface (Partie #1) : placez-le au-dessus de la hauteur du niveau du sol, près du centre du réservoir.
3. Placez une rondelle de tuyau (pièce #4) avec un écran filtrant (pièce #5) à l’intérieur du raccord de cloison et fixez-la avec un produit d’étanchéité.
4. Mettre en place la plomberie de drainage interne :
   1. Pour le trou de drainage des eaux de surface (pièce #1), fixez d’abord l’adaptateur mâle en PVC (pièce #10) au raccord de cloison (pièce #3) suivi du coude en PVC à 90° (pièce #11).
   2. Insérez un morceau de tuyau en PVC (pièce #12) coupé pour correspondre à la hauteur du niveau d’eau souhaité au coude à 90°.
5. Mettre en place la plomberie de drainage externe. Tout au long des étapes suivantes, utilisez des bagues à sertir pour fixer le PEX aux raccords.
   1. Enroulez du ruban de téflon autour des filetages de l’adaptateur en laiton PEX 3/4 pouce x 3/4 pouce MPT (pièce #6) et connectez-le aux raccords de cloison (pièce #3).
   2. Coupez deux longueurs égales de PEX de 3/4 de pouce (pièce #7) et fixez-les aux adaptateurs en laiton MPT (pièce #6).
   3. Ajoutez un raccord coudé d’expansion en plastique au tuyau PEX (pièce #7), orienté vers le bas pour le trou de drainage des eaux de surface et face au centre du réservoir pour le trou de drainage du sol.
   4. Pour le trou de drainage du sol (partie #2), connectez un tuyau PEX au coude, suivi d’une vanne à bille, d’un autre segment PEX et d’un té à expansion en plastique. Ajustez les longueurs PEX pour aligner le haut du té d’expansion avec la plomberie de drainage des eaux de surface.
   5. Pour le trou de drainage des eaux de surface, connectez un tuyau PEX au coude d’expansion en plastique, en le reliant au té d’expansion.
   6. Une fois le système connecté, ajoutez un autre morceau de PEX (pièce #7) au té d’expansion en plastique, en terminant par un coude d’expansion en plastique orienté vers le bas.
   7. Ajoutez un autre morceau de PEX (pièce #7) au bas du raccord coudé d’expansion en plastique pour vous assurer que l’eau s’écoule dans le réservoir du réservoir.
6. Augmenter l’intégrité structurelle du mésocosme :
   1. Construisez un cadre (pièce #13, 129,5 cm de longueur x 37,0 cm de largeur) en utilisant des morceaux de bois de 2 pouces x 4 pouces.
   2. Fixez le cadre avec des vis à bois.
   3. Placez le cadre sur le mésocosme, en vous assurant qu’il ne repose pas sur les raccords de plomberie.
   4. Enveloppez l’extérieur du mésocosme dans du papier d’aluminium pour réduire la lumière pénétrant dans le sol par les côtés du mésocosme.

2. Configuration et maintenance du mésocosme

1. Cultivez des plantes pour l’expérience à partir de graines :
   1. Stratification des graines au besoin.
   2. Placez les graines dans des récipients standard en polystyrène contenant de la tourbe sous forme de poignée.
   3. Une fois que les semis ont germé, fertilisez-les 3 fois par semaine avec de l’engrais soluble dans l’eau (24-8-16).
   4. Laissez les semis pousser pendant au moins 3 à 5 mois pour s’assurer qu’ils atteignent une taille optimale pour la réponse au traitement.
      REMARQUE : La durée exacte dépendra de la taille et du type d’espèce. Cette étape peut être omise si les semis sont achetés plutôt que cultivés.
2. Placez les mésocosmes dans la serre :
   1. (Facultatif) Renforcez les tables de serre avec du contreplaqué pour supporter le poids des mésocosmes.
   2. Répartissez les mésocosmes uniformément sur les tables des baies de serre pour assurer un placement aléatoire des traitements et minimiser les variations des conditions environnementales (figure 2).
   3. Positionnez la plomberie de manière à ce qu’elle pende du bord de la table pour un drainage adéquat dans le réservoir (Figure 2).
3. Installez le réservoir :
   1. Placez le fût industriel en plastique à toit ouvert de 57 L sous la plomberie de drainage.
   2. Installer une pompe de circulation submersible entre le milieu et le bas du réservoir pour permettre un mélange continu dans le réservoir. Fixez le cordon d’alimentation à l’extérieur du réservoir.
4. Ajoutez et saturez le substrat :
   1. Répartissez le substrat uniformément dans le mésocosme et tassez le substrat avec une pression modérée jusqu’à la hauteur souhaitée.
      REMARQUE : La hauteur du substrat dépend des objectifs de recherche et des espèces végétales.
   2. Saturez complètement le substrat avec de l’eau d’osmose inverse (OI), mesurez le volume d’eau ajouté ; Cela équivaut au volume d’eau interstitielle dans le substrat.
      REMARQUE : L’eau interstitielle est le volume d’eau ajouté lorsque le substrat est saturé, ce qui peut être observé lorsque le niveau d’eau correspond au haut du substrat. Ce processus peut prendre jusqu’à une journée. Le volume d’eau interstitielle est important pour déterminer la quantité exacte d’eau dans le système et calculer le débit.
5. Déterminez le débit :
   1. Sélectionnez une durée de conservation en fonction des études antérieures et des objectifs de l’étude.
   2. Calculez le volume total d’eau dans le mésocosme.
      
