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.

A l'heure actuelle, des sédiments fluviaux et lacustres se trouvent pollués par les polychlorobiphényles (PCB), à des degrés de gravité divers. Les PCB se présentent comme des micropolluants persistants dans l'environnement et nuisibles à la santé. Un programme de recherche " PCB-Axelera " est conduit afin de pencher sur cette problématique et explorer les solutions de diminution de cette pollution. En France, l'ensemble des arrêtés préfectoraux (30/10/2002 et 14/06/2000) et le décret du 18/04/2002 considèrent les sédiments pollués comme déchets et autorisent leur stockage dans les installations de stockage de déchets si leurs teneurs en PCB sont comprises entre 0,68 ppm et 50 ppm. L'objectif principal de cette étude est de concevoir une méthodologie adaptée pour une installation de déchets non-dangereux ISDND. Les géomatériaux dans ce stockage seront utilisés comme barrière d'étanchéité pour les sédiments pollués. L'étude est composée de trois parties : Dans la première partie la caractérisation hydromécanique chimique des sédiments pollués par les PCB est présentée. La classification des sédiments est effectuée. Le comportement mécanique du sédiment est déterminé à l'aide de l'œdomètre. Quant au comportement hydromécanique il est étudié à l'aide du filtre presse et du perméamètre à paroi rigide (PPR). Cette caractérisation est indispensable pour proposer la meilleure mise en œuvre des sédiments dans le centre de stockage. Dans la deuxième partie, les performances hydraulique (perméabilité) et mécanique (gonflement) des différents géomatériaux en contact avec un fluide extrait du sédiment et d'autres fluides synthétiques contenant des PCB sont explorées. L'étude du gonflement des géomatériaux est réalisée à l'échelle du laboratoire tandis que, l'étude de sa performance hydrique est réalisée sur deux échelles centimétrique et métrique. L'étude menée sur un pilote de 1,2 m3 de volume comprenant un système de pluviation automatique a permis de suivre les tassements à l'aide d'un capteur ultrason et de mesurer la perméabilité des sédiments et des géomatériaux sous conditions réelles de stockage. Dans la troisième partie, un modèle hydraulique 1D est développé afin de suivre le front d'eau au sein d'un échantillon de sédiment soumis à une charge hydraulique représentant l'expérimentation dans un PPR. La méthode VER est utilisée. Les résultats expérimentaux montrent que le degré de contamination en PCB de ces sédiments n'influence pas le comportement hydromécanique et donc la qualité d'étanchéité des géomatériaux étudiés. Les résultats numériques de simulation du comportement hydraulique du sédiment sont en concordance avec les résultats expérimentaux. La solution de stockage hors site des sédiments pollués est alors envisageable puisqu'elle confine la pollution en éliminant le risque de contamination du milieu environnant.

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.

Le dragage de sédiments marins produit des millions de tonnes de déchets chaque année qu’il faut gérer durablement. Les deux sédiments étudiés, conservés dans des conditions anoxiques sous eau (sédiment brut), et oxiques soumis à l’altération naturelle (sédiment vieilli), présentent une contamination élevée en cuivre, plomb et zinc prépondérante surtout dans les fractions fines. Des phases réactives ont été identifiées telles que sulfures et matière organique, auxquelles le cuivre et le zinc sont en grande partie liés. Un dispositif expérimental innovant couplant un test de consommation d’oxygène à une colonne de lixiviation a été développé ; il a permis de mettre en évidence la réactivité des sulfures encore présent dans le sédiment vieilli malgré les conditions de stockage à l’air ambiant. La composante biologique a été étudiée également, à travers un test qualitatif mesurant l’impact des bactéries sulfo- et ferrooxydantes sur les paramètres pH et Eh des sédiments. Malgré l’importante concentration en carbonates conférant un pouvoir de neutralisation élevé, la communauté des bactéries neutrophiles sulfooxydantes a été capable d’abaisser le pH jusqu’à 4,5 – 5 unités. Cette réactivité a été contrôlée en soumettant les sédiments