Les lits de séchage de boues plantés de roseaux (LSPR) existent en France depuis le début des années 1990. Ceux-ci ont principalement été développés pour le traitement de boues issues de station boues activées en aération prolongée. Cependant, ce procédé est trop souvent associé à des problèmes de dysfonctionnements liés à des dimensionnements et des gestions mal maîtrisés. En effet, les installations souvent composées de 4 lits souffrent de performances insuffisantes avec une siccité qui avoisine seulement 15 % contre 30, voire 35 % au Danemark où la technique est largement répandue. Une meilleure connaissance des divers mécanismes en jeux contribuerait sans conteste à accroître les potentialités de cette filière. En outre, avec la mise en place croissante de SPANC, l'augmentation future du flux de matières de vidange à traiter nous a également amené à transposer ce procédé vers ce type de produit. Pour cela le suivi de 16 pilotes de 2 m² en phase de démarrage et d'une installation de taille réelle de type « boues activées en aération prolongée » (13 000 EH, 8 lits de 470m² en fonctionnement depuis 4 ans) a permis d'étudier l'influence de différentes qualités de boues (boues activées épaissies ou non, matières de vidange), de la charge organique, et de la fréquence d'alimentation sur les performances de déshydratation et de minéralisation. Après un an et demi de phase de démarrage, ce travail de thèse se focalise sur le fonctionnement au nominale du système. Les expérimentations menées sur les pilotes ont permis d'identifier les limites du système, et ainsi émettre des préconisations de dimensionnement et de gestion pour chacun des deux types de boue étudiés. Parallèlement, des expériences menées en laboratoire ont permis de d'étudier plus finement les phénomènes en cause. Notamment en répondant aux questions relatives à l'influence de la qualité de la boue. De plus, une étude mécaniste a également été menée pour identifier l'influence du drainage et de l'évapotranspiration des roseaux sur la déshydratation des boues. Enfin, les processus impliqués dans la stabilisation des boues ont également été étudiés. / Sludge drying reed beds exist in France since the early 1990s and have been mainly developed for activated sludge treatment. Nevertheless, these systems often operate badly due to unadapted design and management strategy. The usual design for these facilities consists of 4 beds each being alternately fed during a week. Performances are low with a dryness around only 15% against 30 or 35% in Denmark where this technology is widespread. A better knowledge of the mechanisms will indisputably increase the potentiality of this process. Besides, taking into account the obligation of regulatory control of on-site wastewater treatment, communities are now facing larger volumes of septage. Therefore, one of the main idea of this study is to also use drying reed beds for septage treatment. Thus, 16 pilots of 2m² each and a full–scale plant (13 000 p.e., 8 beds of 470m² in operation for 4 years) have been monitored to study the influence of the sludge quality (activated sludge thickened or not, septage and a mixture of both), the sludge loading rate, and the load frequency on the dewatering and mineralization efficiencies. After one and a half year of commissioning period, this thesis focuses on the nominal operating conditions. Experiments carried out on pilots allow the limits of the system to be identifying. Hence, design and management recommendations for both types of sludge studied can be established. Meanwhile, laboratory experiments have aimed at evaluating more precisely the phenomena involved in the system. We first consider the influence of the sludge quality on its treatment ability on sludge drying reed beds. In addition, a mechanistic study was also conducted to identify the influence of drainage and reeds evapotranspiration on the sludge dewatering. Finally, the processes involved in the sludge stabilization were also investigated.

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).