   3. Calculez le débit.
      
6. Installez les pompes :
   1. Placez une pompe entre deux mésocosmes adjacents.
      REMARQUE : Une pompe peut également être utilisée pour un mésocosme si nécessaire.
   2. Reliez toutes les pompes ensemble à l’aide d’un câble USB mâle-mâle, en connectant la dernière pompe au contrôleur.
   3. Immergez le tube de la soupape dans le réservoir, en le fixant ou en l’alourdissant pour qu’il reste en place.
   4. Fixez le tube de sortie de la soupape dans le coin supérieur arrière du mésocosme, en veillant à ce qu’il reste au-dessus de la ligne de flottaison.
   5. Enveloppez le tube dans du papier d’aluminium pour aider à prévenir la croissance des algues.
   6. Installez et calibrez les pompes, la barre d’alimentation et le contrôleur conformément aux instructions du fabricant¹⁵.
   7. Ajustez les pompes au débit calculé.
7. Planter et acclimater les espèces végétales :
   1. Ajustez la température et les lampes de culture LED à des niveaux optimaux pour la croissance des plantes tout en conditionnant les espèces végétales au mésocosme.
   2. Plantez uniformément de 6 à 12 espèces végétales individuelles pour assurer une biomasse égale par unité de surface dans le mésocosme.
      REMARQUE : Le nombre d’individus peut varier en fonction des objectifs de la recherche et de la physiologie de l’espèce (p. ex. à mesure que Typha latifolia devient lié aux racines, le nombre d’individus peut diminuer).
   3. Augmentez progressivement le niveau d’eau de l’osmose inverse, en maintenant un niveau d’eau pendant 1 à 2 jours, et remplacez le tuyau en PVC (étape 1.4.2) au besoin pour correspondre au niveau d’eau.
   4. Allumez les pompes avec le débit final souhaité.
   5. Une fois que le niveau d’eau souhaité est atteint, ajustez la lumière et la température de la serre aux paramètres expérimentaux et laissez les plantes s’acclimater pendant ~35 jours.
8. Vidangez et rincez le système :
   1. Retirez le tuyau vertical en PVC et ouvrez le robinet à boisseau sphérique pour vider complètement le système ; Cela peut prendre jusqu’à 2 jours.
   2. Rincez le système avec de l’OSPW et laissez-le se vider complètement, en vous assurant que le tuyau en PVC reste éteint et que le robinet à bille est ouvert. Assurez-vous que l’OSPW utilisé pendant le rinçage n’est pas utilisé pendant l’expérience.
   3. Une fois rincé, fermez le robinet à bille et ajoutez le tuyau en PVC pour correspondre au niveau d’eau souhaité.
9. Ajouter OSPW :
   1. Versez soigneusement l’OSPW dans chaque mésocosme pour éviter de perturber le substrat ou les plantes, en le remplissant jusqu’à ce que le niveau d’eau souhaité soit atteint.
   2. Si vous utilisez plusieurs lots d’eau, assurez-vous que les propriétés chimiques sont constantes ou répartissez-les uniformément dans tous les mésocosmes.
   3. Remplissez le réservoir avec de l’OSPW, en laissant environ 5 cm d’espace par rapport au haut.
10. Gérer l’évaporation :
    1. Remplissez le réservoir d’eau osmosée au besoin, en maintenant le niveau d’eau à environ 5 cm sous le haut.