à un traitement de stabilisation-solidification avec des liants hydrauliques. L’évaluation environnementale par des tests cinétiques en mini-cellules d’altération et des tests de lixiviation en monolithe a démontré la bonne stabilisation des éléments métalliques pour les deux sédiments. Leur valorisation en mortiers cimentés a donc été envisagée. L’étude de la résistance mécanique de la substitution du sable par les sédiments entiers a montré la mauvaise résistance mécanique. En revanche, après application d’un traitement d’enlèvement de la fraction fine contaminée, la résistance s’est montrée satisfaisante pour des applications non-structurantes et constitue ainsi une filière de traitement et de valorisation pertinente dans la gestion de sédiments. / Millions of tons of sediments are dredged every year leading to a need for a sustainable management. Both studied sediments, stored in anoxic conditions under a layer of water (raw sediment), and in oxic conditions submitted to natural weathering (weathered sediment), showed high contamination of copper, lead and zinc, concentrated mainly in the finer fraction. Reactive phases such as sulfides and organic matter were observed, with which copper and zinc are partially linked. An innovative experimental set-up coupling an oxygen-consumption test with a column leaching test has been developed; this set-up highlighted the sulfides reactivity which is still occurring in the weathered sediment, despite years of natural aging. The biological component of this reactivity has been also studied, through a qualitative assessment of the impact of iron- and sulfur-oxidizing bacteria on pH and Eh of sediments. Although high amount of carbonates responsible for important neutralization potential were detected, bacterial community of neutrophilic sulfur-oxidizing bacteria has been able to lower the pH until 4.5 – 5 units. This reactivity is controlled by submitting both sediments to a stabilization/solidification treatment with hydraulic binders. Environmental assessment with kinetic test in weathering cells and monolithic leaching test demonstrated that trace metals appear well stabilized for both sediments. Thus, their valorization in cemented mortars has been assessed. When total sediments were fully substituted to sand, they showed poor mechanical strength. However, when a sieving treatment for removing of the fine contaminated fraction was applied, the sediments mortars revealed good mechanical strength for use in non-structural applications. This research confirmed thus that the reuse of the coarser fraction of a marine sediment, raw or weathered, offered an efficient and interesting way of treatment and valorization.

Les filtres plantés de roseaux à écoulement vertical (FPR-V) pour le traitement des eaux usées domestiques sont relativement bien développés en France et permettent de réaliser un traitement poussé de la matière carbonée et la nitrification. La robustesse de cette filière réside également dans sa capacité à accepter des surcharges hydrauliques en temps de pluie. Cependant ces limites d’acceptation hydraulique ne sont pas bien définies et demandent à être optimisées. La conception des FPR-V pour accepter des surcharges hydrauliques est un travail complexe car le contexte local affecte fortement les débits d’eau entrants dans la station lors d’un événement pluvieux. Dans de tels cas, la conception de filtres demande l’utilisation de modèles dynamiques. Ces modèles s’appuient le plus souvent sur une approche mécanistique et sont à l'origine conçus et utilisés pour la recherche. Cependant, si ces modèles sont des outils puissants pour décrire en détail la dynamique du FPR-V, ils sont généralement trop complexes à manipuler pour des utilisateurs non experts. Choisir entre une description détaillée et une manipulation facile dépendra des objectifs de modélisation. Quand des objectifs de dimensionnement global sont visés par les concepteurs, l'utilisation de modèles simplifiés semble une bonne alternative. Les modèles simplifiés sont faciles à utiliser pour la conception de FPR-V mais ils sont peu nombreux. Cependant ils sont adaptés à des configurations spécifiques liées au traitement des surverses de déversoirs