Réalisés à Mayotte, ces travaux ont permis d'évaluer les capacités de bioremédiation d'une mangrove vis-à-vis d'eaux usées domestiques prétraitées en valorisant cet écosystème à haute valeur écologique, soumis à une pression anthropique importante. A partir d'un réseau de parcelles (témoins et impactées par des effluents domestiques), un suivi a été réalisé sur la mangrove : végétation, eau, sédiment, crabes. Les résultats montrent que cet écosystème joue un rôle analogue à celui des filtres plantés et semble être adaptée pour un traitement secondaire. Cependant, si les conclusions à court terme paraissent encourageantes, l'impact à long terme des eaux usées sur la biodiversité de cet écosystème et sur son fonctionnement reste à approfondir avant d'utiliser un tel système de traitement in situ.

Les limites de rejets deviennent de plus en plus strictes pour les petites collectivités et les zones sensibles à l’eutrophisation. L’objectif est de mettre en conformité les collectivités au titre des nouvelles obligations (jusqu’au 15 mgNGL.L⁻¹ et 2 mgPtot.L⁻¹) avec une attention particulière sur l’amélioration du traitement des eaux usées des petites collectivités (< 2000 EH).En France, l'utilisation de stations d’épuration par filtres plantés de roseaux (FPR) pour traiter les effluents domestiques de petites communautés (< 2 000 EH) a suivi une augmentation exponentielle au cours des dernières années. La filière de FPR classique permet de bonnes performances épuratoires en termes de MES, DCO et TKN, néanmoins ce procédé présente de faibles taux de dénitrification (NGL) et d'élimination du phosphore (PTOT).L’objectif de ce travail de thèse a été de développer des solutions innovantes pour le traitement des eaux usées domestiques pour les petites collectivités < 2000 EH en utilisant différentes voies d’intensifications et de combinaison de procédés. Une approche intégrée a été suivie avec des expériences en laboratoire, et une étude sur pilotes en conditions réelles pendant 26 mois. Une comparaison des résultats obtenus sur les pilotes avec des résultats obtenus sur des démonstrateurs de pleine échelle a également été effectuée.L’utilisation de zéolite a permis d’améliorer les performances par l’adsorption de NH4-N, avec des concentrations inférieures à 15 mg.L⁻¹ en été, dans une configuration plus profonde des filtres (95 cm) avec de dispositifs d’aération passive. Cependant, des fluctuations ont été observées à baisses températures.Une configuration basée sur la combinaison de conditions non saturées – saturés pour favoriser la pour l’élimination de NGL a été évaluée. De la même façon, la zéolite a permis d’améliorer l’élimination de NH₄-N et favoriser la nitrification. Les concentrations en sortie ont été de 40 et 52 mgNGL.L⁻¹ pour le filtre de zéolite et gravier respectivement.L'utilisation de la recirculation à pleine échelle a permis d'améliorer les performances dans un seul étage non saturé/saturé. Ces résultats sont toutefois préliminaires dans la mesure où ces stations sont en période de démarrage et de maturation et que peu de Bilan 24h étaient disponibles, ce qui rend difficile la comparaison avec les pilotes. / Discharge limits are becoming increasingly stringent for small communities and sensitive eutrophication areas. The objective is to established new community obligations by setting environmental quality targets (up to 15 mgNGL.L⁻¹ and 2 mgPtot.L⁻¹) especially to the improvement of wastewater treatment in small communities (<2000 p.e). In France, the use of Treatment Wetlands to treat domestic wastewater from small communities (<2 000 p.e.) has increased exponentially in recent years. The classical Vertical Flow Treatment Wetland (VFTW) enable very good performances removal in terms of TSS, COD and TKN, nevertheless denitrification (TN) and phosphorus removal (Ptot) are limited. The aim of this work was to develop innovative solutions, allowing the reduction of the footprint and the improvement of the classical French VFTW in terms of nitrogen (N) removal. An integrated approach was followed with pilot scale experiments and full scale systems using real wastewater during 26 months. A comparison between results of pilots and full-scale was also carried out.The use of zeolite allowed to improve the performances by the adsorption of NH₄-N, with lower concentrations in summer (15 mg.L⁻¹), using a compact filter (95 cm) with passive aeration pipes. However, fluctuations were observed at low temperatures decreasing the removal performances.Similarly, a configuration based on the combination of unsaturated-saturated conditions for NGL removal was evaluated. The zeolite was used in the unsaturated layer to improve the NH₄-N removal and nitrification. Indeed, it has been observed that the zeolite improves the purifying performance compared to a filter filled only with gravel. The outlet concentrations were 40 and 52 mgNGL.L⁻¹ for zeolite and gravel filters respectively.The use of recirculation in full scale systems has improved removal performances in unsaturated / saturated single stage. However, these are preliminary results as these stations are in the start-up and maturation period, few 24 h samples were available, which makes the comparison difficult.

