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Based on a multiscale survey, this article examines the discourses and practices of wastewater treatment in Soviet Russia between the establishment of a new legislative and institutional framework in 1960 and the middle of the 1980s. While simply placing the question of wastewater treatment on the agenda during this period does present a contrast with the Stalinist era, the institutional proliferation of the 1960s and 1970s constituted an obstacle to improving the ecological health of rivers in certain regions. This is clearly illustrated by the situation in the city of Kalinin (known today as Tver) north-west of Moscow, and in particular the city of Ostashkov, on Lake Seliger. Despite the many alarms raised at the central, regional, and local levels, while well publicized the measures taken did not represent an ecological turn, despite the increase in environmental concerns at the time. Résumé : Cet article examine, à partir d’une enquête multiscalaire, les discours et les pratiques de traitement des eaux usées en Russie soviétique entre 1960, date de la mise en place d’un nouveau cadre législatif et institutionnel dans ce domaine, et le milieu des années 1980. Alors que la mise à l’agenda de cette question durant cette période tranche avec l’ère stalinienne, la prolifération institutionnelle des années 1960 et 1970 a constitué un obstacle à l’amélioration de l’état écologique des cours d’eau dans certaines régions, comme le montre l’exemple de celle de Kalinine (aujourd’hui : Tver) au nord-ouest de Moscou, et en particulier de la ville d’Ostachkov, sur le lac Seliger. Les mesures prises, au-delà des effets d’annonces, malgré les nombreuses alarmes tirées aux niveaux central, régional et local, sont loin de caractériser un tournant écologique réel, malgré la montée des préoccupations environnementales durant cette période.

Dans un contexte de transition énergétique, l’utilisation de la biomasse lignocellulosique comme source d’énergie renouvelable pour la production de biocarburants a le potentiel de diminuer notre dépendance vis-à-vis des énergies fossiles polluantes et de réduire de façon radicale notre empreinte carbone. Autre que les résidus forestiers et agricoles; la biomasse lignocellulosique peut provenir des cultures énergétiques dédiées à base de plantes à croissance rapide comme les saules (Salix spp.). En effet, ces plantes ligneuses sont faciles à mettre en place et produisent de hauts rendements pendant plusieurs années. L’eau et les nutriments (essentiellement l’azote) étant cependant les principaux facteurs limitants à leur développement. L'utilisation des effluents municipaux constituent une alternative intéressante à l'irrigation conventionnelle et à la fertilisation par des engrais chimiques dont la synthèse même contribue à l’augmentation des gaz à effet de serre. En effet, les eaux usées qu’elles soient partiellement et /ou totalement traitées contiennent encore de grandes quantités d’azote et de phosphore qui peuvent être captées par les saules améliorant d’autant leur croissance et leur productivité. La phytofiltration; c.-à-d. l’utilisation de filtre végétal est donc un concept séduisant; permettant d’une part de solutionner des problématiques sociétales et environnementales telles que la gestion des grands volumes d’effluents organiques et la préservation des milieux naturels et d’autre part de valoriser les contaminants qui sont en solution dans les effluents pour promouvoir le développement des plantes et en augmenter les rendements de la biomasse. Cette biomasse lignocellulosique pourrait aussi servir de matière première pour la production de biocarburant, néanmoins, il est important que l’emphase soit mise non seulement sur les quantités des bois produits, mais aussi sur leur qualité. En effet, lors de la production de biocarburant lignocellulosique, l’efficacité de la conversion biochimique d’une biomasse donnée est étroitement liée à la composition chimique de cette dernière. L’objectif de cette thèse est de déterminer l’effet de l’irrigation par des effluents organiques sur la structure anatomique et la composition chimique du bois de divers génotypes de saules et de comprendre les répercussions d’une altération du bois, si elles existent, sur la récalcitrance du bois à l’hydrolyse enzymatique. Une première étude a été conduite sur une plantation de saules Salix miyabeana ‘SX67’. Le but de cette étude était de déterminer l’effet à moyen terme de l’irrigation par des eaux usées avec traitement primaire (et donc ayant gardé une forte portion de sa charge organique et azotée) en premier lieu sur la physiologie et ensuite sur les caractéristiques intrinsèques du bois telles que sa composition chimique ou encore la structure hydraulique et mécanique. Dans un premier temps, les résultats ont montré que la fertigation a altéré la morphologie des feuilles ainsi que les stratégies d’utilisation du carbone ce qui a permis de maximiser la surface photosynthétique et d’améliorer le rendement quantique par unité de surface foliaire. Aussi, des analyses histologiques ont permis de déceler une élongation de la longueur des stomates chez les plantes fertiguées, engendrant une augmentation de la conductance stomatique et inévitablement celle du taux de carbone assimilé (la photosynthèse) permettant ainsi de promouvoir la croissance et le développement des plantes irriguées par les eaux usées et d’en améliorer la productivité. Dans un second temps, les analyses chimiques du bois du cultivar Salix miyabeana ‘SX67’ ont montré que pour les plantes qui ont été irriguées par des eaux usées, il y a eu une diminution de la fraction des extractibles ainsi qu’une augmentation de la fraction cellulose sans toutefois que cela soit accompagné d’une diminution de la lignine. Les analyses histologiques ont aussi dévoilé une différence de la densité des vaisseaux et de leur diamètre entre les plantes fertiguées et les témoins, toutefois, il ne peut être exclu que cette différence soit en partie occasionnée et/ ou accentuée par la méthode d’échantillonnage qui cible des régions différentes de la plante. Dans une deuxième étude, la biomasse issue de trois expériences distinctes, réalisées au Canada (Beaverlodge et Whitecourt) et en Grande-Bretagne (Hillsborough) et dans lesquelles différents cultivars de saules ont été irrigués durant trois années de croissance par différents effluents organiques (des eaux usées avec traitement secondaire et des effluents de laiterie non traités), a été analysée afin d’étudier les conséquences de la fertigation sur la structure anatomique et la composition chimique du bois ainsi que sur sa récalcitrance à la saccharification enzymatique. Pour tous les sites, les résultats n’ont pas montré de différence pour les variables anatomiques et la densité du bois entre les plantes témoins et celles fertiguées , suggérant que ces cultivars étaient résilients à l’application d’effluents organiques. Cependant la fertigation a eu un effet sur la composition chimique et la récalcitrance du bois. La réponse des plantes a varié en fonction du site avec pas d’effets pour les cultivars de Beaverlodge, une diminution du taux d’extractibles et une augmentation des rendements en sucre pour certains cultivars de Whitecourt et une augmentation du contenu en xylose et une diminution des sucres libérées pour la plupart des génotypes de Hillsborough. Ces différences dans la réponse peuvent suggérer que des facteurs spécifiques aux sites tels que les conditions environnementales et la composition des eaux usées pourraient avoir influencé la composition chimique du bois ainsi que sa récalcitrance à l’hydrolyse enzymatique. Suite à l’hydrolyse enzymatique, nous avons constaté que la récalcitrance d’une biomasse donnée n’est pas exclusivement liée à son contenu en cellulose étant donné que pour plus d’un cultivar, le rendement en glucose a été plus élevé que pour d’autres génotypes qui avaient une plus grande teneur en cellulose. Les analyses chimiques des différents cultivars ont permis de déceler une grande variabilité dans la teneur en cellulose (glucose) ainsi que dans l’indice de la récalcitrance entre les génotypes d’un même site, toutefois, la différence était plus prononcée entre les génotypes de sites différents. Aucun génotype n’étant commun aux trois sites nous ne pouvons cependant conclure clairement sur ce point qui mériterait donc des études subséquentes afin d’affiner plus encore la sélection des variétés au niveau local. Cette thèse a permis de démontrer le potentiel des saules pour filtrer de grandes quantités d’effluents tout en apportant des informations nouvelles quant aux impacts sur la composition chimique et la récalcitrance de la biomasse produite dans ces circonstances. Les travaux ici présentés pouvant être l’assise nécessaire pour une optimisation efficace de cette phytotechnologie, tant du point de vue du choix variétal que de la modulation de la fertigation en vue de la double utilisation de la plantation productrice de biomasse pour les biocarburants et en tant que filtre végétal., In the current context of transition to more sustainable energies, the use of lignocellulosic biomass as a renewable energy for biofuels production has the potential to decrease our dependence on polluting fossil fuels and drastically reduce our carbon footprint. Other than forestry and agricultural residues; lignocellulosic biomass can come from dedicated energy crops based on fast growing plants such as willows (Salix spp.). Indeed, these woody plants are easy to establish and produce high yields for several years, water and nutrients (mainly nitrogen) yet being the main plant development limiting factors. However, the use of municipal effluents is an interesting alternative to traditional irrigation and fertilization with chemical fertilizers, the very synthesis of which contributes to the increase in greenhouse gases. Indeed, wastewater, whether partially and /or fully treated, still contains large amounts of nitrogen and phosphorus which can be captured by willows, further improving their growth and productivity. Phytofiltration; i.e. the use of plant-based filters is therefore an attractive concept; allowing on one hand to solve societal and environmental problems such as the management of large volumes of organic effluents and the preservation of natural environments; on the other hand to recover contaminants to promote plant development and increase biomass yields. Then, this lignocellulosic biomass could be used for the production of biofuel. But it is now important to focus research work on wood quality rather than on quantities produced. Indeed, during the production of lignocellulosic biofuel, biochemical conversion efficiency of a given biomass is closely linked to its chemical composition. Therefore, the objective of this thesis is to determine the effect of irrigation by organic effluents on the anatomical structure and chemical composition of wood of various genotypes of willows and to understand the latter consequences on its recalcitrance to enzymatic hydrolysis. A first study was carried out on a plantation of Salix miyabeana ‘SX67’ willows. The aim of this study was to determine the medium-term effect of irrigation by wastewater with primary treatment (with still a large portion of its organic and nitrogen load) first on plant physiology and then on intrinsic characteristics of wood such as its chemical composition or its hydraulic and mechanical structure. First, the results showed that fertigation altered leaf morphology as well as carbon utilization strategies with an increased photosynthetic area and improved quantum yield per unit leaf area. Also, histological analyzes have made it possible to detect in fertigated plants stomata length elongation and therefore an increase in stomatal conductance and of the rate of assimilated carbon (photosynthesis) that promoted plant growth and development. In a second step, the chemical analyzes of the wood of the same Salix miyabeana ‘SX67’ plants showed that wastewater irrigation decreased the fraction of extractables as well as increased cellulose content, no change was observed for lignin fraction. Histological analyzes also revealed a difference in the vessel density and diameter between fertigated plants and controls, however it cannot be excluded that this difference is partly caused and /or accentuated by the sampling method chosen (region of the plant where the samples were taken). In a second study, the biomass resulting from three separate experiments carried out in Canada (Beaverlodge and Whitecourt) and in Great Britain (Hillsborough) where different cultivars of willows were irrigated for three years by different organic effluents (wastewater with secondary treatment and primary dairy farm wastewater) was analyzed in order to study the consequences of fertigation on the anatomical structure and the chemical composition of wood as well as its recalcitrance to enzymatic saccharification. For all sites, the results showed no difference between control and fertigated irrigated plants neither for anatomical variables nor for wood density, suggesting that these cultivars would have been resilient to the application of organic effluent. Regarding the effect of fertigation on wood chemical composition and recalcitrance, the plants response varied between sites. No effects was observed for Beaverlodge cultivars but we measured a decrease in extractables content and an increase of sugar yields for some cultivars of Whitecourt and finally, an increase in xylose content and a decrease of the rate of sugar yields for most of Hillsborough genotypes. This difference in response between the three sites may suggest that site-specific factors such as wastewater composition but also distinct environmental conditions may have influenced the chemical composition of the wood as well as its recalcitrance to enzymatic deconstruction. Following enzymatic hydrolysis, we found that the recalcitrance of a given biomass is not exclusively related to its cellulose content since for more than one cultivar glucose yield was higher than for others which had higher cellulose content. Finally, chemical analyzes of the different cultivars made it possible to detect a great variability in the content of cellulose (glucose) as well as in the index of recalcitrance between genotypes planted on the same site, but the differences were much more pronounced between different sites. However, no genotype being common to the three sites, we cannot clearly conclude on this point, which would therefore merit subsequent studies in order to further refine the selection of varieties at the local level. This thesis allows to demonstrate the potential of willows to filter large quantities of effluents while providing new information on the impacts on the chemical composition and the recalcitrance of the biomass produced under these circumstances. The work presented here may be the necessary basis for an effective optimization of this phytotechnology, both from the point of view of varietal choice and of the modulation of fertigation in the perspective of both the plantation producing biomass for biofuels and as a cost-effective planted filter.

