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.

Environmental pollution from untreated wastewater disposal is one of the most serious environmental issues. Hexavalent chromium, Cr(VI), is known to be a very toxic compound, frequently found in polluted industrial wastewaters, and causes major environmental problems. On the other hand, among the agro-industrial wastewaters, dairy wastewaters can also cause serious environmental pollution due to their high organic loads. Specifically, when untreated dairy wastewater is deposited into surface water bodies it can cause eutrophication and environmental toxicity. The use of constructed wetlands began 40 years ago in North America and Europe. The idea arose from the use of wetlands as final recipients to treat effluent wastewaters. After studies on their construction and improved operations, today constructed wetlands are used as a processing technology in many countries for the treatment of municipal wastewater, industrial wastewater, landfill leachates, etc. Due to their simplicity and low operational cost, constructed wetlands are becoming more prevalent in wastewater treatment all over the world. Their range of applications is no longer limited to municipal wastewater or industrial wastewater but has expanded to the treatment of heavily polluted wastewaters such as agro-industrial effluents. Constructed wetlands can tolerate high pollutant loads and toxic substances without reducing their removal ability, thus these systems are very effective bio-reactors even in hostile environments. The potential application of constructed wetlands in the treatment of chromium-bearing wastewaters has been reported recently. Additionally, secondary cheese whey, a nutrient-rich wastewater which has high potential of polluting surface and/or groundwater, is now being treated either by conventional or biological treatment processes. However, limited research has been conducted on the treatment of secondary cheese whey using constructed wetlands. The objectives of this PhD research were to evaluate a) the effect of different parameters (HRT, temperature, physiochemical parameters) on the treatment of wastewater containing Cr(VI) and secondary cheese whey, using pilot-scale horizontal subsurface flow (HSF) constructed wetlands, b) a sustainable disposal technique of chromium treated reed biomass and c) the treatment efficiency of undiluted secondary cheese whey using pilot-scale HSF constructed wetland at very low HRT and removal of Cr(VI) by providing cheese whey as source of carbon. In the 1st experimental period of this dissertation, the research focused on the study of integrated chromium removal from aqueous solutions in HSF constructed wetlands. Two pilot-scale HSF constructed wetlands (CWs) units were built and operated. One unit was planted with common reeds (Phragmites australis) and one was kept unplanted. Influent concentrations of Cr(VI) ranged from 0.5 to 10 mg/L. The effects of temperature and hydraulic residence time (8 - 0.5 days) on Cr(VI) removal were studied. Temperature proved to affect Cr(VI) removal in both units. In the planted unit, maximum Cr(VI) removal efficiencies of 100% were recorded at HRT’s of 1 day with Cr(VI) concentrations of 5, 2.5 and 1 mg/L, while a significantly