L’optimisation du système d’assainissement et la réduction des rejets d’eaux résiduaires urbaines non traitées est devenue un enjeu majeur pour de nombreuses collectivités dans le but d’atteindre les objectifs de qualité des milieux aquatiques fixés par la Directive Cadre européenne sur l’Eau (DCE 2000/60/CE). Pour cela, une parfaite connaissance du système d’assainissement est nécessaire. L’objectif de cette thèse, financée par la CDAPP et l’Agence de l’Eau Adour Garonne, était l’étude de la dynamique du système d’assainissement de la CDAPP et de sa contribution sur les flux de polluants dans le milieu récepteur (le Gave de Pau). La première étape du travail a été consacrée à la caractérisation hydraulique et physicochimique du système d’assainissement par temps sec et par temps de pluie. Une étude hydraulique a été tout d’abord réalisée et a permis de mieux appréhender la dynamique des déversements via les déversoirs d’orage (DO) en fonction de la nature des évènements pluvieux. D’autre part, la caractérisation physico chimique des eaux usées (matières en suspension ou MES, demande chimique en oxygène ou DCO, métaux, hydrocarbures aromatiques polycycliques) a mis en évidence que pour l’ensemble de ces paramètres, une nette augmentation des flux par temps de pluie était observée en particulier en début d’événement (augmentation d’un facteur de 2 à 10). Ce phénomène s’explique par l’apport de polluant par les eaux de ruissellement et l’érosion des dépôts accumulés par temps sec dans les réseaux. Seul l’azote total se comporte différemment puisqu’il est majoritairement présent sous forme dissoute. Afin de mieux appréhender la dynamique des paramètres polluants réglementaires (MES, DCO et azote), un suivi haute fréquence (au pas de temps de cinq minutes) a été mis en place durant un an à l’aide de sondes de turbidité et de conductivité. Ce suivi en continu constitue la troisième partie de ce travail. Des corrélations (r² ≈ 0,9) ont été établies entre d’une part, les paramètres polluants DCO et MES, et la turbidité et d’autre part, entre la conductivité et l’azote total. Ces enregistrements ont permis une meilleure compréhension du fonctionnement du système d’assainissement : mise en évidence du phénomène de first flush, estimation des flux polluants déversés via les DO, étude des phénomènes de stockage dans les réseaux. La dernière partie de cette thèse vise à l’étude de la contribution des rejets d’assainissement dans le milieu récepteur. Elle a permis de démontrer la contribution modérée du rejet de sortie de STEP (entre 1 et 15 %) par temps sec. Par temps de pluie, la contribution du système d’assainissement via les DO est extrêmement variable suivant les conditions hydro-climatiques (de < 1 % à plus de 50 %). Ce travail a permis d’une part d’apporter des résultats utilisables par le gestionnaire de l’assainissement pour optimiser la gestion des eaux usées de la CDAPP. D’autre part, ce travail apporte des résultats plus fondamentaux relatifs à une meilleure connaissance de la dynamique hydrologique et physicochimique des eaux résiduaires urbaines et des polluants associés tels que la mise en évidence, à l’aide d’outils statistiques, des paramètres influençant les déversements et les concentrations en polluants par temps de pluie. / Optimization of sewer system and reduction of untreated wastewater discharges has become a key issue for many communities in order to achieve the good quality of aquatic environments set by the European Framework Directive (WFD 2000/60/EC). For this, a perfect knowledge of sanitation is required. The objective of this thesis, funded by CDAPP and Adour Garonne Water Agency, was the study of the dynamics of the CDAPP sanitation and its contribution to the pollutants fluxes in the receiving environment (the river Gave de Pau). The first step of the work was devoted to the hydraulic and physicochemical wastewater characterization during dry and wet weather. A hydraulic study was first carried and helped to better understand the dynamics of discharges through the combined sewer overflow (CSO) according to the rainfall events characteristics. On the other hand, the physico-chemical characterization of wastewater (suspended solids or TSS, chemical oxygen demand or COD, metals, polycyclic aromatic hydrocarbons) showed that for all these parameters, a clear increase of pollutant fluxes was observed at the beginning of the rainfall event (increase by a factor of 2 to 10). This phenomenon is explained by the runoff contribution and erosion of sediments accumulated in the networks during dry weather periods. Only total nitrogen behaves differently because it’s mostly dissolved. To better understand the dynamics of pollutants parameters (TSS, COD and nitrogen), high frequency monitoring (every five minutes) has been established for one year with turbidity and conductivity sensors. This continuous monitoring is the third part of this work. Correlation functions (r² ≈ 0.9) were found between, the pollutant parameters COD and TSS, and turbidity, and secondly, between conductivity and total nitrogen. These records allowed a better understanding of sanitation system: highlighting the first flush phenomenon, estimation of pollutant loads discharged by CSO, study of storage networks phenomenon. The last part of this thesis aims to study the contribution of wastewater discharges to the receiving environment. It demonstrated the moderate contribution of rejection output STEP (between 1% and 15%) in dry weather. In rainy weather, the contribution of sanitation through CSO is extremely variable depending on the hydro-climatic conditions (<1% to over than 50%). This work has led to provide usable results for the sanitation manager to optimize CDAPP wastewater treatment. Moreover, this work provides most fundamental results for a better understanding of the hydrological and physicochemical dynamics of urban wastewater and associated pollutants such as highlighting, using statistical tools, the parameters influencing pollutant concentrations during rainfall events.

Cette thèse s’est déroulée dans le cadre du projet EPEC (Epuration en Eau Courante) soutenu par le programme ECOTECH 2010 de l’ANR. Ce projet doit permettre d’aider à répondre aux exigences de la Directive Cadre sur l’Eau pour les petits cours d’eau en zone rurale. Deux voies ont été explorées i) la première vise à étudier et à proposer des moyens d’améliorer la capacité d’épuration au sein de systèmes naturels, en s’appuyant sur des observations réalisées sur deux cours d’eau en Lorraine (Brénon et St-Oger) ii) la seconde concerne la réduction des impacts sur le milieu récepteur des rejets de stations d’épuration en milieu rural par l’étude du fonctionnement de zones de rejet végétalisées (ou ZRV) à la sortie de ces stations. A l’échelle de la rivière, la caractérisation sur tout son cours permet de distinguer les zones les plus susceptibles de présenter des phénomènes d’autoépuration marqués. Cela a permis, en combinaison avec des caractérisations hydromorphologiques, de sélectionner pour chacun tronçon de taille plus réduite. Ces tronçons sont localisés en aval de zones urbanisées et présentent une succession de parties rectifiées et de parties naturelles. La réponse du tronçon naturel face aux polluants domestiques est différente selon le cours d’eau. Le tronçon naturel du Brénon, d’une longueur d’environ 6 km était efficace en termes d’abattement des matières organiques, de l’azote ammoniacal et des nitrates. Quant au St-Oger, les polluants ont été beaucoup moins influencés dans le tronçon naturel dont la longueur n’était que de 0.5 km. La troisième échelle s’est intéressée au compartiment hyporhéique dont le comportement est déterminé par les caractéristiques hydromorphologiques du cours d’eau, la composition du substrat et notamment sa porosité, et les conditions hydrologiques qui varient en fonction des aléas climatiques. A partir de prélèvements dans la zone hyporhéique (- 30 et -50 cm pour le Brénon et -20 et -30 cm pour le St-Oger), quatre types de fonctionnement ont été distingués en fonction de la disponibilité en oxygène dissous et des échanges possibles entre la zone hyporhéique et l’eau de surface : (1) les zones aérobies à échange hyporhéique important contribuent à la dégradation des matières organiques et à l’oxydation de l’azote ammoniacal ; (2) les zones anoxiques à échange hyporhéique moindre caractérisées par une épuisement rapide de l’oxygène dissous par le biais de métabolismes microbiens aérobies et par une réduction des nitrates ; (3) les zones anoxiques à faible échange hyporhéique caractérisées par une accumulation des sels en profondeur et une réduction des nitrates et sulfates et (4) les zones fermées caractérisées soit par présence du colmatage soit par une très faible conductivité hydraulique. Ces fonctionnements