Downstream of wastewater treatment plants, infiltration devices are implemented to infiltrate treated wastewater: EUTS. In this case, these devices are not only outfalls but also bioreactors that can carry out a complementary treatment of the water. The sizing of these infiltration areas therefore requires knowledge of the real hydraulic conductivity of the soil on the entire plot of land in order to allow for a sustainable operation of the work. Nowadays, no technique is available to calculate the hydraulic conductivity of a soil at all points. This is why the thesis proposes a solution allowing the spatialization of the hydraulic conductivity at saturation using a geostatistical method: BME (Bayesian Maximum Entropy). The BME method aims at integrating geophysical measurements and localized measurements of infiltration tests to better evaluate and predict water and pollutant transfers in heterogeneous soils used in tertiary wastewater treatment. This optimization aims to help managers and local authorities to better design and adapt infiltration surfaces downstream of wastewater treatment plants., En aval des stations de traitement des eaux usées, des dispositifs d’infiltration sont mis en œuvre pour infiltrer les eaux usées traitées : EUTS. Dans ce cas, ces dispositifs sont non seulement des exutoires mais des bioréacteurs qui peuvent réaliser un traitement complémentaire de l’eau. Le dimensionnement de ces aires d’infiltration nécessite donc la connaissance de la conductivité hydraulique réelle du sol sur l’ensemble de la parcelle afin de permettre un fonctionnement pérenne de l’ouvrage. De nos jours, on ne dispose pas de technique permettant de calculer en tous points la conductivité hydraulique à saturation d’un sol. C'est pourquoi le travail de thèse propose une solution permettant la spatialisation de la conductivité hydraulique à saturation en utilisant une méthode de géostatistique : BME (Bayesian Maximum Entropy). La méthode BME a pour but d’intégrer des mesures géophysiques et des mesures localisées des essais d'infiltration pour mieux évaluer et prédire les transferts d’eau et de polluants dans les sols hétérogènes utilisés en traitement tertiaire des eaux usée et traitée. Cette optimisation a pour but d’aider les gestionnaires et les collectivités locales, à mieux concevoir et adapter les surfaces d’infiltration en aval des stations d’épuration.

