Épuration naturelle : de la rivière à la zone humide de rejet

Natural purification : from river to constructed wetland

• Auteur / Autrice : Yuhai Zhang
• Direction : Marie-Noëlle Pons, Nouceiba Adouani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et des produits
• Date : Soutenance le 17/12/2014
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Didier Graillot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Sire
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Namour, Ilse Smets

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cycle de l'azote

Plantes des eaux usées

Eaux usées -- Évacuation

Cours d'eau -- Auto-épuration

Mots clés libres

Pollution domestique

Épuration naturelle

Milieu récepteur

Zone hyporhéique

Zone de rejet végétalisées

Biogéochimie de l’azote

Domestic pollution

Natural purification

Receiving water body

Hyporheic zone

Free-Surface constructed wetland

Nitrogen biogeochemistry

Résumé

Cette thèse s’est déroulée dans le cadre du projet EPEC (Epuration en Eau Courante) soutenu par le programme ECOTECH 2010 de l’ANR. Ce projet doit permettre d’aider à répondre aux exigences de la Directive Cadre sur l’Eau pour les petits cours d’eau en zone rurale. Deux voies ont été explorées i) la première vise à étudier et à proposer des moyens d’améliorer la capacité d’épuration au sein de systèmes naturels, en s’appuyant sur des observations réalisées sur deux cours d’eau en Lorraine (Brénon et St-Oger) ii) la seconde concerne la réduction des impacts sur le milieu récepteur des rejets de stations d’épuration en milieu rural par l’étude du fonctionnement de zones de rejet végétalisées (ou ZRV) à la sortie de ces stations. A l’échelle de la rivière, la caractérisation sur tout son cours permet de distinguer les zones les plus susceptibles de présenter des phénomènes d’autoépuration marqués. Cela a permis, en combinaison avec des caractérisations hydromorphologiques, de sélectionner pour chacun tronçon de taille plus réduite. Ces tronçons sont localisés en aval de zones urbanisées et présentent une succession de parties rectifiées et de parties naturelles. La réponse du tronçon naturel face aux polluants domestiques est différente selon le cours d’eau. Le tronçon naturel du Brénon, d’une longueur d’environ 6 km était efficace en termes d’abattement des matières organiques, de l’azote ammoniacal et des nitrates. Quant au St-Oger, les polluants ont été beaucoup moins influencés dans le tronçon naturel dont la longueur n’était que de 0.5 km. La troisième échelle s’est intéressée au compartiment hyporhéique dont le comportement est déterminé par les caractéristiques hydromorphologiques du cours d’eau, la composition du substrat et notamment sa porosité, et les conditions hydrologiques qui varient en fonction des aléas climatiques. A partir de prélèvements dans la zone hyporhéique (- 30 et -50 cm pour le Brénon et -20 et -30 cm pour le St-Oger), quatre types de fonctionnement ont été distingués en fonction de la disponibilité en oxygène dissous et des échanges possibles entre la zone hyporhéique et l’eau de surface : (1) les zones aérobies à échange hyporhéique important contribuent à la dégradation des matières organiques et à l’oxydation de l’azote ammoniacal ; (2) les zones anoxiques à échange hyporhéique moindre caractérisées par une épuisement rapide de l’oxygène dissous par le biais de métabolismes microbiens aérobies et par une réduction des nitrates ; (3) les zones anoxiques à faible échange hyporhéique caractérisées par une accumulation des sels en profondeur et une réduction des nitrates et sulfates et (4) les zones fermées caractérisées soit par présence du colmatage soit par une très faible conductivité hydraulique. Ces fonctionnements ont pu partiellement être reproduits au laboratoire dans un réacteur à lit poreux permettant de simuler la zone hyporhéique. Le terme de ZRV est utilisé pour décrire des espaces aménagés entre le point de rejet de station d'épuration en amont et le milieu récepteur en aval, dans le but de réaliser un traitement de finition des eaux résiduaires traitées. Ces ZRV ont montré une forte capacité à éliminer les nitrates et les phosphates en période estivale, mais une production de carbone organique dissous a aussi été notée lié à la décomposition des macrophytes (phragmites, lentilles d’eau, algues, etc). En plus, une forte production d’oxygène par la photosynthèse des algues a été observée au printemps. Cependant, cette production s’atténuait progressivement avec la vitesse de recouvrement de l’eau libre par de lentilles d’eau. Deux tests biologiques sur le potentiel de la dénitrification et de méthanisation des sédiments des zones humides ont été effectués en laboratoire pour corroborer les observations de terrain

The present PhD work was carried out within the project EPEC (Epuration en Eau Courante) funded by an ANR program, ECOTECH, in order to meet the requirements of Water Framework Directive for small streams, in particular in rural areas where domestic wastewater could be directly discharged by reason of lack of sewerage network and contribute to water quality degradation. Two study directions have been taken: i) the first aimed to study natural purification in stream systems and find out the way to improve water quality, and 2) the second concerned the reduction of the impact of wastewater treatment plants (WWTP) discharge to receiving water bodies by installation of a free-surface constructed wetland between them. Three study scales were investigated within two rural streams of Lorraine, Brénon and St-Oger. At stream scale, characterization of water quality along its course allowed us to distinguish some segments where occurred naturel purification processes. The second study scale was on relevant stream sections presenting interesting hydromorphologic features. These sections were located at the downstream of urban areas and present a succession of rectified and naturel segments. The response of naturel sections to domestic pollutants was different for the two streams. The Brénon section length of about 6 km was efficient for organic matter, ammonium nitrogen and nitrates removal. Concerning the St-Oger stream, the pollutants were less influenced in the natural section long of only 0.5 km. The last study scale focused on the hyporheic zone where system function depends on hydromorphologic features of the stream, composition of streambed, especially its porosity, and hydrologic conditions which depends on climate. According to analysis on hyporheic waters sampled at -30 and -50 cm for Brénon and -20 and -30 cm for St-Oger, four functional zones were distinguished in relation with dissolved oxygen availability and possible water exchange between hyporheic zone and surface water: (1) aerobic zones at high hyporheic exchange showing contribution to organic matter degradation and oxidation of ammonium nitrogen; (2) Anoxic zones with less hyporheic exchange characterized by fast dissolved oxygen depletion by aerobic microbial metabolism and reduction of nitrates; (3) Anoxic zones with low hyporheic exchange characterized by accumulation of salts in deep layers and reduction of nitrates and sulfates and (4) “closed” zones characterized by clogged spaces or very low hydraulic conductivity. These functions could be partially reproduced in laboratory within a porous bed reactor simulating an hyporheic zone. Free-surface wetlands are spaces constructed between the discharge point of the WWTP and the receiving watercourse, here small streams in rural areas, with the aim to finish the waste water treatment. The wetlands had shown high capacity to remove nitrates and phosphates in summer periods. However a production of dissolved organic carbon was noticed and results from plant decomposition (reed, duckweed, algae, etc.). Algae contributed to high oxygen production through photosynthesis in spring. This production progressively decreased with the proliferation of duckweed on the water surface. Two biological tests on sediment's potentiality for denitrification and methane production were carried out at laboratory scale in order to corroborate the field observations