d’orage, ce qui n’est pas le cas pour les FPR-V traitant des eaux usées domestiques. En effet, pour ce type de FPR-V les vitesses d’infiltration du système varient considérablement. En conséquence, ce travail de thèse a pour objectif de développer un modèle hydraulique simplifié des FPR-V qui permettra de guider les concepteurs dans le processus d’adaptation des FPR-V pour traiter les eaux usées domestiques des périodes de temps sec et de temps de pluie. Le modèle simplifié permet de relier (i) l’hydraulique du filtre, en simulant le temps de noyage à la surface, et (ii) les performances biologiques, en établissant des «alertes de dysfonctionnement », basées sur l'évaluation des performances épuratoires et sur les variations des formes azotées à la sortie du filtre mesurées en continu. Les «alertes de dysfonctionnement» représentent la charge hydraulique maximale qu'un filtre peut accepter sans compromettre son activité biologique. Le modèle simplifié a été utilisé pour la modélisation hydraulique du FPR-V à long terme (i) pour analyser l’impact du contexte local et la conception du filtre dans l’acceptation de surcharges hydrauliques. Grâce à cet analyse, (ii) on peut proposer les dimensionnements de FPR-V qui arrivent à mieux gérer l’acceptation des surcharges hydrauliques. / French vertical-flow constructed wetlands (VFCW) directly treating raw wastewater are known to perform well on for SS, COD and nitrification. They are also known to robustly cope with hydraulic overloads during rainfall events. Although numerous systems have been installed in areas equipped with a combined sewer, the limits of stormwater acceptance remain ill-defined and need to be improved. Looking at the various VFCW designs and usages reported in the literature, it is difficult to draw any consensus on their hydraulic limits. Consequently, designing VFCW to accept hydraulic overloads is a complex task, as local context strongly impacts inlet flows produced during rainfall events. Dynamic models appear a requisite for filter design in such cases. Numerical CW models have essentially focused on horizontal flow, with few attempting to study VFCW dynamics which are more commonly tackled via mechanistic models. Although mechanistic models are powerful tools for describing processes within the VFCW, they are generally too complicated to be readily used by designers. The choice between detailed description and easy handling will depend on the modelling aims. If the aim is a global design tool, simplified models offer a good alternative. However, the simplified models geared to studying VFCW dynamics are extremely reduced. They are easy-handling for design and well-adapted to specific purposes (combined sewer overflow -CSO- treatment) but not necessarily to VFCW treating combined sewer wastewater, where long-term infiltration rates vary significantly. Consequently, this PhD thesis work focused on developing a simplified hydraulic model of VFCW to guide designers through the process of adapting VFCW systems to treat domestic wastewater in both dry and rain events. The simplified model makes it possible to link (i) hydraulics, by simulation of ponding time variations, (ii) biological performances, by establishing “dysfunction alerts” based on treatment performance assessment and variations in online N forms effluent from the young VFCW. These “dysfunction alerts” plot the maximal hydraulic load that a filter can accept without compromising its biological activity. The simplified model was used to model long-term hydraulics in the VFCW (i) to analyze the impact of local context and filter design on hydraulic overload acceptance (using “dysfunction alerts” and bypass discharges) and (ii) to propose VFCW designs for accepting hydraulic overload in different contexts. The modelling demonstrates that VFCW can limit days with bypass discharges to less than 20 times per year without jeopardizing filter performances. Moreover, the most problematic scenario on stormwater treatment remains a watershed with high imperviousness coefficient and low slope under a Bretagne-type climate, demonstrating that the filter is more sensitive to periodicity and duration than to intensity of rainfall events.