International audience; Biofiltration is a compact and efficient technology for the treatment of urban effluents, and is well established in France and worldwide. However, some facilities are regularly affected by irreversible clogging, requiring heavy operations to restore the treatment capacity. Given the multiplicity of possible causes and the dynamic of the facilities, detecting the drift towards irreversible clogging requires a very good knowledge of the processes, the design, the history of the operating conditions, and the limits of the facilities. The work presented here proposes a systematic method for multi-criteria analysis of the operating data of a biofiltration facility in order to control the events of irreversible clogging. It defines the descriptors to follow and their frequency of determination. It presents the method for defining the reference state to which the operating conditions should be compared. This method is illustrated with data covering a period of operations of more than two years of a full-scale plant. We have shown that the analysis of the occurrence of irreversible clogging and the determination of the possible causes can be carried out through the careful analysis of the hydraulic load, the COD and/or TSS volume loads, the concentrations and the biodegradable fraction of the water to be treated, the filtration duration, or through the analysis of the operating conditions of the primary treatment (backwash water). The method also relies on criteria specifically created to confirm and locate irreversible clogging over time, such as pressure drops and void volume (porosity) at the beginning of a filtration cycle (after washing). Using this method, predicting the occurrence of irreversible clogging will reduce the constraints and costs of operations, as well as the environmental impact of the biofiltration process.; La biofiltration est une technologie compacte, efficace pour le traitement des effluents urbains, et bien implantée en France et dans le monde. Certaines installations sont toutefois régulièrement touchées par un colmatage irréversible nécessitant des interventions lourdes pour rétablir la capacité de traitement. Compte-tenu de la multiplicité des causes possibles et du caractère dynamique du fonctionnement des installations, détecter la dérive vers le colmatage irréversible nécessite une très bonne connaissance des processus, du dimensionnement, de l’historique de fonctionnement et des limites d’exploitation des installations. Le travail présenté ici propose une méthode systématique d’analyse multicritères des données de fonctionnement d’une installation de biofiltration en vue de maitriser les étapes menant au colmatage sans atteindre le stade irréversible. Il définit les descripteurs à suivre et leur fréquence de détermination, et présente la méthode de définition de l’état de référence auquel les conditions de fonctionnement doivent être comparées. Cette méthode est illustrée avec des données couvrant une période de plus de deux ans de suivi d’une installation réelle. Nous avons montré que l’analyse de la survenue du colmatage irréversible et la détermination des causes possibles peuvent être réalisées à partir de l’analyse minutieuse des charges hydrauliques, des charges volumiques en DCO et en MES, des concentrations de l’eau à traiter à l’entrée de la biofiltration et de la fraction biodégradable, de la durée de filtration, ou encore à travers l’analyse des conditions de fonctionnement du traitement primaire en intégrant l’impact des retours et plus particulièrement les eaux de lavage des biofiltres. La méthode s’appuie également sur des critères créés spécifiquement pour confirmer et situer le colmatage irréversible dans le temps, tels que les pertes de charge et le volume de vide (porosité) au début d’un cycle de filtration (après lavage). La prédiction et la prévention de la survenue d’un colmatage irréversible par cette méthode permet l’amélioration des performances épuratoires, la fiabilité du fonctionnement de la biofiltration et donc la réduction des coûts d’exploitation et de l’impact environnemental.

A numerical model has been established to get insight the mechanism of phenol removal from water through adsorption/photodegradation dual process over activated carbon titania composite catalysts (AC-TiO2). AC-TiO2 catalysts were obtained through a straightforward coating of a homemade AC with titania nanoparticles (TiO2-NPs), and their textural characterization revealed the presence of titania nanoparticles (TiO2-NPs) scattered at the external macroporosity of the microporous AC support material. A new mathematical approach were established to comprehensively take into account the bulk/por /surface diffusion rate of the pollutant before adsorption within the microporous catalyst, and then intrinsic photodegradation near the externally located and UV accessible TiO2-NPs. Under different experimental conditions and using catalysts of different titania contents, the simulated kinetics readily fit well the experimental profiles, suggesting the actual application of the model to describe the adsorption/photodegradation dual process driven by the composite catalysts.

This thesis work is part of the contribution of EVS-INSA de Lyon laboratory into MENTOR project aiming to better manage sewerage networks through setting up measure devices suited to measurement sites specificities and to organizations involved in urban sanitation management. In this context, this thesis studies the implementation of the sewerage network self-monitoring in accordance with regulations related to continuous control of sewerage systems operation. The self-monitoring is envisaged as technical and organizational device that aims to product necessary data to survey flows being sent into networks and evaluate discharges to receiving water. In order to do so, this research is interested in sociotechnical milieu needed to implement networks self-monitoring by analyzing two case studies: Lyon Metropole and Nantes Metropole. The field work is based on interviews and observations within organizations contributing to the self-monitoring deployment. The results demonstrate that produced data, despite their interest to improve sewerage systems knowledge and optimize their operation, are used essentially in order to examine how self-monitoring regulations are applied. This would appear to be a result of the discrepancies between new self-monitoring devices and socio-technical milieus in which those devices are being applied, especially existing organizations. Those would be unable to make a total deployment of self-monitoring due to human and financial resources that should be invested to improve its management. Thus, self-monitoring of sewerage networks is operating, but not up to be made of its potential according a degraded mode.; Ce travail de thèse s’inscrit au sein de la contribution du laboratoire EVS-INSA de Lyon dans le projet MENTOR visant à mieux gérer les réseaux d’assainissement par la mise en place de dispositifs de mesure adaptés aux spécificités des sites de mesure et aux organisations impliquées dans la gestion de l’assainissement urbain. Dans ce cadre, cette thèse étudie le processus de mise en œuvre de l’autosurveillance des réseaux d’assainissement en application de la réglementation sur le contrôle continu du fonctionnement des systèmes d’assainissement. L’autosurveillance est envisagée comme un dispositif technique et organisationnel qui vise à produire les données nécessaires pour le suivi des flux transitant dans les réseaux, et l’évaluation des rejets vers les milieux récepteurs. Pour ce faire, cette recherche s’intéresse au milieu sociotechnique nécessaire à la mise en œuvre de l’autosurveillance des réseaux à partir de deux cas d’étude : Lyon Métropole et Nantes Métropole. Le protocole d’enquête est fondé sur des entretiens et des observations au sein des organisations qui concourent au déploiement de cette autosurveillance. Les études de cas démontrent que les données produites, en dépit de leur intérêt pour connaître les systèmes d’assainissement et optimiser leur gestion, sont utilisées essentiellement pour observer la réglementation sur l’autosurveillance des réseaux. Cela résulterait d’un désajustement entre les nouveaux dispositifs d’autosurveillance et les milieux sociotechiques dans lesquels ces dispositifs sont mis en œuvre, en particulier les organisations existantes. Celles-ci seraient incapables d’assurer un déploiement complet de l’autosurveillance en raison des moyens humains et financiers nécessaires à sa prise en charge. Ainsi, l’autosurveillance des réseaux d’assainissement marche, mais pas à la hauteur de ses possibilités d’action, selon un mode dégradé.