En France, 13 millions de personnes sont concernées par l’assainissement non collectif (ANC). Un système d’ANC est composé d’un prétraitement, en général une fosse toutes eaux, suivi d’un système de traitement. Les récentes évolutions réglementaires ouvrent un éventail de possibilités quant aux systèmes de traitement possibles pour traiter les eaux usées. L’objectif de ce travail de thèse est de développer un système de traitement des eaux usées à partir de biomasse végétale issue de déchets de l’agriculture. Un suivi analytique de six habitations individuelles a permis l’étude des caractéristiques des eaux usées avant et après leur entrée dans le système de prétraitement. Ces eaux sont caractérisées par une grande variabilité d’une famille à une autre ainsi qu’au sein d’une même habitation. La charge organique par habitant à traiter est en moyenne de 60 gDBO5.j-1 pour un volume d’eau rejeté de 90 L.j-1, soit des effluents deux fois plus concentrés que ce qu’indique la réglementation. Le dimensionnement et le suivi d’un pilote à l’échelle laboratoire ont permis d’évaluer la potentialité de plusieurs milieux végétaux pour le traitement des eaux usées prétraitées. Ils sont comparés à un milieu de référence ayant une efficacité prouvée en traitement des eaux. L’étude des performances épuratoires, pour deux charges volumiques différentes, des différents milieux a été réalisée sur quarante semaines. Cette étude a permis l’élaboration et la mise en place d’un pilote in situ à l’échelle de la maison individuelle. La démarche de l’analyse de cycle de vie a été appliquée au pilote in situ dans le but d’optimiser le procédé mis en place. De plus, l’ACV a permis d’effectuer une comparaison avec différents procédés existants. / In France, 13 million people are concerned by on-site wastewater treatment (OSWWT). An OSWWT system consists of pretreatment, usually a septic tank, followed by a treatment system. Recent regulatory developments open up a range of possibilities as to possible treatment systems for wastewater treatment. The objective of this thesis is to develop a system of wastewater treatment based on plant biomass from waste of agriculture. Analytical monitoring of six individual houses allowed the study of the characteristics of the wastewater before and after their entry into the pretreatment system. Waters are characterized by a wide variability from one family to another and from the same house. The organic load per person is treating an average of 60 gDBO5.j-1 for a volume of water discharged 90 L.j-1, that to say effluent two times more concentrated than indicated by the regulations. The design and monitoring of a pilot scale laboratory were used to evaluate the potential of several plant biomass for the treatment of pretreated wastewater. They are compared to a reference medium with proven effectiveness in water treatment. The study of treatment performance for two different volume loads of different backgrounds was performed during forty weeks. This study resulted in the development and implementation of a pilot in situ for single house. The approach of life cycle analysis has been applied to in situ pilot in order to optimize the process in place. In addition, LCA has to make a comparison with different existing OSWWT.

Une méthode miniaturisée de fractionnement de la Demande Chimique en Oxygène (DCO) dans les eaux usées a été développée pour vérifier une possible variabilité à court terme de ce fractionnement et son influence sur le comportement des installations d’épuration par boues activées. Des tests de biodégradabilité, en réacteur fermé, ont été effectués avec des échantillons moyens horaires de temps sec (24h) provenant de deux stations d’épuration urbaines. Les analyses réalisées ont concerné la DCO totale et soluble, la Demande Biologique en Oxygène, les matières sèches et en suspension, l’ammonium et ont été complétées par des analyses spectrales (UV-visible et fluorescence). Globalement, en accord avec les données de la littérature, les fractions biodégradables sont les plus importantes en terme de concentration. Une variabilité journalière du fractionnement a été observée, sans qu’il soit possible de dégager des tendances particulières indiquant la prééminence de telle ou telle fraction. L’effet de la variabilité du fractionnement a été testé en boucle ouverte en utilisant un schéma classique d’épuration du carbone et de l’azote dans un simulateur de référence, le Benchmark Simulation Model 1. Les simulations ont permis de vérifier l’importance de la variabilité du fractionnement de la DCO sur une station d’épuration. Les concentrations en DCO dans l’effluent sont affectées par le rapport entre la fraction biodégradable et inerte, mais restent dans une limite acceptable par