lower removal rate was recorded in the unplanted unit. Harvested reed biomass from the CWs was co-composted with olive mill wastes. The final product had excellent physicochemical characteristics (C/N: 14.1-14.7, germination index (GI): 145-157%, Cr: 8-10 mg/kg dry mass), fulfills EU requirements, and can be used as a fertilizer in organic farming. In the 2nd experiment of the first experimental period of this research, two horizontal subsurface flow pilot-scale constructed wetlands were built and operated for almost two years to treat secondary cheese whey. One unit was planted with common reeds (Phragmites australis) and one was kept unplanted. The pilot-scale wetlands operated under various hydraulic residence times (8, 4, 2 and 1 day), temperatures (2.4 to 32.90C) and COD influent concentrations (1200 to 7200 mg/L) in order to examine their effect on secondary cheese whey treatment efficiency. Both units successfully removed organic matter, as COD removal efficiencies of 91% and 77.23% were recorded for the planted and unplanted unit, respectively. Hydraulic residence time affected COD removal efficiency only when limited to 1 day. Temperature significantly affected COD removal only in the unplanted unit, while the planted unit's efficiency was affected only by the annual plant growth cycle. It should be noted that COD effluent concentrations were below EU legislation units (120 mg/L) even when the CWs operated under the shortest hydraulic residence time ever reported in the literature (2 days) with COD influent concentrations ranging from 1200 to 3500 mg/L. In the 2rd experimental period, a mixed solution of cheese whey and hexavalent chromium was treated using pilot-scale horizontal subsurface flow constructed wetlands. This study was performed in order to assess the effect of hydraulic residence time, the initial concentrations of both substances (i.e., Cr(VI) and cheese whey), the presence of vegetation, and surface load throughout the treatment process. Two hydraulic residence times (HRT) (8 and 4 days) were applied. The average electrical conductivity did not show any significance and the average pH values also did not fluctuate. COD concentrations varied between 2000 to 3000 mg/L, and Cr(VI) concentrations were between 0.5 and 5 mg/L. Regarding the removal of organic matter, the planted pilot units had the highest removal rates of around 70%, compared to the unplanted units with around 50%. The vegetation does not affect the removal of Cr(VI) whereas for COD removal, the vegetation does not perform its proper function which leads us to conclude that Cr(VI) influences the removal of COD. The overall outcome of this research is a significant contribution to the treatment of Cr(VI) and secondary cheese whey using constructed wetland technology. It could also be concluded that, constructed wetlands can potentially remove both Cr(VI) and COD at very low HRTs (1 and 2 days, respectively), when receiving moderate pollutant concentrations (5 mg Cr(VI)/L and >5000 mg COD/L), without any seasonal effect. Moreover, by using cheese whey as the carbon source, Cr(VI) can be successfully removed in constructed wetland systems with 4 days of HRT. / Η ρύπανση του περιβάλλοντος από τα ανεπεξέργαστα λύματα αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα περιβαλλοντικά ζητήματα. Το εξασθενές χρώμιο (Cr(VI)), που είναι γνωστό για την τοξική του δράση, εντοπίζεται συχνά σε βιομηχανικά υγρά απόβλητα και προκαλεί σημαντικά περιβαλλοντικά προβλήματα. Από την άλλη τα υγρά απόβλητα τυροκομικών μονάδων επίσης αποτελούν σημαντική περιβαλλοντική απειλή, λόγω του υψηλού οργανικού τους φορτίου. Ειδικότερα όταν ανεπεξέργαστα τυροκομικά υγρά απόβλητα καταλήγουν σε επιφανειακά υδάτινα σώματα μπορούν να προκαλέσουν ευτροφισμό και τοξικά φαινόμενα. Η χρήση των τεχνητών υγροβιότοπων ξεκίνησε πριν από περίπου 40 χρόνια στη Βόρεια Αμερική και την Ευρώπη. Η ιδέα προήλθε από τη χρήση φυσικών υγροβιότοπων ως τελικών αποδεκτών επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων. Μετά από εκτεταμένη έρευνα σήμερα οι τεχνητοί υγροβιότοποι χρησιμοποιούνται ευρέως ως τεχνολογία επεξεργασίας διαφόρων ειδών υγρών αποβλήτων και απορροών (π.χ. αστικά, βιομηχανικά, δισταλλάγματα κλπ.). Λόγω της απλότητας τους και του χαμηλού λειτουργικού κόστους οι τεχνητοί υγροβιότοποι αποτελούν πλέον μια ανταγωνιστική τεχνολογία. Το εύρος των εφαρμογών τους δεν περιορίζεται πλέον μόνο στην επεξεργασία αστικών υγρών αποβλήτων, αλλά έχει επεκταθεί και στην επεξεργασία ισχυρών υγρών αποβλήτων, όπως των αγροτοβιομηχανικών. Οι τεχνητοί υγροβιότοποι είναι ανθεκτικοί σε υψηλά ρυπαντικά φορτία και σε τοξικές ουσίες χωρίς να επηρεάζεται σημαντικά η λειτουργία τους. Συνεπώς οι τεχνητοί υγροβιότοποι είναι ιδιαιτέρως αποτελεσματικοί βίο-αντιδραστήρες ακόμα και ιδιαίτερα εχθρικά περιβάλλοντα. Η δυνατότητα χρήσης τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων με χρώμιο, μόλις πρόσφατα έχει αρχίσει να μελετάται. Επί πλέον ο δευτερογενής ορρός γάλακτος (τυρόγαλα), που είναι ένα υγρό απόβλητο με υψηλό περιεχόμενο θρεπτικών, κυρίως επεξεργάζεται με τη χρήση φυσικοχημικών και βιολογικών μεθόδων, ενώ η χρήση τεχνητών υγροβιότοπων είναι περιορισμένη. Ο κύριος σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η αξιολόγηση της επίδρασης διαφόρων παραμέτρων (υδραυλικού χρόνου παραμονής-HRT, θερμοκρασίας, φυσικοχημικών παραμέτρων) στην επεξεργασία αποβλήτων που περιέχουν Cr(VI) καθώς και του δευτερογενούς ορρού γάλακτος με τη χρήση πιλοτικών μονάδων τεχνητών υγροβιότοπων οριζόντιας υπόγειας ροής. Επιπλέον η παρούσα διατριβή στόχευε και στην εξεύρεση μιας βιώσιμης τεχνικής για την επεξεργασία της φυτικής βιομάζας και στην χρήση του δευτερογενούς ορρού γάλακτος, ως πηγή άνθρακα στην επεξεργασία του Cr(VI). Στη διάρκεια της 1ης πειραματικής περιόδου της παρούσας διατριβής, η έρευνα επικεντρώθηκε στη μελέτη της ολοκληρωμένης απομάκρυνσης του χρωμίου από υδατικά διαλύματα και στην επεξεργασία δευτερογενή ορρού γάλακτος από πιλοτικές μονάδες τεχνητών υγροβιότοπων οριζόντιας υπόγειας ροής. Για την ολοκληρωμένη απομάκρυνση του Cr(VI) χρησιμοποιηθήκαν δύο πιλοτικές μονάδες τεχνητών υγροβιότοπων οριζόντιας υπόγειας ροής. Η μία πιλοτική μονάδα ήταν φυτεμένη με κοινό καλάμι (Phragmites australis), ενώ η άλλη παρέμεινε αφύτευτη. Οι συγκεντρώσεις του Cr(VI) στα υδατικά διαλύματα κυμάνθηκαν από 0.5 έως 10 mg/L. Επίσης εξετάστηκε η επίδραση της θερμοκρασίας και του HRT (8 - 0.5 ημέρες) στην αφαίρεση του Cr(VI). Η θερμοκρασία αποδείχτηκε να επηρεάζει την αφαίρεση του Cr(VI) και στις 2 πιλοτικές μονάδες. Οι αποδόσεις απομάκρυνσης