Au cours du traitement biologique des eaux usées, les bactéries aérobies présentes dans les boues activées oxydent la matière organique et transfèrent les électrons issus de l’oxydation à l’oxygène. Il est alors nécessaire d’aérer l’intégralité du bassin de traitement de façon intensive, ce qui entraine un coût énergétique important. Le tuba électro-microbien, ou biotuba, se présente sous la forme d’une électrode unique avec une partie haute cathodique aérobie et une partie basse anodique anaérobie. Les bactéries électroactives anodiques oxydent la matière organique en condition anaérobie en transférant les électrons à l’électrode. Ces électrons sont évacués au niveau de la partie cathodique qui assure la réduction de l’oxygène. Ce type de traitement permet de diminuer le coût d’aération en passant d’une aération intensive de tout le bassin à une aération la plus réduite possible, uniquement de la partie cathodique. La thèse a eu pour objectif d’optimiser un biotuba pour le traitement des eaux usées domestiques en diminuant au maximum le besoin d’aération. Le biotuba a été caractérisé par le suivi de son potentiel, des abattements de matière organique et des populations microbiennes impliquées dans les parties anodique et cathodique de l’électrode. Le premier type d’aération réalisé en continu sur la partie haute n’est pas concluant car il est difficile de maintenir une partie haute aérobie et une partie basse anaérobie sur le long terme. Une aération séquentielle est alors testée. L’aération séquentielle a déjà été développée pour des électrodes dites bidirectionnelles, qui se comportent en anode ou en cathode selon les conditions expérimentales (ajout de substrat ou d’oxygène). L’impact d’une aération séquentielle est d’abord évalué sur une électrode bidirectionnelle en eaux usées domestiques avant de l’appliquer au biotuba. L’électrode bidirectionnelle assure des densités maximales de courant d’oxydation de l’ordre de 6,4 A/m2, c’est-à-dire au niveau des meilleures performances reportées dans la bibliographie avec des eaux usées domestiques réelles. L’étude des populations microbiennes montre que le biofilm évolue peu au cours du temps et est peu sensible aux changements de conditions, ce qui donne une électrode bidirectionnelle robuste qui maintient ses performances au cours du temps. Ce protocole est alors appliqué aux biotubas dans les eaux usées domestiques avec une aération séquentielle de la partie haute cathodique. La partie basse anodique reste anaérobie. L’objectif est d’abattre le maximum de matière organique tout en aérant au minimum. Les résultats indiquent que le potentiel du biotuba est un paramètre clé pour son pilotage. Ce dernier oscille entre 0 et +0,1 V/ECS lors des phases aérobies et entre -0,4 à -0,5 V/ECS lors des phases anaérobies. Le passage du potentiel haut au potentiel bas correspond à la période d’activité du biotuba pendant laquelle il assure l’oxydation de la matière organique et donc un abattement de la DCO. Cette dernière dure environ 30 minutes, alors que l’abattement cesse dès l’arrêt de l’aération pour les contrôles sans biotuba. Il est également apparu qu’une période trop longue sans aération n’est pas utile (activité du biotuba de 30 minutes) mais qu’une aération trop importante gêne le développement du biofilm anodique, du fait de la compétition avec les bactéries aérobies. Les biotubas avec une aération de 30 minutes toutes les 5 heures 30 ont assuré un abattement de 3 à 6,3 fois plus important que les contrôles. Des communautés microbiennes différentes se développent alors selon les conditions aérobies/anaérobies de chaque zone du biotuba. Une autre stratégie de gestion de l’oxygène a été développée. Elle permet d’abattre jusqu’à 75% de la matière organique contre aucun abattement pour les contrôles en milieu synthétique optimal. En eaux usées réelles, l’abattement est 2,8 fois plus important que pour les contrôles. Un brevet est en cours de dépôt sur cette nouvelle technologie.

In water treatment systems described as "nature-based solutions" the retention of suspended solids can lead to the formation of a surface deposit layer. Both from the point of view of its capacity to interact with the pollutants during its presence on the treatment unit, and during its reuse, notably in land application after curing, pollutants speciation within the deposits and their prossess of remobilization are questioned. The objectives of this work was to better describe the organo-mineral assemblage of these deposits and to provide a better understanding of the influence of colloidal phases on the remobilization of major and trace elements in order to be able to provide predictive models on the remobilization of pollutants from deposits subjected to pH variations. A vertical flow constructed wetland sludge deposit was subjected to different pH conditions and the colloidal phases were studied. Remobilization of organic colloidal phases was found to be particularly sensitive to pH changes. In the acidic pH range, small organic molecules (< 3 kDa) are predominantly remobilized from the deposits. For near-neutral and alkaline pH, large organic colloids (>30 kDa) prevail in solution. This release of organic matter seems to favor the remobilization of iron and aluminum oxides within organo-mineral colloids. The nature and quantity of the remobilized colloidal phases have a large influence on the release of major and trace elements from the constructed wetland’s sludge deposits. However, the affinity of the elements for these colloidal phases is also controlled by the chemical class of the element considered, its oxidation state and the pH of the solution. The use of these experimental data allowed the development and calibration of a multi-surface geochemical model able to reproduce the release and speciation of a wide range of elements (Fe, Al, P, Ca, Mg, Cu, Cd, Cr, Zn, Pb, As) retained within a reed filter sludge. Due to the high concentration of organic matter measured in the sludge and their importance in the release and speciation of elements, the modeling of metal complexation on organic matter by WHAM-ModelVII has been the subject of numerous experiments. The modeling tests combined with the ultrafiltration results allowed to obtain a ratio of active organic matter allowing to improve the prediction of the elemental concentrations. In order to evaluate the robustness of the methodology used on this first sludge, the modeling strategy was applied to other samples. The multisurface models developed in this thesis have all shown their efficiency in calculating the release of many elements whatever the pH conditions and despite very variable initial constitutions. The information provided by this thesis have been fundamental in understanding the risks associated with the emission of trace metals in particular. In time these models could therefore be part of the decision supporting tools available to managers of these solid deposits., Dans les systèmes de traitement des eaux qualifiés de « solutions fondées sur la nature » la rétention des particules en suspensions peut conduire à la formation d’une couche de dépôts de surface. Tant du point de vue de sa capacité à interagir avec les polluants lors de sa présence sur l’unité de traitement, que lors de sa réutilisation notamment en épandage après curage, la spéciation des éléments au sein de ces dépôts et les mécanismes de remobilisation des polluants interrogent. Ce travail avait pour objectifs de mieux décrire l’assemblage organo-minéral de ces matrices et de fournir une meilleure compréhension de l’influence des phases colloïdales sur la remobilisation d’éléments majeurs et traces afin de pouvoir fournir des modèles de prédictions sur la remobilisation de polluants des dépôts soumis à des variations de pH. Un dépôt de surface de filtre planté de roseaux à écoulement vertical a été soumis à différentes conditions de pH et les phases colloïdales ont été étudiées. La remobilisation de phases colloïdales organiques s’est montrée particulièrement sensible aux variations de pH. Dans la gamme de pH acide, de petites molécules organiques (< 3 kDa) sont majoritairement remobilisées des dépôts. Pour des pH proches de la neutralité et alcalins, les gros colloïdes organiques (> 30 kDa) prévalent en solutions. Ce relargage de matière organique semble favoriser la remobilisation d’oxydes de fer et d’aluminium au sein de colloïdes organo-minéraux. La nature et la quantité des phases colloïdales remobilisées exercent une large influence sur le relargage d’éléments majeurs et traces depuis les dépôts de filtre planté de roseaux. Cependant, l’affinité des éléments pour ces phases colloïdales est aussi contrôlée par la classe chimique de l’élément considéré, son état d’oxydation ainsi que le pH de la solution. L’utilisation de ces données expérimentales a permis le développement et la calibration d’un modèle géochimique multi-surfacique capable de reproduire la spéciation d’une large gamme d’éléments (Fe, Al, P, Ca, Mg, Cu, Cd, Cr, Zn, Pb, As) contenue au sein d’une boue de filtre planté et ainsi de reproduire le relargage de ces éléments. De par la concentration importante en matière organique mesurée dans la boue et leur importance dans le relargage et la spéciation des éléments, la modélisation de la complexation des métaux sur la matière organique par WHAM-ModelVII a fait l’objet d’un développement particulier. Afin d’évaluer la robustesse de la méthodologie employée sur cette première boue, la stratégie de modélisation a été appliquée à d’autres échantillons. Les modèles multisurfaciques développés dans cette thèse ont tous montré leur efficacité à calculer le relargage de nombreux éléments quel que soit les conditions de pH et malgré des concentrations initiales en élément majeurs et traces très variables.