La gestion « durable » des ressources en phosphore est aujourd’hui un enjeu important du fait de l’épuisement des réserves naturelles et des besoins croissants de l’agriculture notamment. En parallèle, la protection des écosystèmes conduit à des réglementations de plus en plus strictes des rejets de phosphore. L’objectif scientifique de cette thèse est de contribuer à décrire les mécanismes de rétention et de libération du phosphore dans le cadre du traitement des eaux usées domestiques par filtres plantés de roseaux à écoulement vertical, notamment de mieux comprendre où et sous quelle forme le phosphore est retenu dans le système. Plus particulièrement, les travaux ont porté sur le procédé Azoé NP® proposé par la société française SCIRPE, lequel comprend un prétraitement biologique sur lit bactérien, une précipitation du phosphore par injection de chlorure ferrique, puis deux étages de filtres plantés de roseaux à écoulement vertical partiellement immergés. Dans une première phase, nous avons étudié la plus ancienne station de type Azoé NP® située à Vercia (Jura) qui a été suivie depuis 8 ans. Les résultats ont montré les bonnes performances du procédé et leur maintien sur le long terme malgré la forte augmentation de charge organique en automne provenant d’effluents viticoles. Il a été montré que le phosphore était principalement retenu au sein du premier filtre, essentiellement dans la couche de boues organiques qui se forme en surface du 1er étage. L’utilisation de techniques analytiques complémentaires a permis de montrer notamment que leur minéralisation progressive entrainait une évolution des espèces de phosphore au cours du temps, avec par exemple formation de phosphore apatitique. La rétention du phosphore dans les boues a ensuite été étudiée à l’échelle du laboratoire à l’aide de lixiviations successives dans des conditions extrêmes de pH ou d’oxydo-réduction. Les résultats ont montré une très bonne stabilité en conditions de fonctionnement normales. Des essais pilotes ont enfin été réalisés pour approfondir l’évaluation de l’influence du potentiel redox en faisant varier la hauteur d’immersion du milieu filtrant qui influence les conditions d’oxydoréduction. Ces études ont confirmé la stabilité des procédés Azoé NP® et Azoé P® (correspondant au procédé Azoé NP® sans zone d’immersion) en fonctionnement normal. En conditions d’immersion totale prolongée simulant un dysfonctionnement du système, les performances sont dégradées en une semaine, mais le retour en mode totalement insaturé permet un rétablissement très rapide indiquant la bonne résilience du système. / Nowadays, sustainable management of phosphorus resources is an important issue due to the depletion of natural reserves and growing of its agriculture need. In parallel, the protection of ecosystems leads to stringent regulations concerning treatment of phosphorus in wastewaters. The scientific objective of this thesis was to contribute to describing the phosphorus retention and release in domestic wastewater treatments by vertical flow constructed wetlands, especially to better understand where and in which form the phosphorus is retained in the system. In particular, the work focused on the process Azoé NP® proposed by the French company SCIRPE, which includes a biological pretreatment on trickling filter, precipitation of phosphorus by injection of ferric chloride and two stages of partially flooded vertical flow constructed wetland. First of all, we studied the oldest Azoé NP® type station located at Vercia (Jura, France) which was monitored for 8 years. The results showed that the Vercia treatment plant provided robust year-round treatment of municipal wastewater and winery wastewater during automn. It was found that the phosphorus was principally retained within the deposit organic sludge layer on the surface of the first stage of filteration. The use of additional analytical techniques showed that phosphates species within this deposit layer changed during the mineralization of organic matters over time. The formation of amorphous apatite species was also discussed. The stability of the retention of phosphorus in sludge was then studied at laboratory scale using successive leaching under extreme conditions of pH or redox potential. The results showed a very good stability of sludge from the Vercia plant in normal operating conditions. Pilot tests were finally performed to evaluate the influence water saturation level within the filter medium which affect redox conditions of the system. These studies confirmed the stability of processes Azoé NP® and Azoé P® (corresponding to the process Azoé NP® without water saturation within filter media) during normal operation. Under conditions of prolonged immersion simulating a malfunctionning of the system, the performance was degraded after one week of flooding. However, the return to fully unsaturated mode allowed a very fast recovery of the filter, showing a good resilience of the system.

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.

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.

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).

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.

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).

