La gestion « durable » des ressources en phosphore est aujourd’hui un enjeu important du fait de l’épuisement des réserves naturelles et des besoins croissants de l’agriculture notamment. En parallèle, la protection des écosystèmes conduit à des réglementations de plus en plus strictes des rejets de phosphore. L’objectif scientifique de cette thèse est de contribuer à décrire les mécanismes de rétention et de libération du phosphore dans le cadre du traitement des eaux usées domestiques par filtres plantés de roseaux à écoulement vertical, notamment de mieux comprendre où et sous quelle forme le phosphore est retenu dans le système. Plus particulièrement, les travaux ont porté sur le procédé Azoé NP® proposé par la société française SCIRPE, lequel comprend un prétraitement biologique sur lit bactérien, une précipitation du phosphore par injection de chlorure ferrique, puis deux étages de filtres plantés de roseaux à écoulement vertical partiellement immergés. Dans une première phase, nous avons étudié la plus ancienne station de type Azoé NP® située à Vercia (Jura) qui a été suivie depuis 8 ans. Les résultats ont montré les bonnes performances du procédé et leur maintien sur le long terme malgré la forte augmentation de charge organique en automne provenant d’effluents viticoles. Il a été montré que le phosphore était principalement retenu au sein du premier filtre, essentiellement dans la couche de boues organiques qui se forme en surface du 1er étage. L’utilisation de techniques analytiques complémentaires a permis de montrer notamment que leur minéralisation progressive entrainait une évolution des espèces de phosphore au cours du temps, avec par exemple formation de phosphore apatitique. La rétention du phosphore dans les boues a ensuite été étudiée à l’échelle du laboratoire à l’aide de lixiviations successives dans des conditions extrêmes de pH ou d’oxydo-réduction. Les résultats ont montré une très bonne stabilité en conditions de fonctionnement normales. Des essais pilotes ont enfin été réalisés pour approfondir l’évaluation de l’influence du potentiel redox en faisant varier la hauteur d’immersion du milieu filtrant qui influence les conditions d’oxydoréduction. Ces études ont confirmé la stabilité des procédés Azoé NP® et Azoé P® (correspondant au procédé Azoé NP® sans zone d’immersion) en fonctionnement normal. En conditions d’immersion totale prolongée simulant un dysfonctionnement du système, les performances sont dégradées en une semaine, mais le retour en mode totalement insaturé permet un rétablissement très rapide indiquant la bonne résilience du système. / Nowadays, sustainable management of phosphorus resources is an important issue due to the depletion of natural reserves and growing of its agriculture need. In parallel, the protection of ecosystems leads to stringent regulations concerning treatment of phosphorus in wastewaters. The scientific objective of this thesis was to contribute to describing the phosphorus retention and release in domestic wastewater treatments by vertical flow constructed wetlands, especially to better understand where and in which form the phosphorus is retained in the system. In particular, the work focused on the process Azoé NP® proposed by the French company SCIRPE, which includes a biological pretreatment on trickling filter, precipitation of phosphorus by injection of ferric chloride and two stages of partially flooded vertical flow constructed wetland. First of all, we studied the oldest Azoé NP® type station located at Vercia (Jura, France) which was monitored for 8 years. The results showed that the Vercia treatment plant provided robust year-round treatment of municipal wastewater and winery wastewater during automn. It was found that the phosphorus was principally retained within the deposit organic sludge layer on the surface of the first stage of filteration. The use of additional analytical techniques showed that phosphates species within this deposit layer changed during the mineralization of organic matters over time. The formation of amorphous apatite species was also discussed. The stability of the retention of phosphorus in sludge was then studied at laboratory scale using successive leaching under extreme conditions of pH or redox potential. The results showed a very good stability of sludge from the Vercia plant in normal operating conditions. Pilot tests were finally performed to evaluate the influence water saturation level within the filter medium which affect redox conditions of the system. These studies confirmed the stability of processes Azoé NP® and Azoé P® (corresponding to the process Azoé NP® without water saturation within filter media) during normal operation. Under conditions of prolonged immersion simulating a malfunctionning of the system, the performance was degraded after one week of flooding. However, the return to fully unsaturated mode allowed a very fast recovery of the filter, showing a good resilience of the system.