Treated wastewater (TWW) reuse for crop irrigation has been developing in recent decades in areas hampered by severe water shortages. However, in humid conditions, the agronomic impacts of supplementary irrigation are less and poorly documented. On the island of Réunion, we measured sugarcane yield and quality on a Nitisol over 2 years by providing 2600 mm of TWW or irrigation water (control) as a supplement to the 3500 mm rainfall. Meanwhile, with the same TWW, irrigation water (IW) and rainfall inputs, we monitored leachates and soil under controlled conditions without plants. Sugarcane yield, Brix degree, fiber and sucrose contents were similar between the TWW and control plots each year. The leachate pH and electrical conductivity at 60 cm depth showed marked differences between the TWW and control modalities. Similarly, after a constant increase in chloride, sulfate, potassium and sodium contents, or breakthrough curves for calcium and magnesium, the concentrations of these elements under the TWW modality were stable from 12 pore volumes (PV), except for calcium which was stable from 16 PV. At the end of the experiment, the hydraulic conductivity and organic carbon contents did not show any significant change, while the pH of soils that had received TWW and of the control soil was higher overall than the pH of the initial soil. The dynamics of the major elements in leachates at 65 cm depth were consistent with the input concentrations and the variations in exchangeable base contents in the soil at the end of the experiment. However, potassium and mineral nitrogen had accumulated in the soil profile while there were low concentrations in the leachate. The TWW quality and quantities provided, uptake by plants, competition for adsorption or leaching, and the pedoclimatic context, could therefore: (i) explain the absence of negative agronomic impact, and (ii) highlight the benefits of irrigation with TWW in humid environments to supplement water requirements and fertilize intensive crops.

This study aims to provide a solution to the problems related to wastewater treatment in Angola. Its objective is to make available to the university campus of the Kimpa Vita University in Uíge, a pilot station with an original rustic and efficient system of wastewater treatment by macrophytes planted filters. The latter, which can be used as a laboratory for students at the High Polytechnic School of Uíge, and then, where possible, to be in other suburban and rural areas of the region. In addition to the theory on sanitation and wastewater, the first phase of this study focused on the study of the physical environment of the micro-station implantation zone. This allowed collecting the actual hydraulic and pollutant loads of the raw effluent on the autonomous sewage network of the university campus, in order to design two micro-station variants by macrophytes planted filters: the vertical-vertical system, the vertical-horizontal system, and to perform their sizing. In this context, the processes of calculating the surfaces of the filters, the screen surface, the self-starting siphon, the manholes, the diameters of the pipes, etc., and the economic cost were used. Considering the above results, the choice was made on the planted micro-station filter with two-stage macrophytes, of the vertical-vertical type, whose investment cost is about half as the hybrid system (vertical-horizontal). The second phase involved a combination of physicochemical and biological measurements of local macrophytes capable of removing constituents from wastewater. This is the evaluation of the performance of local reeds including the Arundo donax and the Pennisetum purpureum Schumach, with the aim of choosing which one to use in the pilot micro-station. The results obtained showed that the effluent treated by the planted filter of Arundo donax has a better mineralization, a greater capacity to withstand flooding, a good degradation of carbon pollution, and a good bacteriological reduction. Indeed, the action of its roots and rhizomes allow a significant elimination of nutrients and an increase in hydraulic flow. The final phase is devoted to functional modelling of filter treatment systems planted with macrophytes for the construction of a tool to help sizing this type of chain.; La présente étude se propose d’apporter une solution aux problèmes liées au traitement des eaux usées en Angola. Elle a pour objectif de mettre à la disposition du campus universitaire de l’Université Kimpa Vita d’Uíge, une station pilote dotée d’un système original rustique et performant d’assainissement des eaux usées par filtres plantés des macrophytes. Cette dernière, pouvant servir de laboratoire aux étudiants de l’ingénierie hydraulique et assainissement des eaux de l’École Supérieure Polytechnique d’Uíge, puis dans la mesure du possible pour être implantée dans d’autres zones périurbaines et rurales de la région. Outre la théorie sur l’assainissement et les eaux usées, la première phase de cette étude s’est consacrée à l’étude du milieu physique de la zone d’implantation de la microstation. Celle-ci a permis de recueillir les charges hydrauliques et polluantes réelles de l’effluent brut sur le réseau d’assainissement autonome du campus universitaire, afin de concevoir deux variantes de microstation par filtre planté des macrophytes : le système vertical-vertical, le système vertical-horizontal, et d’effectuer leur dimensionnement. Dans ce cadre, on a recouru aux procédés des calculs des surfaces des filtres, de dégrilleur, de siphon autoamorçant, des regards, des diamètres des canalisations, etc., et du coût économique. Au regard de ce qui précède, le choix a été porté sur la microstation à filtres planté de macrophytes à deux étages, du type vertical-vertical, dont le coût d’investissement est environ deux fois moins que le système hybride (vertical-horizontal). La deuxième phase a porté sur une combinaison des mesures physico-chimiques et biologiques des macrophytes locales capables d’éliminer les constituants des eaux usées. Il s’agit de l’évaluation des performances des roseaux locaux dont l’Arundo donax et le Pennisetum purpureum Schumach, dans le but de choisir celui à utiliser dans la microstation pilote. Les résultats obtenus ont montré que l’effluent traité par le filtre planté d’Arundo donax présente une meilleure minéralisation, une capacité supérieure à supporter les inondations, une bonne dégradation de la pollution carbonée, et un bon abattement bactériologique. En effet, l’action de ses racines et des rhizomes permettent une élimination importante des nutriments et une augmentation du débit hydraulique. La phase finale est consacrée à une modélisation fonctionnelle des systèmes de traitement par filtre planté de macrophytes pour la construction d’un outil d’aide au dimensionnement de ce type de filière.