3. Échantillonnage

1. Mesures des espèces végétales :
   1. À chaque cycle de temps de rétention, mesurez les paramètres de santé et de croissance^{des plantes 16}. Les paramètres de santé des plantes comprennent des signes visibles de stress tels que la chlorose et les dommages causés par les insectes, tandis que les paramètres de croissance des plantes comprennent la mortalité, la hauteur et le pourcentage de couverture.
   2. À la fin de l’expérience, prélever des échantillons pour la biomasse aérienne des plantes et la chimie des tissus végétaux si vous le souhaitez.
      REMARQUE : Les intervalles de surveillance et les mesures utilisés sont recommandés pour étudier l’effet des NAFC sur la santé des végétaux et peuvent différer selon les objectifs expérimentaux.
2. Mesures du substrat :
   1. Caractérisation de base : Avant d’ajouter des substrats à chaque mésocosme, mesurer une série de paramètres (p. ex., pH, conductivité électrique (CE), potentiel d’oxydoréduction (ORP), anions/cations majeurs, nutriments, NAFC et tout autre contaminant pertinent).
   2. Au cours du premier cycle de rétention, prélever des échantillons de substrat dans chaque mésocosme afin d’obtenir une base de référence pour la chimie générale. Prélever des échantillons de substrat à des endroits aléatoires dans chaque mésocosme.
   3. À chaque cycle de temps de rétention, mesurez l’ORP du substrat à l’aide d’une sonde ORP appropriée.
   4. À la fin de l’expérience, prélever des échantillons de substrat dans chaque mésocosme et mesurer les mêmes paramètres que lors de la caractérisation de base (p. ex., pH, CE, ORP, anions/cations majeurs, nutriments, NAFC et tout autre contaminant pertinent).
3. Mesures de l’eau :
   1. Caractérisation de base : avant d’ajouter l’OSPW à chaque mésocosme, mesurer une série de paramètres (p. ex., pH, CE, ORP, anions/cations majeurs, nutriments, NAFC et tout autre contaminant pertinent).
   2. Après le début de l’expérience, prélever les échantillons initiaux d’OSPW dans chaque mésocosme après plusieurs jours (fin du cycle de rétention 1) pour permettre aux sédiments à l’intérieur de l’OSPW de se déposer et pour que l’OSPW remplisse l’espace d’eau interstitielle. Prélever les échantillons OSPW à l’avant de chaque mésocosme.
   3. À chaque cycle de temps de rétention, mesurez l’oxygène dissous (OD), l’ORP, le pH, l’EC et la température à l’aide de l’instrument référencé.
   4. À la fin de l’expérience, prélever les derniers échantillons d’eau pour mesurer la chimie générale, mesurer une série de paramètres (p. ex., OD, pH, CE, ORP, anions/cations majeurs, nutriments, NAFC et tout autre contaminant pertinent).

Figure 1 : Schéma de la conception du mésocosme et du dispositif expérimental. (A) Schéma de la construction du mésocosme et des composants requis. (B) Exemple de configuration expérimentale, y compris l’ajout de substrat et de plantes, ainsi que le placement du réservoir. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Exemple d’aménagement du mésocosme et du réservoir. (A) Aménagement des mésocosmes et des réservoirs-réservoirs dans la serre sans feuille d’aluminium. (B) Plan montrant les mésocosmes et les réservoirs-réservoirs avec une feuille d’aluminium enroulée autour des mésocosmes pour limiter la pénétration de la lumière, avec une pompe pour deux mésocosmes. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Le succès de ce protocole de milieu humide construit en mésocosme est démontré par la croissance et le développement robustes des espèces végétales, la surveillance continue des paramètres environnementaux et l’élimination efficace des contaminants au fil du temps. Les données recueillies par Trépanier et ^coll.17 illustrent l’efficacité de la méthode et les résultats attendus. L’étude a évalué la capacité de Carex aquatilis, un carex aquatique que l’on trouve couramment dans les milieux humides boréals, à réduire les NAFC dans l’OSPW. Il a comparé les performances des mésocosmes avec C. aquatilis à ceux sans plantes, en utilisant soit de l’OSPW, soit de l’eau de procédé fabriquée en laboratoire. Les mésocosmes ont été construits avec un substrat de 10 cm de résidus de sable grossier (CST) superposé à 10 cm de mélange de tourbe minérale (PMM) et 25 cm d’OSPW recouvrant les substrats. Avant l’expérience, les plantes ont été cultivées pendant 3 mois à une hauteur moyenne de 83 cm, puis transplantées dans le système. De l’eau d’osmose inverse a été ajoutée (figure 3) pour acclimater les plantes au mésocosme, et les systèmes ont été maintenus à 20 ^°C pendant 32 jours.