A l’heure actuelle, des sédiments fluviaux et lacustres se trouvent pollués par les polychlorobiphényles (PCB), à des degrés de gravité divers. Les PCB se présentent comme des micropolluants persistants dans l’environnement et nuisibles à la santé. Un programme de recherche « PCB-Axelera » est conduit afin de pencher sur cette problématique et explorer les solutions de diminution de cette pollution. En France, l'ensemble des arrêtés préfectoraux (30/10/2002 et 14/06/2000) et le décret du 18/04/2002 considèrent les sédiments pollués comme déchets et autorisent leur stockage dans les installations de stockage de déchets si leurs teneurs en PCB sont comprises entre 0,68 ppm et 50 ppm. L’objectif principal de cette étude est de concevoir une méthodologie adaptée pour une installation de déchets non-dangereux ISDND. Les géomatériaux dans ce stockage seront utilisés comme barrière d’étanchéité pour les sédiments pollués. L’étude est composée de trois parties : Dans la première partie la caractérisation hydromécanique chimique des sédiments pollués par les PCB est présentée. La classification des sédiments est effectuée. Le comportement mécanique du sédiment est déterminé à l’aide de l’œdomètre. Quant au comportement hydromécanique il est étudié à l’aide du filtre presse et du perméamètre à paroi rigide (PPR). Cette caractérisation est indispensable pour proposer la meilleure mise en œuvre des sédiments dans le centre de stockage. Dans la deuxième partie, les performances hydraulique (perméabilité) et mécanique (gonflement) des différents géomatériaux en contact avec un fluide extrait du sédiment et d’autres fluides synthétiques contenant des PCB sont explorées. L’étude du gonflement des géomatériaux est réalisée à l’échelle du laboratoire tandis que, l’étude de sa performance hydrique est réalisée sur deux échelles centimétrique et métrique. L’étude menée sur un pilote de 1,2 m3 de volume comprenant un système de pluviation automatique a permis de suivre les tassements à l’aide d’un capteur ultrason et de mesurer la perméabilité des sédiments et des géomatériaux sous conditions réelles de stockage. Dans la troisième partie, un modèle hydraulique 1D est développé afin de suivre le front d’eau au sein d’un échantillon de sédiment soumis à une charge hydraulique représentant l’expérimentation dans un PPR. La méthode VER est utilisée. Les résultats expérimentaux montrent que le degré de contamination en PCB de ces sédiments n’influence pas le comportement hydromécanique et donc la qualité d’étanchéité des géomatériaux étudiés. Les résultats numériques de simulation du comportement hydraulique du sédiment sont en concordance avec les résultats expérimentaux. La solution de stockage hors site des sédiments pollués est alors envisageable puisqu’elle confine la pollution en éliminant le risque de contamination du milieu environnant. / Currently, river and lake sediments are contaminated with polychlorinated biphenyls (PCBs), to varying degrees of severity. PCBs are persistent micropollutants in the environment and harmful to health. A research program "PCB-Axelera" is conducted to address this issue and explore solutions to eliminate or decrease the pollution. In France, all prefectural orders (30/10/2002 and 14/06/2000) and the Decree of 18/04/2002 considered contaminated sediments as waste and allow their landfilling in waste storage facility if their PCB concentrations are between 0.68 ppm and 50 ppm. The main objective of this study is to develop a methodology suitable for installation of non-hazardous waste landfill sites. Geomaterials in this storage will be used as a barrier for confinement of contaminated sediment. The study consists of three parts: 1. In the first part, hydro-chemical characterization of sediments contaminated with PCBs is presented. The sediment classification is performed. The mechanical behavior of the sediment is determined using oedometer tests. As for the hydro-mechanical behavior, it is studied using the filter press and the rigid wall permeameter (PPR). This characterization is essential to provide the best implementation of sediment in the storage center. 2. In the second part, the hydraulic performance (permeability) and mechanical (swelling) of various geomaterials in contact with a fluid extracted from the sediment and other synthetic fluids containing PCBs are being explored. The study of swelling of geomaterials is performed on a laboratory scale while studying its water performance was achieved on two centimetric and metric scales. The pilot scale study was conducted on a 1.2 m3 volume tank. The pilot test was equipped with an automatic rain system and an ultrasonic sensor to measure to measure the follow the settlements of the sediment. The permeability of sediments and geomaterials were measured using the pilot test under actual storage conditions . 3. In the third part, a 1D hydraulic model is developed to follow the waterfront in a sediment sample subjected to a hydraulic load representing a PPR experiment. The VER method is used. A water model of the sediment is proposed to reproduce the experimental results. The water retention curve of the sediment is calculated using Durner’s model (1994). The experimental results show that the degree of PCB contamination of the sediments does not affect the hydro-mechanical behavior and therefore the hydro-mechanical performance of the studied geomaterials studied. Numerical simulation results of the hydraulic behavior of sediment are consistent with the experimental results. The solution of landfilling the PCB contaminated sediment is possible since it assure the confinement of the pollution and eliminates the risk of environmental contamination.