This study aims to provide a solution to the problems related to wastewater treatment in Angola. Its objective is to make available to the university campus of the Kimpa Vita University in Uíge, a pilot station with an original rustic and efficient system of wastewater treatment by macrophytes planted filters. The latter, which can be used as a laboratory for students at the High Polytechnic School of Uíge, and then, where possible, to be in other suburban and rural areas of the region. In addition to the theory on sanitation and wastewater, the first phase of this study focused on the study of the physical environment of the micro-station implantation zone. This allowed collecting the actual hydraulic and pollutant loads of the raw effluent on the autonomous sewage network of the university campus, in order to design two micro-station variants by macrophytes planted filters: the vertical-vertical system, the vertical-horizontal system, and to perform their sizing. In this context, the processes of calculating the surfaces of the filters, the screen surface, the self-starting siphon, the manholes, the diameters of the pipes, etc., and the economic cost were used. Considering the above results, the choice was made on the planted micro-station filter with two-stage macrophytes, of the vertical-vertical type, whose investment cost is about half as the hybrid system (vertical-horizontal). The second phase involved a combination of physicochemical and biological measurements of local macrophytes capable of removing constituents from wastewater. This is the evaluation of the performance of local reeds including the Arundo donax and the Pennisetum purpureum Schumach, with the aim of choosing which one to use in the pilot micro-station. The results obtained showed that the effluent treated by the planted filter of Arundo donax has a better mineralization, a greater capacity to withstand flooding, a good degradation of carbon pollution, and a good bacteriological reduction. Indeed, the action of its roots and rhizomes allow a significant elimination of nutrients and an increase in hydraulic flow. The final phase is devoted to functional modelling of filter treatment systems planted with macrophytes for the construction of a tool to help sizing this type of chain.; La présente étude se propose d’apporter une solution aux problèmes liées au traitement des eaux usées en Angola. Elle a pour objectif de mettre à la disposition du campus universitaire de l’Université Kimpa Vita d’Uíge, une station pilote dotée d’un système original rustique et performant d’assainissement des eaux usées par filtres plantés des macrophytes. Cette dernière, pouvant servir de laboratoire aux étudiants de l’ingénierie hydraulique et assainissement des eaux de l’École Supérieure Polytechnique d’Uíge, puis dans la mesure du possible pour être implantée dans d’autres zones périurbaines et rurales de la région. Outre la théorie sur l’assainissement et les eaux usées, la première phase de cette étude s’est consacrée à l’étude du milieu physique de la zone d’implantation de la microstation. Celle-ci a permis de recueillir les charges hydrauliques et polluantes réelles de l’effluent brut sur le réseau d’assainissement autonome du campus universitaire, afin de concevoir deux variantes de microstation par filtre planté des macrophytes : le système vertical-vertical, le système vertical-horizontal, et d’effectuer leur dimensionnement. Dans ce cadre, on a recouru aux procédés des calculs des surfaces des filtres, de dégrilleur, de siphon autoamorçant, des regards, des diamètres des canalisations, etc., et du coût économique. Au regard de ce qui précède, le choix a été porté sur la microstation à filtres planté de macrophytes à deux étages, du type vertical-vertical, dont le coût d’investissement est environ deux fois moins que le système hybride (vertical-horizontal). La deuxième phase a porté sur une combinaison des mesures physico-chimiques et biologiques des macrophytes locales capables d’éliminer les constituants des eaux usées. Il s’agit de l’évaluation des performances des roseaux locaux dont l’Arundo donax et le Pennisetum purpureum Schumach, dans le but de choisir celui à utiliser dans la microstation pilote. Les résultats obtenus ont montré que l’effluent traité par le filtre planté d’Arundo donax présente une meilleure minéralisation, une capacité supérieure à supporter les inondations, une bonne dégradation de la pollution carbonée, et un bon abattement bactériologique. En effet, l’action de ses racines et des rhizomes permettent une élimination importante des nutriments et une augmentation du débit hydraulique. La phase finale est consacrée à une modélisation fonctionnelle des systèmes de traitement par filtre planté de macrophytes pour la construction d’un outil d’aide au dimensionnement de ce type de filière.

National audience; Biofiltration is a compact and efficient technology for the treatment of urban effluents. On some facilities, clogging regularly occurs, requiring a curative operation to reach the treatment capacity. A first survey carried out in 2007 had assessed the extent of the biofilters clogging, making designers and operators aware of this phenomenon. In 2018, a second survey has evaluated the extent of biofilters clogging again, to propose causes and means to detect clogging. We contacted 128 existing biofilters in France as well as some facilities from other European countries, in order to collect data about design and operation of different technologies (Biofor, Biostyr, Biolest, Biopur) located in different configurations. We also obtained data about backwash and frequency of clogging. With an answer rate of 33%, we got a representative sample of the French facilities of biofiltration type. We have shown that the extent of clogging has decreased and it mainly affects the biofiltration located after the primary settling tank. The risk of clogging is important beyond 5,8 kg COD / m3 material / filtration cycle and 2,1 kg TSS / m3 material / cycle of volumetric loads. However, it also occurs for lower volumetric loads such as with very organic effluents (COD / TSS ratios> 3,2), linked to a significant accumulation of biomass despite a low suspended solids volumetric load. The study indicates the efficiency of operating rules, and provides indicators of occurrence of clogging, as well as preventive and curative solutions.; La biofiltration est une technologie compacte et efficace pour le traitement des effluents urbains. Certaines installations sont régulièrement touchées par un colmatage irréversible, nécessitant une opération curative pour retrouver sa capacité de traitement. Une première enquête menée en 2007 avait évalué l’ampleur du colmatage des biofiltres, et sensibilisé exploitants et concepteurs au phénomène. En 2018, une seconde enquête a ré-évalué l’ampleur du colmatage des biofiltres, a approfondi les causes et les moyens de détection de ce phénomène. Nous avons consulté les 128 biofiltres existants sur le territoire national ainsi que quelques installations d’autres pays Européens, afin de collecter des données de construction et d’exploitation de différentes technologies (Biofor, Biostyr, Biolest, Biopur) fonctionnant dans différentes configurations. Nous avons également recueilli les informations concernant les cycles de lavage et la fréquence observée des colmatages irréversibles. Le taux de réponse a été de 33% donnant un échantillon de réponse représentatif du parc de biofiltres Français. Nous avons montré que le colmatage irréversible semble en régression, et impacte principalement les installations en premier étape de traitement (après le décanteur primaire). Le risque de colmatage irréversible est important au-delà de 5,8 kg DCO/m3 matériau/cycle de filtration et de 2,1 kg MES/m3 matériau/cycle. Néanmoins, il est également important pour des charges volumiques inférieures dans le cas d’effluents très organiques (ratios DCO/MES > 3,2), lié à une accumulation importante de biomasse malgré la faible charge en matières en suspension appliquée. L’étude a permis d’énoncer et de hiérarchiser des règles d’exploitation comprenant des indicateurs de dérive vers le colmatage irréversible, ainsi que des moyens de lutte préventifs et curatifs.

