Le rejet des nutriments (phosphates et nitrates) issues des eaux usées domestiques entraînent la dégradation des écosystèmes (74 % du territoire français concerné en 2006). Compte tenu de la situation, l'Etat français a promulgué la Loi sur l'Eau et les Milieux Aquatiques le 30décembre 2006 qui vise à atteindre le " bon état écologique des eaux et des milieux aquatiques " d'ici 2015. Cette notion bien que difficilement intégrable a généré des normes plus strictes pour les stations d'épuration en termes de rejet de nutriments vers le milieu récepteur (jusque 15 mg NTOT.L-1 et 2 mg PTOT.L-1). Depuis la fin des années 1990, la technologie des filtres plantés de roseaux (FPR) est de plus en plus employée(> 2500 unités en 2012) pour le traitement des eaux usées domestiques des petites collectivités inférieures à 2000 Equivalent-Habitants. Cependant, des limites de traitement existent sur les concentrations résiduelles en azote (rejet de 70-80 mg NTOT.L-1) et en phosphore (rejet> 10 mg PTOT.L-1), en vue de répondre à la réglementation future. Ce travail a eu pour objectif de mettre en oeuvre des améliorations telles que la recirculation sur un étage de traitement pour le traitement de l'azote d'une part et l'emploi de matériaux réactifs pour piéger le phosphore d'autre part. La démarche scientifique expérimentale déployée a consisté à suivre des pilotes sur site réel et en laboratoire pendant 2 années. Le suivi des performances épuratoires et hydrauliques a été réalisé au cours du temps. Pour l'azote, 2 FPR (2,5 m²) garnis de schiste expansé (Mayennite®) ont été alimentés en effluent brut. L'effet de la hauteur de saturation en eau dans la partie drainante ainsi que l'effet de la recirculation ont été étudiés. Les résultats obtenus ont montré : une couche saturée à 38 % (rapporté à la hauteur totale) et un ratio de recirculation de 100 % permettent une meilleure élimination de la matière particulaire-carbonée (Arrêté du22 juin 2007) et de l'azote (< 20 mg NTK.L-1 ; < 45 mgNTOT.L-1). Deux laitiers de four à arc électrique ont été sélectionnés pour le traitement du phosphore. Ceux-ci ont été mis en œuvre dans 5 colonnes (6 L) en laboratoire alimentées en effluent synthétique en phosphore puis secondaire et dans 4 filtres réactifs pilote (0,3 m² ; 34 L) à flux horizontal sous surfacique alimentés en effluent secondaire. Il ressort de ces expériences: (i) des disparités existent entre les deux échelles en termes de performances (< 2 mg P.L-1 pendant 20 mois en colonne et variation saisonnière des performances en pilote) et mécanismes épuratoires (adsorption/précipitation P-Caen colonne ; P-Ca + P-Fe en pilote), (ii) l'augmentation de la température (> 15 °C) et/ou du temps de séjour (48h et plus) améliore la cinétique d'élimination du phosphore à échelle pilote et (iii) l'implantation d'un filtre réactif garni de laitier de four à arc électrique est limité par le degré de traitement souhaité et la distance du futur chantier (coût du transport).

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.