Les bassins de retenue des eaux pluviales constituent des éléments importants de gestion des rejets urbains de temps de pluie (RUTP). De nombreuses études montrent que, lorsqu’ils sont bien conçus, ils permettent de lutter contre les inondations et de décanter efficacement la pollution métallique et les hydrocarbures fortement fixés aux matières en suspension (MES). Le travail se propose d’étudier les performances de ce type de système afin d’en mesurer et d’en modéliser leur efficacité en termes d’abattement de micropolluants à une échelle évènementielle. Pour cela, il a été développé un suivi expérimental d’un bassin en service sec et étanche de grande taille localisé à l’exutoire d’un bassin versant drainé par un réseau d’assainissement séparatif pluvial faisant partie de l’Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine (OTHU). Ainsi un total de 100 micropolluants (MP) a–t-il été suivi : 22 éléments traces métalliques (ETM), 16 hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), 2 alkylphénols (AP), 5 alkylphénols éthoxylates (APEO), Bisphénol A, 9 polybromodiphényléthers (PBDE) et 45 pesticides. Dans les eaux, ils ont été analysés en phase dissoute et particulaire en entrée et en sortie. 67 % des MP recherchés ont été détectés au moins une fois en entrée ou en sortie. Les concentrations moyennes évènementielles à l’exutoire du bassin versant alimentant l’ouvrage sont comparables aux données de la littérature quand elles existent et montrent une grande variabilité. L’efficacité massique évènementielle (EME) de piégeage des MP a été évaluée selon différentes méthodes, prenant en compte les incertitudes totales. L’efficacité est avérée pour la majorité des ETM et HAP, sur un nombre limité de campagnes pour les PBDE et les APEO, très limité pour le 4-Tert-Octylphénol et le 4-Nonyphénol (1 sur 5). Les performances de l’ouvrage ont été mises en avant pour 7 pesticides (sur 15 détectés) mais des efficacités négatives témoignent d’un relargage possible des polluants. L’étude des sédiments accumulés dans le bassin depuis 6 ans montre qu’ils sont assez chargés tant en métaux, HAPs qu’en 4-Nonylphénol, BDE209 et Diuron. Enfin, nous avons expérimenté 3 niveaux de modèles afin d’identifier des pistes pertinentes pour la suite des travaux dans ce domaine. / Detention basins are at stake in urban stormwater discharges (USWD) management strategies. If well designed, they are not only used to mitigate stormwater flood impacts but also to trap metals and hydrocarbon compounds strongly bounded to total suspended solids (TSS). An experimental monitoring, in the framework the Field Observatory on Urban Hydrology (OTHU), was developed on a large dry detention basin located at the outlet of a catchment drained by a separate stormwater system. This basin presents a rather classical and current configuration.A sum of 100 substances was studied: 22 metals (ETM), 16 polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), 2 alkylphenols (AP), 5 ethoxylate alkylphenols (APEO), Bisphénol A, 9 polybromodiphenylethers (PBDE) and 45 pesticides. They were analyzed in both dissolved and particulate phases in water at the inlet and outlet of the device. 67% of MP studied was detected at least once at the inlet or outlet. Event mean concentrations were in the same range as literature data when available and showed an important variability.Event mass efficiency (EME) in trapping MP was assessed by different methods taking account for global uncertainties. Acceptable efficiency was found for most of ETM and PAH and in a lesser extent for PBDE and APEO on a limited number of campaign. The detention basin had only a positive impact on alkylphenols (4-Tert-Octylphenol and 4-Nonylphenol) for one campaign out 5. Negative values for 7 pesticides (among 15 detected) indicated possible pollutant release. Accumulated sediments study showed high MP concentrations in particular for metals, PAH, 4-Nonylphenol, BDE209 and Diuron. Lastly, different levels of models were tested to try to identify relevant ones for further work.