El Conjunto Residencial Altos de San Nicolás, ubicado en el municipio de Anapoima (departamento de Cundinamarca), fue construido entre 2008 y 2011, aunque la entrega de las casas a sus propietarios empezó en 2010. En 2011 la empresa constructora entregó la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR), puesto que por estar localizado en una zona veredal, no contó con el servicio de alcantarillado del municipio. Desde este tiempo, la PTAR ha permanecido sin entrar en operación, lo que ha implicado que las aguas residuales del Conjunto se viertan sin ningún tipo de tratamiento a las aguas de la Quebrada Socotá, causando las contaminación propia de las aguas residuales de carácter doméstico. RESUMEN INTRODUCCIÓN 1. GENERALIDADES 1.1 Problema de investigación 1.2 Antecedentes de investigación 1.3 Justificación 1.4 Objetivos 1.4.1 Objetivo general 1.4.2 Objetivos específicos 1.5 Alcance y limitaciones 2. MARCO TEÓRICO 2.1 Bases teóricas 2.1.1 Aguas residuales 2.1.2 Impactos ambientales de las aguas residuales 2.1.3 Tratamiento de aguas residuales 2.1.4 Sistemas de Gestión Ambiental 2.1.5 La norma ISO 14001:2015 – Sistemas de Gestión Ambiental (SGA) 2.2 Definición de términos básicos 2.3 Marco legal 2.4 Contexto espacial 3. METODOLOGÍA 3.1 Tipo de estudio 3.2 Diseño de investigación 3.3 Técnicas de recolección y análisis de datos 3.4 Población y muestra 3.5 Procedimiento 4. DIAGNÓSTICO DE LA SITUACIÓN ACTUAL 4.1 Aspectos generales del Conjunto Residencial Altos de San Nicolás 4.2 Resultados de la encuesta a propietarios 4.3 La PTAR y el manejo actual de las aguas residuales del Conjunto 5. PROPUESTA 5.1 Planificación 5.1.1 Política medioambiental para la Administración del Conjunto 5.1.2 Análisis de la situación existente 5.1.3 Identificación de aspectos prioritarios 5.1.4 Definición de requisitos legales 5.1.5 Definición de objetivos medioambientales 5.1.6 Programa de gestión ambiental 5.2 Implantación (Hacer) 5.2.1 Estructuras y responsabilidades 5.2.2 Formación y sensibilización 5.2.3 Comunicación 5.2.4 Documentación del Sistema de Gestión Ambiental 5.2.5 Control operacional 5.2.6 Plan de emergencia 5.3 Verificación 5.3.1 Seguimiento y medición 5.3.2 Evaluación del cumplimiento legal 5.3.5 Auditoría interna 5.4 Actuación 5.4.1 Revisión por la dirección 5.4.2 Certificación del Sistema de Gestión Ambiental CONCLUSIONES RECOMENDACIONES REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS The Altos de San Nicolás Residential Complex, located in the municipality of Anapoima (department of Cundinamarca), was built between 2008 and 2011, although the delivery of the houses to their owners began in 2010. In 2011 the construction company delivered the Treatment Plant of Residual Waters (PTAR), since being located in a rural area, it did not have the municipal sewage service. Since this time, the PTAR has remained without going into operation, which has implied that the wastewater of the Complex is discharged without any type of treatment to the waters of the Socotá Stream, causing the own contamination of the domestic wastewater. Pregrado Le complexe résidentiel Altos de San Nicolás, situé dans la municipalité d'Anapoima (département de Cundinamarca), a été construit entre 2008 et 2011, bien que la livraison des maisons à leurs propriétaires ait commencé en 2010. En 2011, l'entreprise de construction a livré l'usine de traitement. des eaux résiduelles (PTAR), étant situé dans une zone rurale, il ne disposait pas du service d'égouts municipal. Depuis, la station d'épuration est restée sans mise en service, ce qui implique que les eaux usées du complexe sont rejetées sans aucun traitement dans les eaux du ruisseau de Socotá, provoquant la propre contamination des eaux usées domestiques.

A treatment wetland (TW) system represents a promising solution for wastewater treatment for small-scale communities and allows meeting the discharge criteria in many countries with a temperate or tropical climate. In Quebec province (Canada), almost 49% of municipalities are small-scale communities (< 1000 people-equivalent (PE)) with nonexistent or partial equipment of sewage facilities. This situation demonstrates a serious need of alternative solutions of wastewater treatment. However, the most interesting systems as a vertical flow TW can’t be used as such in cold climate, and so need to be adapted. Therefore this manuscript proposes an innovative study allowing an implementation of a TW solution appropriate to specific features of a cold continental climate. In this thesis research the compact version of a vertical flow TWs was studied through three principal axes: 1) a study focused on an overall functioning taken in account a treatment performances, 2) a thermal properties study focused on a winter-period and 3) a study of woody species using on TWs. This research validates a proposed TW design forcold climate application highlighting a high level of treatment performances as well as a great frost resistance of filtering bed. It was confirmed that woody species is an appropriate solution for this kind of treatment system.; Le système de filtres plantés (FP) représente une solution alternative pour le traitement des eaux usées domestiques des petites communes et permet de respecter les normes de rejet dans de nombreux pays aux climats tempérés ou tropicaux. Dans la province de Québec (Canada), environ 49% des municipalités ont une taille inférieure à 1000 équivalent-habitants (EH) et sont partiellement ou pas équipées d'installation d'assainissement, ce qui met en évidence un besoin important. Toutefois, les dispositifs les plus intéressants de type filtres plantés à flux vertical ne peuvent pas être utilisés comme tel en climat froid et nécessitent des adaptations. Ce manuscrit propose donc l'étude d'innovations permettant de mettre en œuvre une solution de filtres plantés adaptés aux particularités du climat continental froid. Dans ce travail de thèse, la mise en œuvre d'un système à filtre planté vertical compact a été étudiée selon trois axes : 1) étude du fonctionnement général et des performances épuratoires, 2) suivi des propriétés thermiques durant la période hivernale et 3) étude sur le choix et l'utilisation d’espèces ligneuses. Ce travail de thèse a validé la filière de FP proposé pour l’application en climat froid en mettant en évidence le haut niveau de performances épuratoire ainsi qu’une forte résistance du lit filtrant aux conditions de gel. Les espèces ligneuses sont une solution appropriée pour ce type de système de traitement.