Figure 3 : Espèces de plantation et ajout d’eau d’OI. (A) Ajout du substrat altéré et d’un exemple d’espèces de plantation dans le substrat. (B) Distribution uniforme des espèces végétales dans tout le mésocosme. (C) Ajout d’eau osmosée dans les mésocosmes pour la période d’acclimatation des plantes. Abréviation : RO = osmose inverse. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Les plantes ont montré une croissance robuste tout au long de l’expérience, avec des augmentations notables de la hauteur et du couvert (figure 4). La figure 5 illustre également la croissance constante de C. aquatilis, atteignant une hauteur d’environ 150 cm au jour 40 avant de plafonner. Cette croissance se situait dans la fourchette de croissance prévue de 20 à 155 cm pour C. aquatilis. Le taux de survie des plantes était élevé à 98 %, avec 99 % de tissus végétaux vivants à la fin de l’expérience. Cependant, la plupart des plantes présentaient des signes de chlorose, de nécrose et/ou de marbrures et, dans certains cas, des feuilles déformées et froissées¹⁷. Une surveillance régulière de la santé des végétaux est essentielle pour identifier les problèmes potentiels, tels que les infestations de ravageurs.

Figure 4 : Photos de la croissance des plantes au début et à la fin de l’expérience. Un exemple de photo de la croissance et de la santé de Carex aquatilis du jour 0 au jour 78. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : Hauteur de la plante dans le temps dans le mésocosme contenant Carex aquatilis. Hauteur moyenne des plantes pour Carex aquatilis dans les mésocosmes (n = 48). Le jour 0 est celui où OSPW a été ajouté au système. La période d’acclimatation des plantes fait référence à la période pendant laquelle les mésocosmes contenaient de l’eau d’osmose inverse avant l’ajout de l’OSPW. Les barres d’erreur indiquent un écart-type de la moyenne. Cette figure a été adaptée de Trépanier et ^al.17. Abréviations : RO = osmose inverse ; OSPW = eau affectée par le processus des sables bitumineux. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Les principaux paramètres environnementaux, tels que l’oxygène dissous dans l’eau et l’oxydoréduction du substrat, ont été régulièrement surveillés afin d’assurer un rendement optimal du système, car le maintien de niveaux d’oxygène adéquats est essentiel à la santé des plantes et à l’élimination efficace des contaminants dans le CWTS. Les valeurs d’oxydoréduction du substrat ont fluctué tout au long de l’expérience, les mésocosmes non plantés restant dans des conditions oxydantes entre 50 mV et 100 mV, tandis que les mésocosmes contenant C. aquatilis approchaient parfois 0 mV. L’OSPW a maintenu des niveaux d’OD > 5 ppm tout au long de l’expérience, et l’OD était globalement plus élevé dans les mésocosmes sans plantes, en particulier à la fin de l’expérience (figure 6). Une OD de 8 ppm est souvent considérée comme idéale pour la croissance des plantes ; cependant, une valeur d’OD supérieure à 5 ppm est acceptable. La surveillance régulière permet de déceler les baisses occasionnelles de l’OD, ce qui peut inciter à des vérifications du système, comme la vérification du fonctionnement de la pompe, afin d’assurer un fonctionnement constant.

Figure 6 : Mesures de l’oxygène dissous et de l’oxydoréduction du sol dans les mésocosmes. (A) Oxygène dissous dans l’OSPW et (B) Potentiel d’oxydoréduction du sol pour les mésocosmes avec Carex aquatilis et les traitements non plantés avec uniquement l’OSPW. Les points de données représentent les moyennes de quatre mésocosmes répétés (n = 4), les barres d’erreur indiquant une erreur type de la moyenne. Abréviation : OSPW = sables bitumineux affectés par le processus d’épandage. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