Dans un contexte de raréfaction de la ressource en eau, le traitement des eaux usées peut permettre de constituer des réserves d’eau durables et valorisables pour des usages variés tels que l’irrigation des cultures, la recharge de nappe phréatique ou encore une utilisation directe par les industries grandes consommatrices d’eau (cimenterie, aciéries…). Ainsi, la nécessité d’améliorer le traitement des eaux usées en sortie de STEU devient primordial afin d’assurer une qualité chimique et microbiologique de l’eau compatible avec sa réutilisation. Le traitement des micropolluants constitue notamment un nouveau défi pour les STEU. Si des projets de recyclage des eaux usées émergent pour les grandes STEU, le potentiel des petites ou moyennes STEU, qui constituent près de 90% des installations en France, reste inexploité à l’heure actuelle. Pour y remédier, les procédés d’oxydation avancée, notamment ceux basés sur l’UV, se présentent comme des solutions de traitement prometteuses. L’objectif de cette étude est de démontrer que la technologie UV/H2O2 est efficace et économiquement réaliste pour la désinfection et l’élimination des micropolluants organiques dans ces petites et moyennes STEU. Dans une première phase, un pilote de laboratoire UV/H2O2 a été évalué en conditions réelles (débit, matrice) sur des modèles bactériens et sur des micropolluants estrogéniques (E1, E2 et EE2) dans les eaux usées traitées d’une STEU. L’efficacité du traitement est comparée à celle de la photolyse seule. Il a été montré que le traitement UV/H2O2 permet une amélioration de la désinfection en assurant une destruction des bactéries contrairement à la photolyse seule qui ne fait qu’inactiver les micro-organismes. D’autre part, les doses UV (plus petit 600 mJ/cm²) et les concentrations en H2O2 étudiées (30-50 mg/L d’H2O2) permettent d’abattre plus de 80% de l’ensemble des micropolluants ciblés et de l’activité biologique (estrogénicité) associée, sans former de sous-produits estrogéniques ou toxiques au regard des tests d’activité employés dans l’étude (YES et Vibrio Fisheri). Parallèlement, il a été montré que le procédé UV/H2O2 est également efficace pour éliminer plus de 70% des produits pharmaceutiques (diclofénac, ibuprofène et naproxène) à 1000 mJ/cm². Sur la base des paramètres de traitement établis en pilote de laboratoire, un prototype a été dimensionné pour la STEU de Vercia (filtre planté de roseaux, 1100 EH, Jura). Les conditions de traitement mises en œuvre (dose UV plus pertit 1000 mJ/cm², [H2O2] = 15 mg/L) ont permis d’obtenir une eau de très haute qualité bactériologique et des abattements des micropolluants suivis supérieurs à 90%. Cette expérimentation à échelle réelle a permis d’estimer le coût global de cette technologie à environ 0,28 €/m³. L’ensemble de ce travail de recherche conclue à l’efficacité et au fort potentiel de la technologie UV/H2O2 pour le recyclage des eaux usées traitées des petites et moyennes STEU. / Water scarcity is a growing concern worldwide. In this context, treated wastewater is seen as a sustainable water resource which could be used for different purposes such as irrigation, groundwater recharge or industrial activities. Reclaimed water is an environmentally and economically solution, still poorly developed in France. However, an increasing demand is expected in the coming years. Therefore, treatment enhancement in wastewater treatment plant could be necessary in order to meet chemical and biological water quality requirements which will depend on the final use of the treated water. The treatment of emerging micropollutants is one of the new challenge WTP will have to cope with. Enhanced treatment processes (ozonation, activated carbon, membrane filtration) have already been set up in large WTP but small and medium WTP, representing around 90% of the French WTP, are still lacking of affordable treatment solutions. However, UV based advanced oxidation process (AOP) could be a promising technology in order to produce a water of high quality. The aim of this study is to demonstrate that UV/H2O2 process is technically and economically efficient for the disinfection and the removal of micropollutants in small and medium WTP. First of all, a UV/H2O2 pilot at a laboratory scale was assessed on bacterial models as well as estrogenic micropollutants (E1, E2 and EE2) in treated wastewater. Treatment efficiency was compared to UV photolysis. It was shown that