A treatment wetland (TW) system represents a promising solution for wastewater treatment for small-scale communities and allows meeting the discharge criteria in many countries with a temperate or tropical climate. In Quebec province (Canada), almost 49% of municipalities are small-scale communities (< 1000 people-equivalent (PE)) with nonexistent or partial equipment of sewage facilities. This situation demonstrates a serious need of alternative solutions of wastewater treatment. However, the most interesting systems as a vertical flow TW can’t be used as such in cold climate, and so need to be adapted. Therefore this manuscript proposes an innovative study allowing an implementation of a TW solution appropriate to specific features of a cold continental climate. In this thesis research the compact version of a vertical flow TWs was studied through three principal axes: 1) a study focused on an overall functioning taken in account a treatment performances, 2) a thermal properties study focused on a winter-period and 3) a study of woody species using on TWs. This research validates a proposed TW design forcold climate application highlighting a high level of treatment performances as well as a great frost resistance of filtering bed. It was confirmed that woody species is an appropriate solution for this kind of treatment system.; Le système de filtres plantés (FP) représente une solution alternative pour le traitement des eaux usées domestiques des petites communes et permet de respecter les normes de rejet dans de nombreux pays aux climats tempérés ou tropicaux. Dans la province de Québec (Canada), environ 49% des municipalités ont une taille inférieure à 1000 équivalent-habitants (EH) et sont partiellement ou pas équipées d'installation d'assainissement, ce qui met en évidence un besoin important. Toutefois, les dispositifs les plus intéressants de type filtres plantés à flux vertical ne peuvent pas être utilisés comme tel en climat froid et nécessitent des adaptations. Ce manuscrit propose donc l'étude d'innovations permettant de mettre en œuvre une solution de filtres plantés adaptés aux particularités du climat continental froid. Dans ce travail de thèse, la mise en œuvre d'un système à filtre planté vertical compact a été étudiée selon trois axes : 1) étude du fonctionnement général et des performances épuratoires, 2) suivi des propriétés thermiques durant la période hivernale et 3) étude sur le choix et l'utilisation d’espèces ligneuses. Ce travail de thèse a validé la filière de FP proposé pour l’application en climat froid en mettant en évidence le haut niveau de performances épuratoire ainsi qu’une forte résistance du lit filtrant aux conditions de gel. Les espèces ligneuses sont une solution appropriée pour ce type de système de traitement.

Phosphorus recovery from wastewater is important to reduce sources depletion and eutrophication of natural environments. It is also mandatory according to the European regulation to implement wastewater treatments aiming phosphorus removal, particularly in those greater than 10 000 population-equivalent. In France, small wastewater treatment plants discharging their treated wastewater into sensitive zones to eutrophication are also affected by national and local regulations concerning phosphorus-discharge limits. These wastewater treatment plants need robust technologies with low-maintenance requirements such as apatite filters. Some of these full-scale filters already exist in France but their design and operation is not yet optimised. The apatite is a reactive mineral able to retain phosphorus onto its surface as calcium phosphate precipitates. The close composition between the reactive substrate and the precipitate would make the resulting product a suitable source for its valorisation in fertilizers production. However, calcium phosphate precipitation in a wastewater solvent involves complex equilibria that are not yet fully understood. Thus, the scientific objective of this thesis work was to enhance the comprehension of phosphorus retention processes taking place in apatite filters, including the assessment of performances and reaction kinetics, in order to provide a better design of full-scale apatite filters for small rural wastewater treatment plants. In order to achieve these objectives, three different apatite materials were studied. The first apatite material consisted of a manufactured granulated apatite which was commercialised and used in twenty full-scale filters of France since 2012. The first results on these full-scale applications showed performances unexpectedly low considering the predictions based on their design. It was, therefore, necessary to identify the causes leading to the dysfunctions of the granulated apatite filters. The assessment of the granulated apatite as a filtering material was carried out using two different strategies: (1) the implementation of field campaigns on a selection of full-scale filters and (2) the implementation of experiments in fixed-bed laboratory columns to study the processes taking place under controlled conditions. The results of this study confirmed the unsuitability of the granulated apatite for long-term phosphorus retention. The product behaved more as an adsorbent-like material resulting in low long-term performances. The second and third materials were natural apatites meant to become an alternative to granulated apatite. The suitability of natural apatites for phosphorus retention applications from wastewater was already highlighted in previous works. However, more detailed information about the processes and operational conditions required for the specific application were lacking, especially considering that the composition and characteristics of the natural apatite varies with the origin of the mineral. The assessment of natural apatites was carried out by fixed-bed laboratory column experiments. The results, in this case, were very promising: natural apatites were able to initiate a long-term removal process providing high kinetic rate constants and high retention performances (>80%) for relatively high phosphorus retention capacities of the filter (up to 17.5 g P-PO4 /kg material). Consequently, several designs of natural apatite filters were proposed, in order to provide phosphorus retention performances to meet discharging limits for a 30 year-period., La récupération de phosphore des eaux usées est une problématique importante qui doit être abordée pour éviter l’épuisement de ressources naturelles et l’eutrophisation des milieux aquatiques. C’est aussi un cadre prévu par la normalisation européenne relative au traitement des eaux usées dont l’élimination de phosphore dans les stations d’épuration de plus de 10 000 équivalents-habitants. En France, les réglementations nationales et locales prévoient aussi l’application de limites de rejet contraignants sur le paramètre phosphore pour les petites stations déversant ses eaux en zones sensibles à l’eutrophisation. Les petites stations d’épuration nécessitent des technologies robustes avec peu de maintenance telles que les filtre d’apatite. En France, un certain nombre de filtres d’apatite à échelle réelle ont déjà été mise en œuvre, par contre, le dimensionnement et ses caractéristiques opératoires n’ont pas été optimisés et certains dysfonctionnements sont apparus. L’apatite est un réactant minéral capable de retenir le phosphore par des phénomènes de précipitation de phosphates de calcium. La composition très similaire entre le substrat et le précipité formé constitue un produit final approprié pour la valorisation de phosphore en tant que matière première pour la fabrication d’engrais. Néanmoins, la précipitation des phosphates de calcium dans les eaux usées implique la participation d’équilibres chimiques complexes qui ne sont pas encore entièrement compris. Ainsi, l’objectif scientifique poursuivi dans le cadre de ce travail de thèse est d’améliorer la compréhension des processus ayant lieu dans les filtres d’apatite. Cela comprends à la fois les performances de rétention et les cinétiques de réaction pour pouvoir fournir, dans un deuxième temps, un dimensionnement amélioré des filtres d’apatite à échelle réelle pour des stations rurales de petite taille. Dans ce cadre, trois matériaux apatitiques différents ont été étudiés. Le premier matériau consiste en une apatite granulée commercialisée et installée sur une vingtaine de filtres en taille réelle en France depuis 2012. Des retours d’expérience sur ces filtres au préalable à la thèse, montraient des performances très basses et inattendues. Il était donc nécessaire d’établir les causes du dysfonctionnement de ces filtres d’apatite granulée. Cette évaluation a été menée à deux échelles différentes : (1) un retour d’expérience par la réalisation des campagnes intensives sur une sélection de filtres en taille réelle, et (2) par l’expérimentation au laboratoire sur des colonnes en conditions contrôlées. Les mauvaises performances des apatites granulées pour la rétention de phosphore sur le long terme ont été confirmées. Le produit semble se comporter comme un matériau adsorbent ne permettant pas de déclencher de processus de rétention pérenne. En conséquence, différents types d’apatites naturelles ont été aussi étudiées comme alternative à l’apatite granulée. La bonne performance de rétention des apatites naturelles avait déjà été mis en évidence par des études préalables. Cependant, des précisions sur les processus ayant lieu et les conditions opérationnelles étaient nécessaires notamment si on considère la variabilité de la composition et les caractéristiques des apatites naturelles en fonction de son origine. Les apatites naturelles ont donc été testées en colonnes de laboratoire avec des résultats cette fois-ci prometteurs. Les apatites naturelles ont été capables d’initier une rétention de phosphore sur le long terme, en montrant des constantes cinétiques fortes avec de performances de rétention au-dessus de 80% pour des niveaux de rétention assez importants (jusqu’à 17.5 g P-PO4 /kg matériau). En conséquence, plusieurs dimensionnements ont été ici proposés de manière à pouvoir assurer un rejet respectant le seuil réglementaire pendant 30 ans de vie du filtre.