L’objectif principal de l’étude était d’évaluer le potentiel d’atténuation des NAFC par l’OSPW à l’aide d’un CWTS en mésocosme. La figure 7 illustre une baisse graduelle des concentrations de NAFC tout au long de l’expérience, démontrant ainsi l’efficacité du système. La présence de C. aquatilis a amélioré l’élimination des NAFC, avec une réduction de 76 % des NAFC sur 82 jours (de 72,1 mg/L initial à 17,1 mg/L final), comparativement à 8,5 % dans le traitement témoin non planté sur 82 jours (64,5 mg/L initial à 59,0 mg/L final)¹⁷. La réduction réussie de la concentration de NAFC, ainsi que la croissance saine des plantes et les conditions environnementales favorables, confirment que la configuration du mésocosme fonctionne efficacement. Ces résultats démontrent la capacité du système à simuler des zones humides artificielles et fournissent des informations précieuses sur le rôle du CWTS dans la réduction de la toxicité de l’OSPW.

Figure 7 : Concentration de l’ANFC au fil du temps dans les mésocosmes. Concentration des composés de la fraction de l’acide naphténique dans les mésocosmes avec Carex aquatilis et les traitements non plantés avec uniquement l’OSPW. Les points de données représentent les moyennes de quatre mésocosmes répétés (n = 4), les barres d’erreur indiquant une erreur type de la moyenne. Des lettres différentes entre les moyennes indiquent une différence significative (P < 0,05). Cette figure a été adaptée de Trépanier et ^al.17. Abréviations : OSPW = eau affectée par le processus des sables bitumineux ; NAFC = composés de la fraction de l’acide naphténique. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Les CWTS ont été utilisés comme traitement passif et rentable pour de nombreuses eaux usées¹³ ; cependant, il s’agit d’une méthode relativement nouvelle pour traiter l’OSPW pour l’atténuation NAFC^{7, 8, 9, 10, 11, 12, 17, 18}. À l’aide des méthodes décrites dans le présent document, l’efficacité du CWTS peut être améliorée en évaluant divers paramètres de conception.

Les mésocosmes sont assemblés comme le montre la figure 1, ce qui permet d’assurer l’installation d’une tuyauterie de drainage adéquate. Pour éviter les problèmes potentiels d’écoulement ou les temps de rétention inégaux causés par l’obstruction des sorties de substrat, un lave-tuyau avec un tamis filtrant est placé sur le bouchon de drainage inférieur et le trou de drainage supérieur est positionné au-dessus du niveau du substrat. Si des obstructions se produisent malgré ces mesures, une tarière de drainage ou une pression d’air pourrait être utilisée pour éliminer les blocages.

Les mésocosmes sont placés sur des tables de serre renforcées de contreplaqué, avec des seaux de réservoir positionnés aux extrémités des tables pour la recirculation de l’eau. L’eau circule dans le système par gravité, entrant par le tuyau d’entrée et sortant à l’extrémité du trou de drainage de surface avant de retourner au réservoir. Le temps de rétention (jours) a été choisi en fonction des études précédentes sur les milieux humides artificiels⁷. Des pompes de circulation submersibles sont utilisées pour assurer un mélange continu du réservoir. Des pompes doseuses sont utilisées pour faciliter le mouvement de l’eau entre le mésocosme et le réservoir. Il est possible de connecter une pompe doseuse à deux mésocosmes. Les pompes doivent être réglées en fonction d’objectifs expérimentaux afin d’atteindre le débit et le temps de rétention souhaités.

Après la construction du mésocosme, le substrat est uniformément emballé dans le mésocosme, les plantes sont transplantées et de l’eau d’osmose inverse est ajoutée. L’eau osmosée est utilisée initialement pendant la période d’acclimatation des plantes, afin d’assurer le bon fonctionnement du système avec des plantes saines avant de commencer l’expérience. Après la période d’acclimatation, les mésocosmes sont drainés, rincés à 100 % d’OSPW pendant 24 heures pour assurer le remplacement de l’eau interstitielle, puis remplis d’OSPW avant de commencer l’expérience.

Les principales mesures qui devraient être effectuées comprennent les paramètres de santé et de croissance des plantes, les paramètres chimiques du substrat et de l’eau, ainsi que les concentrations du contaminant cible. Des mesures régulières des paramètres de l’eau et du substrat sont prises une fois par cycle pour s’assurer que le mésocosme fonctionne comme prévu. Il est recommandé de mesurer les paramètres de qualité de l’eau, y compris l’OD, l’ORP, le pH et la conductivité, une fois par cycle à l’aide d’un instrument multiparamètre YSI Professional Plus. L’ORP du sol et l’OD de l’eau sont des paramètres clés à surveiller pour s’assurer que les mésocosmes maintiennent les conditions aérobies.