Les filtres plantés de roseaux à écoulement vertical (FPR-V) pour le traitement des eaux usées domestiques sont relativement bien développés en France et permettent de réaliser un traitement poussé de la matière carbonée et la nitrification. La robustesse de cette filière réside également dans sa capacité à accepter des surcharges hydrauliques en temps de pluie. Cependant ces limites d’acceptation hydraulique ne sont pas bien définies et demandent à être optimisées. La conception des FPR-V pour accepter des surcharges hydrauliques est un travail complexe car le contexte local affecte fortement les débits d’eau entrants dans la station lors d’un événement pluvieux. Dans de tels cas, la conception de filtres demande l’utilisation de modèles dynamiques. Ces modèles s’appuient le plus souvent sur une approche mécanistique et sont à l'origine conçus et utilisés pour la recherche. Cependant, si ces modèles sont des outils puissants pour décrire en détail la dynamique du FPR-V, ils sont généralement trop complexes à manipuler pour des utilisateurs non experts. Choisir entre une description détaillée et une manipulation facile dépendra des objectifs de modélisation. Quand des objectifs de dimensionnement global sont visés par les concepteurs, l'utilisation de modèles simplifiés semble une bonne alternative. Les modèles simplifiés sont faciles à utiliser pour la conception de FPR-V mais ils sont peu nombreux. Cependant ils sont adaptés à des configurations spécifiques liées au traitement des surverses de déversoirs d’orage, ce qui n’est pas le cas pour les FPR-V traitant des eaux usées domestiques. En effet, pour ce type de FPR-V les vitesses d’infiltration du système varient considérablement. En conséquence, ce travail de thèse a pour objectif de développer un modèle hydraulique simplifié des FPR-V qui permettra de guider les concepteurs dans le processus d’adaptation des FPR-V pour traiter les eaux usées domestiques des périodes de temps sec et de temps de pluie. Le modèle simplifié permet de relier (i) l’hydraulique du filtre, en simulant le temps de noyage à la surface, et (ii) les performances biologiques, en établissant des «alertes de dysfonctionnement », basées sur l'évaluation des performances épuratoires et sur les variations des formes azotées à la sortie du filtre mesurées en continu. Les «alertes de dysfonctionnement» représentent la charge hydraulique maximale qu'un filtre peut accepter sans compromettre son activité biologique. Le modèle simplifié a été utilisé pour la modélisation hydraulique du FPR-V à long terme (i) pour analyser l’impact du contexte local et la conception du filtre dans l’acceptation de surcharges hydrauliques. Grâce à cet analyse, (ii) on peut proposer les dimensionnements de FPR-V qui arrivent à mieux gérer l’acceptation des surcharges hydrauliques. / French vertical-flow constructed wetlands (VFCW) directly treating raw wastewater are known to perform well on for SS, COD and nitrification. They are also known to robustly cope with hydraulic overloads during rainfall events. Although numerous systems have been installed in areas equipped with a combined sewer, the limits of stormwater acceptance remain ill-defined and need to be improved. Looking at the various VFCW designs and usages reported in the literature, it is difficult to draw any consensus on their hydraulic limits. Consequently, designing VFCW to accept hydraulic overloads is a complex task, as local context strongly impacts inlet flows produced during rainfall events. Dynamic models appear a requisite for filter design in such cases. Numerical CW models have essentially focused on horizontal flow, with few attempting to study VFCW dynamics which are more commonly tackled via mechanistic models. Although mechanistic models are powerful tools for describing processes within the VFCW, they are generally too complicated to be readily used by designers. The choice between detailed description and easy handling will depend on the modelling aims. If the aim is a global design tool, simplified models offer a good alternative. However, the simplified models geared to studying VFCW dynamics are extremely reduced. They are easy-handling for design and well-adapted to specific purposes (combined sewer overflow -CSO- treatment) but not necessarily to VFCW treating combined sewer wastewater, where long-term infiltration rates vary significantly. Consequently, this PhD thesis work focused on developing a simplified hydraulic model of VFCW to guide designers through the process of adapting VFCW systems to treat domestic wastewater in both dry and rain events. The simplified model makes it possible to link (i) hydraulics, by simulation of ponding time variations, (ii) biological performances, by establishing “dysfunction alerts” based on treatment performance assessment and variations in online N forms effluent from the young VFCW. These “dysfunction alerts” plot the maximal hydraulic load that a filter can accept without compromising its biological activity. The simplified model was used to model long-term hydraulics in the VFCW (i) to analyze the impact of local context and filter design on hydraulic overload acceptance (using “dysfunction alerts” and bypass discharges) and (ii) to propose VFCW designs for accepting hydraulic overload in different contexts. The modelling demonstrates that VFCW can limit days with bypass discharges to less than 20 times per year without jeopardizing filter performances. Moreover, the most problematic scenario on stormwater treatment remains a watershed with high imperviousness coefficient and low slope under a Bretagne-type climate, demonstrating that the filter is more sensitive to periodicity and duration than to intensity of rainfall events.