ont pu partiellement être reproduits au laboratoire dans un réacteur à lit poreux permettant de simuler la zone hyporhéique. Le terme de ZRV est utilisé pour décrire des espaces aménagés entre le point de rejet de station d'épuration en amont et le milieu récepteur en aval, dans le but de réaliser un traitement de finition des eaux résiduaires traitées. Ces ZRV ont montré une forte capacité à éliminer les nitrates et les phosphates en période estivale, mais une production de carbone organique dissous a aussi été notée lié à la décomposition des macrophytes (phragmites, lentilles d’eau, algues, etc). En plus, une forte production d’oxygène par la photosynthèse des algues a été observée au printemps. Cependant, cette production s’atténuait progressivement avec la vitesse de recouvrement de l’eau libre par de lentilles d’eau. Deux tests biologiques sur le potentiel de la dénitrification et de méthanisation des sédiments des zones humides ont été effectués en laboratoire pour corroborer les observations de terrain / The present PhD work was carried out within the project EPEC (Epuration en Eau Courante) funded by an ANR program, ECOTECH, in order to meet the requirements of Water Framework Directive for small streams, in particular in rural areas where domestic wastewater could be directly discharged by reason of lack of sewerage network and contribute to water quality degradation. Two study directions have been taken: i) the first aimed to study natural purification in stream systems and find out the way to improve water quality, and 2) the second concerned the reduction of the impact of wastewater treatment plants (WWTP) discharge to receiving water bodies by installation of a free-surface constructed wetland between them. Three study scales were investigated within two rural streams of Lorraine, Brénon and St-Oger. At stream scale, characterization of water quality along its course allowed us to distinguish some segments where occurred naturel purification processes. The second study scale was on relevant stream sections presenting interesting hydromorphologic features. These sections were located at the downstream of urban areas and present a succession of rectified and naturel segments. The response of naturel sections to domestic pollutants was different for the two streams. The Brénon section length of about 6 km was efficient for organic matter, ammonium nitrogen and nitrates removal. Concerning the St-Oger stream, the pollutants were less influenced in the natural section long of only 0.5 km. The last study scale focused on the hyporheic zone where system function depends on hydromorphologic features of the stream, composition of streambed, especially its porosity, and hydrologic conditions which depends on climate. According to analysis on hyporheic waters sampled at -30 and -50 cm for Brénon and -20 and -30 cm for St-Oger, four functional zones were distinguished in relation with dissolved oxygen availability and possible water exchange between hyporheic zone and surface water: (1) aerobic zones at high hyporheic exchange showing contribution to organic matter degradation and oxidation of ammonium nitrogen; (2) Anoxic zones with less hyporheic exchange characterized by fast dissolved oxygen depletion by aerobic microbial metabolism and reduction of nitrates; (3) Anoxic zones with low hyporheic exchange characterized by accumulation of salts in deep layers and reduction of nitrates and sulfates and (4) “closed” zones characterized by clogged spaces or very low hydraulic conductivity. These functions could be partially reproduced in laboratory within a porous bed reactor simulating an hyporheic zone. Free-surface wetlands are spaces constructed between the discharge point of the WWTP and the receiving watercourse, here small streams in rural areas, with the aim to finish the waste water treatment. The wetlands had shown high capacity to remove nitrates and phosphates in summer periods. However a production of dissolved organic carbon was noticed and results from plant decomposition (reed, duckweed, algae, etc.). Algae contributed to high oxygen production through photosynthesis in spring. This production progressively decreased with the proliferation of duckweed on the water surface. Two biological tests on sediment's potentiality for denitrification and methane production were carried out at laboratory scale in order to corroborate the field observations