La méthode décrite est très adaptable et peut être modifiée en fonction des objectifs du traitement. Les principales modifications apportées au traitement comprennent, sans s’y limiter, les espèces végétales, l’utilisation de plusieurs espèces végétales, le temps de rétention, les conditions environnementales, la composition et la profondeur du substrat et l’ajout d’engrais. Les espèces végétales doivent être choisies en fonction de caractéristiques qui améliorent la survie des plantes et l’efficacité de la phytoremédiation. Le choix d’espèces végétales indigènes des zones humides adaptées au climat local améliorera les chances de croissance et de survie 11,13,14. Les espèces végétales qui conviennent bien à l’utilisation dans le CWTS comprennent celles qui développent des racines profondes et larges, des rhizomes forts, une croissance rapide, un transport suffisant d’oxygène et des mécanismes pour contrer les effets de la salinité 17,19,20. Il est souvent recommandé d’éviter de planter des mélanges d’espèces végétales, car une plus grande diversité végétale peut entraîner une diminution de la certitude de l’efficacité du CWTS. Surtout si une plante devient dominante, il est difficile de modéliser le comportement du CWTS¹⁴. Les espèces végétales sélectionnées auront également un impact sur l’évapotranspiration, ce qui pourrait avoir un effet de concentration de sel et d’autres contaminants.

Il est important de s’assurer que l’évapotranspiration est prise en compte dans le système ; s’assurer que le niveau OSPW est maintenu avec OI-eau. L’utilisation d’eau municipale ou non osmosée peut entraîner une augmentation d’autres constituants (p. ex., chlorure, calcium, fluorure), ce qui peut avoir une incidence sur les résultats de l’étude en mésocosme. La modification du temps de rétention peut aider à l’aération, en veillant à ce que les différents composants et niveaux du mésocosme ne deviennent pas anaérobies, ce qui pourrait avoir des impacts sur les communautés microbiennes et la santé des plantes.

Les apports pulsés ou intermittents peuvent être utilisés pour simuler la dynamique naturelle des milieux humides (c.-à-d. les tempêtes et le ruissellement saisonnier). Il est important de s’assurer que les variables environnementales (température, conditions d’éclairage et variations saisonnières) sont similaires à celles de la zone d’étude pour extrapoler les travaux aux CWTS à grande échelle, car cela réduira le nombre de nouvelles variables qui auront une incidence sur le système et l’analyse de l’impact de ces variables sur l’efficacité des CWTS pour atténuer les NACA. Le choix de substrats pour les mésocosmes qui peuvent être utilisés sur un CWTS à plus grande échelle aidera à éclairer la conception future et à augmenter l’efficacité du système de traitement. Dans l’exploitation minière des sables bitumineux, les résidus de sable grossier et les mélanges de tourbe et de minéraux sont des substrats et ont déjà été testés dans des études en mésocosme afin de déterminer le substrat optimal pour améliorer la santé des plantes, augmenter les communautés microbiennes bénéfiques et aider à l’atténuation des NAFC¹⁷.

La principale limitation de cette méthode est la taille et la profondeur limitées du mésocosme, ce qui peut avoir un impact sur la croissance des racines et lier les plantes aux racines. Ces contraintes peuvent être surmontées en réduisant la durée de l’expérience et/ou le nombre de plantes individuelles utilisées. Si plusieurs espèces sont utilisées dans le même mésocosme, il pourrait y avoir des effets synergiques ou additifs de la compétition. En fin de compte, la taille et la profondeur du mésocosme peuvent entraîner une durée plus courte de l’expérience, limitant ainsi la quantité de données recueillies. Des expériences à plus long terme peuvent examiner des processus tels que le cycle des nutriments, qui se produit lorsque de la matière organique est ajoutée au système par l’accumulation et la décomposition lente des détritus végétaux et des exsudats racinaires. Cela peut avoir un impact sur les communautés microbiennes et le taux d’atténuation des contaminants. De plus, le cadre de temps expérimental relativement court de cette conception de mésocosme fournit une rétroaction rapide qui peut être utilisée pour améliorer les expériences futures. Des nutriments peuvent être ajoutés au système du mésocosme ; Cependant, le type et la quantité d’engrais ajoutés nécessitent une surveillance approfondie pour prévenir la prolifération d’algues.