rapport aux normes de rejet. La situation est différente et plus délicate pour les rejets en matières azotées car ils sont proches des limites fixées par la réglementation / A miniaturized method has been developed for the fractionation of Chemical Oxygen Demand (COD) in wastewater in order to assess its variability and its effects on the behaviour of wastewater treatment plants by activated sludge. Biodegradability tests have been performed in batch reactor on daily composite samples grabbed by dry weather with a 1h sampling interval. The method has been applied on samples from two urban wastewater treatment plants. The samples were analysed for total and soluble COD, Biological Oxygen Demand, turbidity, total suspended solids and N-NH3. UV-visible and fluorescence spectra have also been collected. It has been observed, as in literature, that the biodegradable fractions are the most significant ones in terms of concentration. A variability of the fractionation during the day has been observed, although it was not possible to determine definite tendencies for particular fractions. In order to evaluate the effect of the variability of the fractionation, the Benchmark Simulation Model n°1 has been used. The sensibility analysis has been performed in open loop. The simulations allowed verifying the impact of the variability of the fractionation on a treatment plant based on a classical setup for the treatment of carbon and nitrogen. The COD concentrations of the plant effluent are affected by the ratio between the biodegradable fraction and the non-biodegradable one, although staying in an acceptable limit according to the discharge limits. The same is not true for the nitrogen, which are close to these limits

Ce travail est consacré à l’étude d’un procédé d’oxydation avancée (POA) basé sur la génération de radicaux sulfates (SO4•-) pour l’élimination de substances pharmaceutiques dans le cadre du traitement d’effluents urbains. Quatre substances pharmaceutiques azotées (carbamazépine, diclofénac, sulfaméthoxazole et ciprofloxacine) appartenant à des familles thérapeutiques différentes ont été choisies en tant que contaminants modèles. L’évaluation de la performance cinétique des procédés basés sur la génération de HO• (H2O2/Fe(II) et UV-C/H2O2) et de SO4•- (HSO5-/Co2+, UV-C/S2O82- et UV-C/HSO5-) a été conduite dans des effluents de stations d'épuration traités biologiquement. La comparaison des procédés non photochimiques et photochimiques a été conduite dans les mêmes conditions optimales et montre que les procédés générant des SO4•- sont moins inhibés par la matrice environnementale que les procédés produisant HO•. La réaction de transfert électronique est mise en évidence par l’identification de produits de transformation des contaminants d’étude par chromatographie liquide couplée à un spectromètre de masse à haute résolution. Le début d’oxydation démarre par un transfert d’un électron sur les groupements azotés générant ainsi un radical cation qui réagit avec l’eau ou l’O2. La dégradation du sulfaméthoxazole est le cas le plus évident grâce à sa fonction amine primaire (aniline) qui se transforme en fonction nitro. On peut par conséquent envisager des nouvelles stratégies de traitement des eaux usées urbaines par la génération de SO4•-. / This work is devoted to the study of an alternative advanced oxidation process (AOP) generating sulfate radical (SO4•-) for the removal of pharmaceuticals in municipal wastewater effluents. Four nitrogen containing pharmaceuticals (carbamazepine, diclofenac, sulfamethoxazole and ciprofloxacin) belonging to different therapeutic classes were chosen as model contaminants. The evaluation of the kinetic performance of processes based on the generation of HO• (H2O2/Fe(II) and UV-C/H2O2 ) and SO4•- (HSO5-/Co2+, UV-C/S2O82- and UV-C/HSO5- ) was conducted in biologically treated effluent. Comparison of photochemical and non- photochemical processes performed under the same optimal conditions showed that the processes generating SO4•- are less inhibited by the environmental matrix than processes producing HO•. This electron transfer reaction is demonstrated by the identification of transformation products using liquid chromatography coupled to high resolution mass spectrometer. Oxidation of parent compounds starts by an electron transfer reaction on the nitrogen groups thereby generating a cation radical which further reacts with water or O2. The sulfamethoxazole degradation pathway gives more insights into this mechanism due to the primary amine moiety (aniline) which is converted into nitro function. This treatment system can be regarded as a new strategy for the treatment of urban wastewater contaminated by pharmaceutical residues through the generation of SO4•-.