Afin de limiter les impacts négatifs des rejets pluviaux urbains stricts (RPUS) sur l’hydraulique et la qualité des milieux naturels, des techniques alternatives sont mises en place. A Strasbourg (France,67), une mare de sédimentation suivie d’un filtre planté de roseaux à écoulement vertical collecte, stocke et traite les eaux de ruissellement d’un bassin versant résidentiel (2,7ha) depuis 5 ans. L’objectif de cette thèse est de (i) déterminer l’efficacité hydraulique et de traitement de la filière, (ii) évaluer les dynamiques de stockage des métaux et des hydrocarbures aromatiques polycycliques en temps de pluie et en temps sec, (iii) anticiper l’impact des variations climatiques sur l’efficacité de la filière, (iv) évaluer le comportement de sorption du cuivre, plomb et zinc dans le filtre et (v) modéliser les flux en entrée et en sortie de la filière. Trois années de suivi hydraulique, hydrologique et physico-chimique sur le site et 13 campagnes de prélèvement en temps pluie ont permis de montrer que les efficacités de la filière sont constantes au cours de l’année. Les RPUS sont caractérisés par de fortes concentrations en zinc, et les concentrations en micropolluants sont dépendantes de l’importance de la pluie. De plus, des expériences réalisées sur le sable du filtre (analyses chimiques, extractions séquentielles, expériences batch) ont montré que la rétention des métaux dans le filtre dépend du pH et de la concentration en métaux. Un modèle basé sur l’équation de Richards a été développé et permet de reproduire avec succès les écoulements verticaux 1D dans le filtre. / Stormwaters are identified as a major source of pollution for waterbodies. Particularly, metals and Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) in stormwater are known as the most toxic compounds for the fauna and flora. To limit the impact of these micropollutants on hydrosystems quality, stormwater constructed wetlands (SCW) have been built worldwide. This study aims i) to assess the efficiency of a 5-years-old SCW that combined a sedimentation pond followed by a vertical flow sand filter in urban area (Strasbourg 67, France), ii) to determine micropollutants storage in water and soils during dry period, (iii) to investigate the seasonality impacts on SCW performances, (iv) to evaluate copper, lead and zinc sorption behavior on the filter sand and (v) to model micropollutants and rain water fluxes from the catchment to the filter output. 3 years of on-site monitoring and 13 rain event sampling campaigns have shown that SCW hydraulic and treatment performances are constant over the year. Rain water is characterized by high loads of zinc and its micropollutants loads depend on the rain event depth. Then, chemical analyses, sequential extractions and batch experiments performed on the SCW substrate highlight that metals mobility in the filter is affected by pH and metal concentration. A model based on the Richard’s equation has been developed and predicts with success the 1-D vertical flow in the filter.

Le rejet des nutriments (phosphates et nitrates) issues des eaux usées domestiques entraînent la dégradation des écosystèmes (74 % du territoire français concerné en 2006). Compte tenu de la situation, l’Etat français a promulgué la Loi sur l’Eau et les Milieux Aquatiques le 30décembre 2006 qui vise à atteindre le « bon état écologique des eaux et des milieux aquatiques » d’ici 2015. Cette notion bien que difficilement intégrable a généré des normes plus strictes pour les stations d’épuration en termes de rejet de nutriments vers le milieu récepteur (jusque 15 mg NTOT.L-1 et 2 mg PTOT.L-1). Depuis la fin des années 1990, la technologie des filtres plantés de roseaux (FPR) est de plus en plus employée(> 2500 unités en 2012) pour le traitement des eaux usées domestiques des petites collectivités inférieures à 2000 Equivalent-Habitants. Cependant, des limites de traitement existent sur les concentrations résiduelles en azote (rejet de 70-80 mg NTOT.L-1) et en phosphore (rejet> 10 mg PTOT.L-1), en vue de répondre à la réglementation future. Ce travail a eu pour objectif de mettre en oeuvre des améliorations telles que la recirculation sur un étage de traitement pour le traitement de l’azote d’une part et l’emploi de matériaux réactifs pour piéger le phosphore d’autre part. La démarche scientifique expérimentale déployée a consisté à suivre des pilotes sur site réel et en laboratoire pendant 2 années. Le suivi des performances épuratoires et hydrauliques a été réalisé au cours du temps. Pour l’azote, 2 FPR (2,5 m²) garnis de schiste expansé (Mayennite®) ont été alimentés en effluent brut. L’effet de la hauteur de saturation en eau dans la partie drainante ainsi que l’effet de la recirculation ont été étudiés. Les résultats obtenus ont montré : une couche saturée à 38 % (rapporté à la hauteur totale) et un ratio de recirculation de 100 % permettent une meilleure élimination de la matière particulaire-carbonée (Arrêté du22 juin 2007) et de l’azote (< 20 mg NTK.L-1 ; < 45 mgNTOT.L-1). Deux laitiers de four à arc électrique ont été sélectionnés pour le traitement du phosphore. Ceux-ci ont été mis en œuvre dans 5 colonnes (6 L) en laboratoire alimentées en effluent synthétique en phosphore puis secondaire et dans 4 filtres