L’assainissement d’effluents résiduaires urbains par filtres plantés de roseaux (FPR) rencontre, depuis plus de trois décennies, un engouement croissant en raison de ses remarquables performances de traitement ainsi que de considérations technico-économiques et écologiques. Néanmoins, des objectifs de traitement de plus en plus contraignants, ainsi qu’un marché de plus en plus concurrentiel, amènent la nécessité d’une meilleure connaissance des processus afin d’en optimiser la conception en fonction du contexte. Une attention toute particulière a été portée au traitement de l’azote, au cours de cette étude, en raison de l’aspect particulièrement contraignant de son élimination. Ces travaux se sont articulés autour de trois axes principaux permettant l’évaluation des principaux mécanismes d’élimination de l’azote (nitrification, dénitrification et adsorption, respectivement). Un premier volet, conduit sur unités pilotes alimentées en effluents domestiques réels, s’est attaché à identifier l’impact respectif de divers critères de dimensionnement et opérationnels (profondeur de filtration, surface de filtration, charges hydrauliques et organiques) afin de proposer des consignes de conception adaptées aux objectifs de traitement sur l’azote ammoniacal ainsi que la matière organique et la pollution particulaire. Une seconde partie de l’étude, mené à échelle pilote à partir d’effluents semi-synthétiques, s’est quant à elle focalisée sur le processus de dénitrification afin de mettre en exergue les critères majeurs (composition des effluents, paramètres de conception et fonctionnement) pour l’atteinte de performances poussées sur le traitement des nitrates. Enfin, un dernier axe de recherche, effectué en laboratoire en colonne, a visé à évaluer l’effet de l’adsorption d’ammonium sur matériaux filtrants réactifs (zéolithe) en vue d’optimiser par la suite le temps de rétention de cette espèce au regard des cinétiques de dégradation biologique. Une synthèse des connaissances acquises au cours de cette étude a donné lieu à des conseils de conception ainsi qu’à des recommandations pour d’éventuelles études complémentaires. / The treatment of domestic wastewater by constructed wetlands (CWs) meets, from more than three decades, an increasing interest because of its high treatment efficiency as well as technological, economic and ecological issues. However, with treatment objectives that are growing ever stricter and an increasingly competitive market, fine knowledge of removal processes is required in order to optimize design in regards with context. A particular attention was paid to nitrogen removal, through this study, because of its particularly coercive dimension in treatment process. This work is partitioned in three axes which enable the assessment of the main mechanisms ensuring nitrogen removal (nitrification, denitrification and sorption, respectively). A first part, conducted in pilot-scaled units fed in real domestic wastewater, aimed at identifying the respective effects of various design and operational parameters (filtration height, filtration area, hydraulic and organic loads) in order to provide design recommendations for an efficient removal of ammonium as well as organic matter and suspended solids. A second part of this work, carried out in pilot-scaled units fed with semi-synthetic wastewater, focused on denitrification process in order to highlight driving parameters (influent composition, design and operational parameters) of full nitrate removal. Last but not least, a third research axis, conducted in column-scaled units, assessed the ammonium adsorption onto reactive material (i.e. zeolite) in order to optimize the retention time of ammonium within the system in regards with nitrification kinetic. These results were then summarized in order to provide design guidelines as well as recommend further complementary experiments.

Dans les filtres plantés de roseaux à écoulement vertical, la percolation des eaux usées à travers le milieu filtrant entraine la rétention physique des matières en suspension à la surface des filtres, et leur accumulation conduit à la formation d’une couche de boue principalement sur le premier étage des filtres. Longtemps considérée comme un facteur de risque de colmatage, cette couche de surface est aussi un compartiment majeur de la performance du système. Dans l’objectif de mieux connaitre la nature et l’évolution des dépôts qui la constituent, des échantillons issus de 14 stations en fonctionnement ont été prélevés pour analyser notamment la nature de leur matière organique particulaire et son évolution. Les résultats ont montré que les dépôts de stations de plus de trois ans de fonctionnement tendent vers un état similaire, caractérisé par la présence de composés organiques stables et complexes et par une plus faible réactivité de la matière organique particulaire. Les dépôts provenant de stations de moins d’un an de fonctionnement présentent une signature particulière, caractérisée par une matière organique réactive et peu mature. En complément de cette évolution en surface du filtre, la matière organique particulaire des eaux usées entrantes peut également subir des modifications au sein du process d’un filtre planté de roseaux. La présence d’un lit bactérien comme traitement additionnel participe à l’hydrolyse et à la transformation de la matière organique particulaire par des processus de minéralisation et d’humification. L’ajout de chlorure ferrique favorise l’agrégation de la matière. Enfin, des polluants organiques et métalliques d’intérêt ont fait l’objet d’une première quantification dans ces dépôts afin d’estimer leur rétention pour mieux appréhender les risques potentiels en cas de dysfonctionnement ou d’épandage. L’étude du comportement à la lixiviation en fonction du pH a permis de mettre en évidence que la libération de certains éléments traces est liée à celle de la matière organique. / The percolation of unsettled wastewater in French Vertical Flow Constructed Wetlands (VFCWs) causes the formation of a sludge layer at the surface of the first stage filter due to the retention of sludge deposits. Although the growth of this layer over the years of operation is a potential source of clogging risks, it also largely contributes in the performance of the system, depending on its properties. In order to better understand these phenomena, surface sludge deposits samples taken from 14 VFCW sewage treatment plants were collected and analyzed. Results showed that the structure and composition of the sludge deposits from treatment plants with more than three years of operation time were remarkably similar, characterized by the presence of stable and complex organic compounds and a low reactivity and biodegradability of the particulate organic matter. Deposits from treatment plants with less than one year of operation time were composed of more reactive and less mature organic matter. The particulate organic matter of the inflow wastewater was also shown to undergo modifications within the treatment chain of the vertical flow constructed wetland. The implementation of a biological trickling filter as an additional treatment prior to the filter stages was found to induce the transformation of soluble and particulate organic matter through mineralization and hydrolysis, and to contribute to humification probably by the detachment of biofilm fragments. The injection of ferric chloride used to precipitate phosphates was found to promote aggregation within the sludge deposits. Finally, the role of the sludge layer in the retention of a selection of organic and metallic pollutants in VFCW systems has been evaluated by analyzing sludge deposits samples. Detergents were found at higher concentrations than PCPP. The potential release of the sorbed contaminants was studied using leaching tests as a function of pH. Results showed that the release of some trace metals (mostly copper) was governed by the leaching behavior of organic matter.