UV/H2O2 treatment increased the disinfection process by destroying the cellular membrane integrity whereas the UV photolysis could only inactive the bacteria. Moreover, when combining UV (plus petit 600 mJ/cm²) and H2O2 (30-50 mg/L), above 80% of the estrogenic compounds and the associated estrogenic activity could be removed. No high estrogenic or toxic by-products were detected by the two bioassays used in this study (YES and vibrio fisheri). The UV/H2O2 process could also degrade pharmaceuticals such as diclofenac, ibuprofen and naproxen (>70 % at 1000 mJ/cm²). In a second part, a full scale pilot was designed based on the previous results and set up in a WTP in Vercia (Jura). The treatment (UV fluence ≈ 1000 mJ/cm², [H2O2] = 15 mg/L) allowed to obtain a water of a very high bacteriological and chemical quality. The global cost of the process was estimated at around 0.28 €/m³. This study demonstrates the efficiency of the UV/H2O2 process in a small WTP and its high potential for reclaimed water production

Le sulfure d’hydrogène (H2S) est un gaz malodorant, dangereux, et responsable de la corrosion du béton dans les canalisations d’eaux usées. Ce dernier phénomène est très coûteux pour les collectivités. Le composé H2S est généré sous forme soluble dans les zones anaérobies des réseaux d’assainissement (biofilms, sédiments, zones stagnantes ou conduites forcées) et est ensuite émis dans l’atmosphère des canalisations sous forme gazeuse dans les conduites gravitaires. Des modèles sont nécessaires pour améliorer la conception et la gestion des systèmes de collecte des eaux usées. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes de transfert d’H2S lors de l’écoulement gravitaire d’un liquide saturé en gaz dissous. Nous avons développé des techniques de mesure du coefficient de transfert à l’interface liquide-gaz pour le sulfure d’hydrogène et pour l’oxygène. L’influence des conditions hydrodynamiques (vitesse d’eau), aérauliques (vitesse d’air) et de la surface d’échange a été étudiée dans différentes géométries : une cuve agitée de 5 L et une canalisation de 10 mètres de longueur. Nous avons ainsi pu établir la forte influence de la vitesse d’eau sur le coefficient de transfert global. Cette approche expérimentale a été complétée par une approche de modélisation. En utilisant la mécanique des fluides numérique, nous avons essayé de comprendre l’évolution du coefficient de transfert à partir des fluctuations hydrodynamiques locales observées à proximité de l’interface liquide gaz. Les paramètres les plus pertinents pour expliquer les observations effectuées semblent être les grandeurs liées à la turbulence. L’application future de ce type de corrélation serait l’estimation et la prévision des zones d’émissions d’H2S. Ainsi serait-il possible d’identifier les points nécessitant une surveillance et une maintenance particulière. / Hydrogen sulfide (H2S) is a harmful and odorous compound which is also responsible for concrete corrosion in sewers. This phenomenon is costly for the communities. H2S is generated in anaerobic zones in sewer networks (biofilms, sediments, forced mains or stagnant zones), and released into the atmosphere under the form of H2S(g) in gravity pipes. Knowledge-based models are needed to improve the design and the management of wastewater collection systems. The objective of this PhD work is to better understand the mass transfer mechanisms of a water flow saturated in H2S when the flow becomes free. We plan to develop a technique to access the global mass transfer coefficient at the liquid- gas interface for H2S and O2. The effect of hydrodynamic, aeraulic conditions and the liquid-gas surface area on the transfer coefficient were studied in different geometries: small batch reactor of 5L and 10 meter sewer pipe device. A strong influence of the flow velocity on the global transfer coefficient was observed. This experimental approach was completed with a numerical approach. The use of computational fluid dynamics permitted to understand the behavior of transfer coefficient from local hydrodynamics fluctuations observed near the liquid/gas interface. The direct application of this kind of correlation would be the estimation of the transfer fluxes and the localization of hazardous areas for H2S concentration. Consequently it could be possible to identify the sensitive zones requiring a follow-up of the system or a strengthening of the structures.