La gestion des eaux urbaines de temps de pluie est devenue une priorité depuis quelques années, au regard des problématiques d'inondations et de pollutions des cours d'eau qui remettent en cause l'atteinte des objectifs de la DCE. En outre, les filtres plantés de roseaux sont reconnus comme des solutions fiables pour le traitement des eaux usées depuis plus de 20 ans. Par ailleurs, leur adaptation à d'autres types d'effluents a été mise en place récemment (traitement tertiaire, effluents dilués, lits de séchage de boues), et la gestion des eaux de temps de pluie s'inscrit dans le cadre de cette extension de fonction. Bien que ce système combine à la fois des capacités de stockage et de traitement, Uhl et Dittmer (2005) ont mis en avant des dysfonctionnements (mort des roseaux en période sèche, chutes de performances). Ces auteurs soulignent aussi la nécessité d'optimiser les règles et outils de dimensionnement.Le projet SEGTEUP vise donc, via un suivi sur pilotes de grande taille et une modélisation hydrodynamique, à fournir des règles de conception à intégrer dans un futur outil de conception simplifié, utilisable à l'échelle du territoire français. L'étude des pilotes vise donc à tester différents matériaux et conceptions, alors que la modélisation met en évidence les principaux paramètres d'influence de l'écoulement. Au final, la filtration apparaît comme le principal processus d'élimination de la pollution organique et des micropolluants, alors que l'adsorption de la matière organique dissoute est négligeable. Par ailleurs, l'emploi d'un matériau à forte capacité d'adsorption (zéolite) accroît considérablement les capacités de rétention de l'ammonium. L'utilisation de tels matériaux est particulièrement recommandée en cas de charges en ammonium particulièrement élevées ou de faible surface disponible. Enfin, l'étude de l'hydrodynamique montre que l'écoulement, ainsi que l'adsorption et les réactions de biodégradation, sont fortement influencés par la limitation du débit de fuite (temps de rétention, particulièrement pendant la phase saturée). Par ailleurs, la structure d'alimentation doit permettre une répartition homogène de l'influent à la surface du massif pour éviter les court-circuits hydrauliques et les volumes morts. La construction d'un modèle 1D a enfin été mise en oeuvre, mais celui-ci ne permet pas de faire des prédictions, car la couche virtuelle simulant la limitation du débit de fuite doit être calée lors de chaque événement simulé. Une adaptation 2D du modèle, la prise en compte de lois de vannes et pertes de charges singulières, ainsi qu'un couplage filtre-réseau doit permettre la finalisation de cet outil. / Urban runoff management has become a priority for many years, regarding the issues of flooding and water course pollution that jeopardize the objectives of the European Framework Directive 2000/60/CE. As an extensive technique, subsurface flow constructed wetlands have proved to be reliable solutions for the treatment of sewage, and have been used for more than 20 years. Their adaptation to other types of functions or effluents has even been implemented over the last ten years (tertiary treatment, dilute effluents, sludge drying reed beds), and the management of urban runoff is part of this extension process. Despite this system combines both storage and treatment capacities, (Uhl and Dittmer, 2005) highlight dysfunctions as reed death during long rest periods or performance losses. These authors also underline the needs in optimizing design rules and tools.Then, the SEGTEUP project combines a large-scale pilot monitoring and hydrodynamic modeling, aiming at providing some basis for the implementation of a reliable design tool, applicable over the entire French territory. Then, the pilot study aimed at testing different materials and filter configurations, while a mechanistic approach was implemented to highlight the main flow influence parameters.Anyway, filtration of suspended solids appears as the major pollutant removal process, allowing the retention of at least 70% of SS and associated pollutants whatever the material considered. Nevertheless, dissolved organic matter adsorption remains negligible, while ammonium elimination is poor for the coarsest material. In the opposite, adsorbent zeolite present high ammonium retention abilities and ensures constantly low discharge levels. The use of this material is particularly recommended in case of specific issues concerning high pollutant loads or low available surface area. Furthermore, micropollutants (metals and PAHs) mainly bound with particles, are highly removed by filtration of SS. In our study, dissolved micropollutants concentrations were too low to highlight robust conclusions. However, further research are needed to better understand metals retention and release, and PAHs degradation processes, since these mechanisms are strongly dependent of pH and redox conditions and dynamics. Finally, the study of hydrodynamics shows that the throttle value influences adsorption and degradation reactions through variations in hydraulic retention time, particularly during saturated phases. On the other hand, the feeding structure is of special importance since a homogenous distribution of influent at the filter surface is needed to avoid hydraulic shortcuts and corresponding dead volumes. Finally, a HYDRUS 1D model was implemented around urban runoff issues, but cannot be used as a predictive design tool. Indeed, the throttle value, represented by a virtual layer with low conductivity, must be re-calibrated for each simulated event. Then, a 2D adaptation of the model is required, as well as the integration in the HYDRUS code of appropriate singular head losses as boundary conditions. In the end, the developed simplified model of water flow and pollutant degradation should be coupled with a sewer system model, aiming at creating a flexible and adaptable design tool.

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.

Les Stations de Traitement des Eaux Usées (STEU) sont l'une des principales sources de rejet de résidus médicamenteux dans l'environnement. Depuis 2009, les Zones de Rejet Végétalisées (ZRV) sont mises en oeuvre entre le rejet de la STEU et le milieu récepteur, mais leurs capacités d'abattement sont encore peu étudiées. Pour combler ce manque, les performances d'épuration de 2 STEU et de leur ZRV, ont été évaluées pendant 2 années. Les résidus médicamenteux (86) ont eu une majorité de rendements d'épuration compris entre 30 et 70 % dans les ZRV et avec des maximums en été et des minimums en hiver. Relativement aux abattements observés sur les STEU en amont, la contribution des ZRV à l'épuration globale du site était inférieure à 30 % du flux entrant. Aussi, la réduction des volumes d'eau rejetés au milieu naturel a été corrélée avec une augmentation des concentrations en résidus médicamenteux. Par ailleurs, les plantes ont montré une capacité d'absorption des médicaments spécifique à l'espèce étudiée, alors que l'observation des concentrations dans les boues, a mis en évidence une tendance à une adsorption en été et un relargage en hiver des micro-polluants. / Wastewater Treatment Plants (WWTP) are considered as one of the most important pharmaceutical compound discharges into the environment. Since 2009, French Water Agencies, promote Surface Flow Treatment Wetlands (SFTWs) at the outlet of WWTPs, between the WWTP and the receiving aquatic environment but their removal efficiencies are not well investigated. To overcome these lacks of knowledge, pollutant removal efficiencies of 2 WWTP and their SFTW were monitoring during 2 years. ln regard to pharmaceutical compounds (86), SFTW removal efficiency rates ranged from 30 to 70% with maximum values in summer and minimum values in winter. The SFTW removal efficiency contributions to WWTP were inferior to 30%. ln addition, SFTW inflow reductions were correlated with an increase of drug compound concentrations in the outflow. Furthermore, there was a specific absorption of these micro pollutants by plants whereas there were dynamic interactions between sampled mud and drugs residues with an adsorption during summer and a release during winter.