του Cr(VI) στην φυτεμένη πιλοτική μονάδα έφθασαν το 100% ακόμα και για HRT της 1 ημέρας, με συγκεντρώσεις εισόδου Cr(VI) 5, 2.5 και 1 mg/L. Σε αντίθεση, η αφύτευτη πιλοτική μονάδα κατέγραψε σημαντικά χαμηλότερες αποδόσεις απομάκρυνσης Cr(VI). Η φυτική βιομάζα που συλλέχθηκε από την φυτεμένη πιλοτική μονάδα κομποστοποιήθηκε μαζί με στερεά απόβλητα ελαιοτριβείου. Το τελικό προϊόν της κομποστοποιήσης είχε εξαιρετικά φυσικοχημικά χαρακτηριστικά (C/N: 14.1-14.7, δείκτης βλαστικότητας (GI): 145-157%, Cr: 8-10 mg/kg dry mass), τα οποία πληρούν τα όρια της Ευρωπαϊκής Ένωσης για τη χρήση του ως λίπασμα σε οργανικές καλλιέργειες. Η δεύτερη πειραματική διάταξη της 1ης πειραματικής περιόδου περιελάμβανε δύο όμοιες πιλοτικές μονάδες με τις παραπάνω, που ωστόσο χρησιμοποιήθηκαν για την επεξεργασία δευτερογενούς ορρού τυρογάλακτος. Οι πιλοτικές μονάδες λειτούργησαν υπό διαφόρους χρόνους παραμονής (8, 4, 2 και 1 ημέρα), θερμοκρασίες (από 2.4 έως 32.90C) και συγκεντρώσεις εισόδου COD (από 1200 έως 7200 mg/L) Οι δύο μονάδες επεξεργάστηκαν επιτυχώς το δευτερογενή ορρό γάλακτος, αφού καταγράφηκαν για την φυτεμένη και την αφύτευτη πιλοτική μονάδα, αποδόσεις αφαίρεσης COD της τάξης του 91% και 77.23%, αντίστοιχα. Ο υδραυλικός χρόνος παραμονής επηρέασε την απόδοση τω δύο πιλοτικών μονάδων μόνο όταν μειώθηκε στην 1 ημέρα. Αντιθέτως, η θερμοκρασία επηρέασε μόνο την αφύτευτη πιλοτική μονάδα, ενώ η απόδοση της φυτεμένης επηρεάστηκε μόνο από τον ετήσιο κύκλο ανάπτυξης των φυτών. Πρέπει να τονιστεί ότι οι συγκεντρώσεις εξόδου του COD ήταν χαμηλότερες των ορίων της Ε.Ε., ακόμα και για χρόνους παραμονής 2 ημερών (ο χαμηλότερος που έχει αναφερθεί μέχρι τώρα στη βιβλιογραφία) με αρχικές συγκεντρώσεις εισόδου COD από 1200 έως 3500 mg/L. Στη διάρκεια της 2ης πειραματικής περιόδου οι τέσσερεις συνολικά πιλοτικές μονάδες που χρησιμοποιήθηκαν στην 1η περίοδο, χρησιμοποιήθηκαν επίσης και για την επεξεργασία ενός μεικτού διαλύματος δευτερογενή ορρού γάλακτος και Cr(VI). Στόχος των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν ήταν η αξιολόγηση της επίδρασης του χρόνου παραμονής (8 και 4 ημέρες), των συγκεντρώσεων εισόδου του Cr(VI) (από 0.5 έως 5 mg/L) και του COD (από 2000 έως 3000 mg/L), του φυτού και του επιφανειακού φορτίου στην απόδοση των πιλοτικών μονάδων. Όσον αφόρα την αφαίρεση της οργανικής ύλης, οι φυτεμένες πιλοτικές μονάδες κατέγραψαν υψηλότερα ποσοστά απομάκρυνσης (περίπου 70%) σε σύγκριση με τις αφύτευτες (περίπου 50%). Σε αντίθεση, η απομάκρυνση του Cr(VI) έδειξε να μην επηρεάζεται από την παρουσία φυτών. Τέλος, παρατηρήθηκε ότι η ύπαρξη του Cr(VI) επηρεάζει την απομάκρυνση του οργανικού φορτίου. Τα τελικά συμπεράσματα της παρούσας διατριβής αποτελούν μια σημαντική συνεισφορά στην επεξεργασία υγρών αποβλήτων που περιέχουν Cr(VI) καθώς και του δευτερογενή ορρού γάλακτος από τεχνητούς υγροβιότοπους. Επίσης μπορεί να συμπεραθεί ότι η χρήση των τεχνητών υγροβιότοπων για την αφαίρεση Cr(VI) και COD μπορεί να επιτευχθεί ακόμη και σε πολύ χαμηλούς χρόνους παραμονής (1 και 2 ημερών, αντίστοιχα), καθώς και σε υψηλές αρχικές συγκεντρώσεις (5 mg Cr(VI)/L και >5000 mg COD/L, αντίστοιχα). Τέλος, η χρήση του δευτερογενή ορρού γάλακτος ως πηγή άνθρακα στην αφαίρεση του Cr(VI), ήταν πλήρως επιτυχημένη.

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.