Les conditions dans la serre sont réglées pour créer un environnement de croissance optimal ; Les plages de température sont définies de manière à refléter de manière appropriée les températures saisonnières de la région, avec des changements progressifs mis en œuvre pour simuler les fluctuations diurnes naturelles. Les niveaux d’humidité sont également gérés pour varier dans une plage représentative du climat régional. De plus, la serre est conçue pour recevoir 25 000 lux, soit l’équivalent d’environ 200 W/m² de lumière du jour ambiante, pendant les heures de lumière du jour désignées. Pour garantir une intensité lumineuse constante, les lumières LED sont activées chaque fois que les niveaux de lumière naturelle tombent en dessous de ce seuil. L’utilisation d’une serre a aussi ses limites. Bien qu’elles fournissent un environnement contrôlé, les serres peuvent également présenter des défis uniques tels que des infestations de parasites, des effets de serre et la création d’environnements non naturels. Les infestations de parasites sont particulièrement courantes dans les serres et peuvent avoir un impact sur la santé et la croissance des plantes. Pour réduire l’utilisation d’insecticides, les prédateurs naturels ou l’élimination physique des nuisibles sont d’excellentes alternatives. Malgré ces défis, une serre demeure l’environnement optimal pour mener une étude pilote, car elle permet un contrôle précis et un examen des paramètres^{individuels14}.

Cette méthode représente l’une des nombreuses approches de conception d’expériences en mésocosme. Les expériences pilotes de CWTS peuvent être menées soit à l’extérieur^10,21, soit à l’intérieur ^4,17. Les mésocosmes extérieurs sont influencés par des facteurs environnementaux multivariés, qui peuvent interagir de manière complexe et imprévisible. Ces interactions rendent difficile la modélisation de variables individuelles ou l’élucidation des mécanismes spécifiques à l’origine des résultats observés. Par conséquent, il devient difficile de déterminer quels facteurs contribuent au rendement du CWTS et de cerner les possibilités d’améliorer la conception du système ; cependant, ils reproduisent plus fidèlement les conditions CWTS à grande échelle¹⁴. En revanche, les mésocosmes intérieurs offrent un environnement plus contrôlé, minimisant les effets de la nature et d’autres influences externes, ce qui facilite la compréhension des processus et l’identification des paramètres de conception susceptibles d’améliorer les performances.

Les conceptions CWTS présentent généralement un écoulement de surface horizontal^{4, 10, 17, 18} ou un écoulement souterrain vertical¹⁸. La méthode décrite ici représente une conception de mésocosme à écoulement de surface horizontal. Alors que les systèmes à flux verticaux s’appuient sur la gravité pour faciliter le mouvement vertical de l’eau, offrant une meilleure oxygénation et nécessitant moins d’espace, les systèmes à flux horizontal maintiennent des conditions plus stables¹⁰ et améliorent le potentiel de phytoremédiation²². Les mésocosmes offrent des avantages significatifs pour le développement de CWTS en testant les composants intégraux et en améliorant l’efficacité pour les futures applications à grande échelle, en permettant la reproductibilité et le contrôle de l’environnement environnant, et en permettant l’isolement et la mesure de paramètres expérimentaux individuels, tout en suivant les changements biotiques et les voies de dissipation chimique.

Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.

Cette recherche a été financée par le Projet de recherche appliquée à grande échelle de Génome Canada (LSARP, subvention #18207) et le Programme de financement des effets cumulatifs du Service canadien des forêts. Nous tenons à remercier la Compagnie Pétrolière Impériale Ltée d’avoir fourni les matériaux utilisés dans cette recherche. Nous tenons également à remercier tous ceux qui ont participé aux expériences : Ian J. Vander Meulen, Jason M.E. Ahad, Sara Correa-Garcia, Simon Morvan, Marie-Josée Bergeron, Dilini Atugala, Lisa Gieg, John V. Headley, Étienne Yergeau et Christine Martineau. Nous tenons également à remercier Douglas Muench pour la conception expérimentale et le mésocosme. Nous tenons également à remercier le personnel du Centre de foresterie du Nord et les étudiants d’été qui ont aidé tout au long des expériences. Nous tenons à souligner que nos recherches ont été menées sur le territoire du Traité no 6 et que les sources de matériaux pour ces expériences ont été recueillies sur le territoire du Traité no 8. Nous reconnaissons et honorons les Premières Nations, les Métis et les Inuits qui ont vécu, cueilli et voyagé sur ces terres.