réactifs pilote (0,3 m² ; 34 L) à flux horizontal sous surfacique alimentés en effluent secondaire. Il ressort de ces expériences: (i) des disparités existent entre les deux échelles en termes de performances (< 2 mg P.L-1 pendant 20 mois en colonne et variation saisonnière des performances en pilote) et mécanismes épuratoires (adsorption/précipitation P-Caen colonne ; P-Ca + P-Fe en pilote), (ii) l’augmentation de la température (> 15 °C) et/ou du temps de séjour (48h et plus) améliore la cinétique d’élimination du phosphore à échelle pilote et (iii) l’implantation d’un filtre réactif garni de laitier de four à arc électrique est limité par le degré de traitement souhaité et la distance du futur chantier (coût du transport). / Nutrient (phosphorus and nitrogen) discharges from wastewater lead to water quality degradation (74 % of the total French territory in 2006). According to the actual situation, the French government has adopted a Water Framework on December 30, 2006 to achieve a“good ecological status of water” in 2015. Therefore,more stringent standards on nutrients removal for raw wastewater treatment plants are expected (down to 15mg TN.L-1 and 2 mg TP.L-1). However, standards actually remain under the responsibility of departmental authorities according to the water quality of the receiving environment. Since 1990s, Vertical Flow Constructed Wetlands(VFCWs) have been more and more popular in treating raw domestic wastewater for small collectivities of less than 2000 person equivalent (> 2500 units in 2012). However, nitrogen and phosphorus removal are limited in VFCWs (70-80 mg TN.L-1; > 10 mg TP.L-1) according to the new legislation. The aim of this work was on the one hand to implement a recirculation of treated effluent on a VFCW for better nitrogen removal and on the other to use reactive materials to improve phosphorus removal. The experimental scientific approach consisted in monitoring both laboratory and field pilot scale systems under process conditions during 2 years. Treatment and hydraulic performances were monitored over time. Two VFCWs (2,5 m²) filled with expanded schist (Mayennite®) were fed with raw domestic wastewater. The effect of a saturated layer and of the recirculation of treated effluent were studied. Results showed that 38 % of a saturated layer and 100 % of recirculation enabled to improve nitrogen treatment performances (< 20 mgTKN.L-1; < 45 mg TN.L-1) and to meet the French standard D4. Electric arc furnace slags were selected as reactive materials to improve phosphorus treatment performance of the VFCWs in laboratory and field pilot scale systems. Five laboratory-scale column experiments (6L) were fed with a phosphorus synthetic effluent then with a secondary effluent. Four horizontal subsurface flow active filters (0,3 m²; 34 L) were fed with a secondary effluent. The main results showed : (i)differences exist between laboratory and pilot scale regarding treatment performance (< 2 mg P.L-1 during20 months in the laboratory ; seasonal variations at pilot scale) and removal mechanisms (adsorption/precipitation Ca-P in laboratory ; Ca-P + Fe-P at pilot scale), (ii) an increase of temperature (> 15°C) and/or hydraulic retention time (more than 2 days) improved the kinetics of phosphorus removal at pilot scale, (iii) the active filter implementing is limited by the discharge standard required (> 3 mg PTOT.L-1) and the distance to the steel factory (transport costs).

Ce travail s’intéresse au traitement des effluents issus d’un petit bassin versant résidentiel urbain drainé par un réseau d’assainissement séparatif pluvial. Le traitement est effectué à l’aide d’une mare de sédimentation suivi d’un filtre planté de roseaux. L’instrumentation et les prélèvements permettent un suivi hydrodynamique et physico-chimique. Les résultats montrent que le système contribue fortement à la réduction de la pollution avant rejet au milieu récepteur. Les charges polluantes sont réduites de 70 à 100% pour tous les polluants (sauf la DBO5 et les nutriments, entre 4 et 100%). La mare de sédimentation a un rôle primordial dans l’élimination des polluants présents en phase particulaire, et plus particulièrement des HAPs (100%). Le filtre planté de roseaux intervient au niveau des polluants en phase particulaire non retenus par la mare, mais aussi au niveau des polluants en phase dissoute (nutriments, matière organique, micropolluants métalliques et pesticides). / This work deals with the treatment of effluents from a small urban residential catchment area drained by a separate sewer network. The treatment is made with a sedimentation pond and a constructed wetland. Instrumentation and samplings enable hydrodynamic and physic-chemical monitoring. Results show that the system deeply contributes to reduction of pollution before discharge into receiving water. The pollutant loads are reduced between 70 and 100% for all pollutants (except BOD5 and nutrients, between 4 and 100%). The sedimentation pond plays an essential role in eliminating pollutants in particulate phase, more specifically PAHs (100%). The constructed wetland treat pollutants in particulate phase that are not retained by the pond, but also pollutants in dissolved phase (nutrients, organic matter, metals and pesticides).