L’aménagement des systèmes d’assainissement conventionnel des eaux usées domestiques entraine actuellement la déplétion de ressources naturelles et la pollution des milieux récepteurs. L’utilisation d’une approche écosystémique plus globale telle que l’Assainissement Écologique, visant la fermeture du cycle de l’eau et des éléments nutritifs (phosphore et azote), contenus dans les excréments, par leur réutilisation à travers l’agriculture, permettrait d’améliorer de façon écologique cette situation. Toutefois, ce paradigme émergent est peu enseigné aux professionnels de l’aménagement responsables de sa planification, surtout au niveau de son application dans les pays développés nordiques. C’est pourquoi, afin d’améliorer la planification de ce type de système, il faut informer ces derniers des pratiques les plus adéquates à adopter. Pour y arriver, un scénario d’aménagement type a été développé à partir d’une revue exhaustive de la littérature et de l’analyse des données en se basant sur les recommandations de l’approche en fonction du contexte étudié. Ce scénario aidera les professionnels à mieux comprendre l’Assainissement Écologique et son aménagement. Il représente alors un point de départ pour les discussions interdisciplinaires et participatives que celui-ci requiert. En conclusion, il y a encore de nombreux manques d’informations concernant l’utilisation de traitements alternatifs dans les climats nordiques et l’acceptation de ceux-ci par les usagers. De plus, les cadres législatifs demeurent un obstacle considérable à l’aménagement d’un tel système. Cette recherche permet cependant de démystifier l’approche auprès des professionnels et pourrait aider à modifier certains cadres législatifs afin d’y intégrer sa philosophie. / At the moment, the planning of conventional sanitation systems for the treatment of domestic wastewater is responsible for the depletion of natural resources and pollution of receiving waters. A more holistic approach, respecting the local ecosystem, such as the new paradigm of Ecological Sanitation would greatly improve this situation. The idea pursues the closure of water and nutrients (nitrogen and phosphorus found in the human excreta) cycles through their reuse in agriculture. However, this new approach remains relatively unknown except for a few planning professionals responsible for the implementation of sanitation systems especially in the context of northern industrialized countries. Therefore to enhance the design of this kind of system, there is a need to educate and inform these professionals on more suitable treatment options to adopt. To achieve this, a planning scenario has been developed using a literature review and analysis of the data using a grid based on the recommendations of the paradigm when planned in this particular context. This scenario will help the professionals to better understand the philosophy of this approach and its implementation. It will represent a starting point for the interdisciplinary and participatory discussions that this approach demands. In conclusion, there is still a lack of knowledge surrounding the use of certain alternative options and their degree of acceptance by the public. Moreover, the legislation surrounding sanitation represents a significant obstacle to the implementation of this sort of alternative system. Still, this research helps the planning and design professionals demystify the new paradigm and may even be helpful in the modification of laws for the integration of its philosophy.

L’aménagement des systèmes d’assainissement conventionnel des eaux usées domestiques entraine actuellement la déplétion de ressources naturelles et la pollution des milieux récepteurs. L’utilisation d’une approche écosystémique plus globale telle que l’Assainissement Écologique, visant la fermeture du cycle de l’eau et des éléments nutritifs (phosphore et azote), contenus dans les excréments, par leur réutilisation à travers l’agriculture, permettrait d’améliorer de façon écologique cette situation. Toutefois, ce paradigme émergent est peu enseigné aux professionnels de l’aménagement responsables de sa planification, surtout au niveau de son application dans les pays développés nordiques. C’est pourquoi, afin d’améliorer la planification de ce type de système, il faut informer ces derniers des pratiques les plus adéquates à adopter. Pour y arriver, un scénario d’aménagement type a été développé à partir d’une revue exhaustive de la littérature et de l’analyse des données en se basant sur les recommandations de l’approche en fonction du contexte étudié. Ce scénario aidera les professionnels à mieux comprendre l’Assainissement Écologique et son aménagement. Il représente alors un point de départ pour les discussions interdisciplinaires et participatives que celui-ci requiert. En conclusion, il y a encore de nombreux manques d’informations concernant l’utilisation de traitements alternatifs dans les climats nordiques et l’acceptation de ceux-ci par les usagers. De plus, les cadres législatifs demeurent un obstacle considérable à l’aménagement d’un tel système. Cette recherche permet cependant de démystifier l’approche auprès des professionnels et pourrait aider à modifier certains cadres législatifs afin d’y intégrer sa philosophie. / At the moment, the planning of conventional sanitation systems for the treatment of domestic wastewater is responsible for the depletion of natural resources and pollution of receiving waters. A more holistic approach, respecting the local ecosystem, such as the new paradigm of Ecological Sanitation would greatly improve this situation. The idea pursues the closure of water and nutrients (nitrogen and phosphorus found in the human excreta) cycles through their reuse in agriculture. However, this new approach remains relatively unknown except for a few planning professionals responsible for the implementation of sanitation systems especially in the context of northern industrialized countries. Therefore to enhance the design of this kind of system, there is a need to educate and inform these professionals on more suitable treatment options to adopt. To achieve this, a planning scenario has been developed using a literature review and analysis of the data using a grid based on the recommendations of the paradigm when planned in this particular context. This scenario will help the professionals to better understand the philosophy of this approach and its implementation. It will represent a starting point for the interdisciplinary and participatory discussions that this approach demands. In conclusion, there is still a lack of knowledge surrounding the use of certain alternative options and their degree of acceptance by the public. Moreover, the legislation surrounding sanitation represents a significant obstacle to the implementation of this sort of alternative system. Still, this research helps the planning and design professionals demystify the new paradigm and may even be helpful in the modification of laws for the integration of its philosophy.