Traitement des eaux usées dans les filtres plantés à écoulement vertical : Etude dynamique de l’azote dans les étapes du procédé et des limitations de la dénitrification

Wastewater treatment in vertical flow treatment wetlands : Dynamic study of nitrogen in the process stages and limitations of denitrification

• Auteur / Autrice : Kévin Maciejewski
• Direction : Rémy Gourdon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie, procédés, environnement
• Date : Soutenance le 12/07/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : DEEP - Déchets Eaux Environnement Pollutions, EA 7429 (Lyon, INSA) - Déchets Eaux Environnement Pollutions / DEEP
• Jury : Président / Présidente : Cécile Delolme
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémy Gourdon, Cécile Delolme, Yves Andres, Diederik Rousseau, Joan Garcia, Mathieu Gautier, Julie Mendret, Pascal Molle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Andres, Diederik Rousseau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eaux usées

Dénitrification

Nitrification

Eaux usées -- Épuration -- Dénitrification

Mots clés libres

Environnement

Filtres plantés de roseaux

Traitement azote

Ecoulement vertical

Nitrification

Dénitrification

Lit bactérien

Microbiologie

Traitement des eaux usées

Assainissement

Matériau biosourcé

Environment

Filters planted with reeds

Nitrogen treatment

Vertical flow

Nitrification

Denitrification

Trickling filter

Microbiology

Wastewater treatment

Sanitation

Bio-Based material

Résumé

Les filtres plantés de roseaux à écoulement vertical ont connu un essor considérable en France lors des 20 dernières années. Les enjeux aujourd’hui sont de mieux maitriser les performances de ces systèmes et d’optimiser le traitement de l’azote et du phosphore. Les travaux présentés ici portent sur un procédé appelé AZOE® dont les deux principales modifications par rapport au système de base sont l’immersion partielle des filtres plantés de roseaux et l’ajout d’un lit bactérien en tête de filière. Les objectifs de ces travaux sont d’approfondir la compréhension des mécanismes de traitement de l’azote sur cette filière, en particulier le lien entre carbone et azote, ainsi que de tester de possibles optimisations. Une attention particulière a été porté aux le développement de méthodologie analytique adaptée aux particularités de ces systèmes. Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence que dans ces procédés, la charge carbonée est dégradée jusqu’à 50% sur le lit bactérien, tandis que la nitrification peut atteindre 25% dans certains cas. Le premier étage de filtre planté contribue à la nitrification à hauteur de 75% et à la dénitrification à hauteur de 60%. L’ensemble des travaux ont permis de confirmer que le manque de carbone organique sur le second étage était le principal facteur limitant de la dénitrification et de mieux quantifier l’évolution du ratio carbone : azote tout au long de la filière de traitement. Un des apports de cette thèse a consisté à adapter et/ou développer des approches analytiques spécifiques pour améliorer la compréhension des procédés. Tout d’abord une approche isotopique a été développée en complément d’un traçage hydraulique pour appréhender la dynamique du comportement de l’azote au cours d’une période d’alimentation du système. Un traçage à l’ammonium marqué a permis de mettre en évidence la réactivité de l’azote avec les médias filtrant et de suivre dans le temps le déplacement et les transformations d’une bâchée. Les pilotes expérimentaux ont été équipés d’une installation spécifique permettant le prélèvement de matériaux filtrants sur lesquels les activités enzymatiques de nitrification et de dénitrification de chaque étage ont été mesurés avec une précision d’environ 5 cm au sein des horizons des milieux poreux. Dans une dernière phase destinée à optimiser ces systèmes au regard des limites identifiées, deux stratégies d’apport de carbone organique ont été évaluées pour lever les carences en carbone limitant la dénitrification sur le second étage. La dérivation d’une proportion d’effluent brut vers le second étage a été testée à l’échelle pilote, couplée à la mesure des potentiels microbiens de nitrification et de dénitrification permettant une cartographie fine des horizons impliquées dans le traitement de l’azote en comparaison d’un fonctionnement sans dérivation. Enfin, des essais de laboratoire ont porté sur le choix et l’étude de 7 matériaux biosourcés comme apport de carbone.

Vertical flow treatment wetlands have experienced considerable growth in France over the last 20 years. The challenge today is to better control the performance of these systems and to optimise the treatment of nitrogen and phosphorus. The work presented here concerns a system called AZOE® whose two main modifications in relation to the basic system are the partial immersion of the reed filters and the addition of a trickling filter at the head of the system. The objectives of this work are to deepen the understanding of the nitrogen treatment mechanisms in this system, in particular the link between carbon and nitrogen, and to test possible optimisations. The work was carried out on several scales, combining the exploitation of field data on a real scale with experimental tests on a pilot scale. Particular attention was paid to the development of analytical methodology adapted to the particularities of these systems. The results obtained have shown that in these processes, the carbon load is degraded by up to 50% on the trickling filter, while nitrification can reach 25% in certain cases. The first stage contributes 75% to nitrification and 60% to denitrification. The work as a whole confirmed that the lack of organic carbon on the second stage was the main limiting factor for denitrification and enabled us to better quantify the evolution of the carbon : nitrogen ratio throughout the treatment process. One of the contributions of this thesis was to adapt and/or develop specific analytical approaches to improve the understanding of the processes. Firstly, an isotopic approach was developed in addition to hydraulic tracing to understand the dynamics of nitrogen behaviour during a system feed period. A tracing with labelled ammonium made it possible to highlight the reactivity of the nitrogen with the filter media and to follow the displacement and transformations of a batch over time. The experimental pilots were equipped with a specific installation allowing the sampling of filtering materials on which nitrification and denitrification enzyme activity analyses were carried out to provide information of each filter stage with a precision of about 5 cm within the horizons of the porous media. In a final phase designed to optimise these systems with regard to the identified limitations, two organic carbon supply strategies were evaluated to overcome the carbon deficiencies limiting denitrification on the second stage. The diversion of a proportion of raw effluent to the second stage was tested on a pilot scale, coupled with the measurement of microbial nitrification and denitrification potentials, allowing a fine mapping of the horizons involved in nitrogen treatment in comparison with operation without diversion. Finally, in a prospective approach, laboratory tests were carried out on the choice and study of 7 materials as carbon input.