Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de ... - ENGEES

ECOLE NATIONALEDU GENIE DE L'EAU ET DE L'ENVIRONNEMENTDE STRASBOURGMécanismes de réduction de pollutiondans les filtres de rétentionMémoire de fin d’études d’Ingénieur diplômé de l’ENGEESEncadrant : Dipl-ing MAUS ChristianJuin 2009de MALGLAIVE AmauryPromotion Indre

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionRemerciementsMes remerciements vont tout d’abord à Christian Maus, ingénieur et collègue de travailpendant ces 6 mois de stage. Il fut un encadrant particulièrement patient et disponible pourrépondre à toute question professionnelle et extraprofessionnelle. Je remercie également toutel’équipe de travail du LWW pour les bons conseils qu’ils m’ont apporté. Je pense enparticulier à Malte Henrichs, Dominik Leutnant, Nina Voßwinkel, Mohamed A. Abdurahman,Manuel&Anne.Cette étude ne s’est pas limitée à un travail de recherche en modélisation mais a intégré touteune partie de travail de terrain. Pour cela, nous avons pu compter sur l’aide des „Hilfkräfte“,ces étudiants qui participent à la réalisation des projets du laboratoire. Merci donc à Sarah,Simon, Thomas et Michael pour le dynamisme et leur aide sur ce projet.Je tiens aussi à saluer le soutien dont mon école a fait preuve par les personnes de ThierrySchaetzle, Dominique Montero, Adrien Wanko et Sylvie Valentin.Ma gratitude va en dernier lieu à ma famille qui m’a soutenu durant toute la durée de ce stage.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 2/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionRésuméMécanismes de réduction de la pollution dans les filtres derétentionL’assainissement pluvial est aujourd’hui en pleine mutation. En période de pluie, les réseauxde collecte sont fortement sollicités. Une part de ces effluents est rejetée directement aumilieu récepteur quand la capacité de traitement des stations est dépassée. Une meilleureprotection de l’environnement passe par la réduction des impacts de ces débordements.Les filtres de rétention sont une réponse à cette problématique tant du point quantitatif(gestion du stress hydraulique) que qualitatif (abattement de la charge polluante). Desmécanismes d’adsorption et de biodégradation de la pollution organique et trophiques’observent notamment pendant toute la période qui suit cet événement pluvieux.L’objet de cette étude est de décrire plus précisément ces périodes inter-événements par lamodélisation de dispositifs expérimentaux. Les premiers résultats ont montré une bonneadéquation entre des processus simplifiés et la réalité. Ce modèle a ensuite été adapté pourrendre compte du comportement des filtres après la fin de l’infiltration. Le besoin denouvelles données expérimentales s’est concrétisé par l’installation d’un nouveau piloteexpérimental. Celui-ci a été équipé d’un système automatisé permettant un suivi en continudes sondes de mesure. Le fonctionnement de ces sondes est partie intégrante de cette étude etles premiers résultats enregistrés y sont présentés.Cette approche nouvelle que permet la technologie pourrait bien contribuer à l’essor desfiltres de rétention pour le traitement des eaux de ruissellement fortement chargées. Elles’inscrit en outre dans un contexte réglementaire européen soucieux de maîtriser la qualité desmasses d’eaux de son territoire.Total : 245 motsMots clés :Filtre – Roseau – Aquasim – Spectromètre – Rétention – Sol – Unitaire – Pluie – Lysimètre –Colonne – Biodégradatation – Filtration – Sorption – Bactérie – Retentionsbodenfilter – SSFMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 3/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionAbstractComprehension of the pollution removal of CSO in soilsand filtersSoil sand filters have been developed in Germany in order to improve the treatment ofcombined sewer overflows (CSO). During heavy rain events the discharge of a sewer networkaffects the hydraulic and ecological quality of the receiving water body. Modeling soil filtersbecame necessary to improve the design and the efficiency of soil filters.Experimental studies were conducted in lab and semi scale to analyze the efficiency of soilsand filters within the scope of different materials. In this study the provided data is used toverify the theory of nutrient and COD (chemical oxygen demand) removal by applying it inthe software Aquasim 2.0. Within the model a reasonable balance between detaileddescription and practicable handling has to be found. First Aquasim was used in its defaultstate (reduced number of parameters) with focus on the basic processes. Therefore theverification was accomplished with respect to the hydraulic conditions and effluent curves.Additionally the bacterial processes were considered in a second step. These processes occuron a long large time scale. The development of a new project equipped with an onlinemeasurement application will provide long term data with a higher resolution.To ensure the accuracy of the sensor its function was proved under controlled conditions.The results of this study are presented in the last section of this work.This new approach provides more detailed information of the long term behavior of soil sandfilters and may lead to a wide distribution of this instrument in CSO treatment.Key words : infiltration – sorption – biological process – vertical flow – sand – soil filter –Aquasim – modeling – reed – combined sewer overflow – simulation – constructed wetlandMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 4/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionSommaireRemerciements ............................................................................................................................... 2Résumé ........................................................................................................................................... 3Abstract .......................................................................................................................................... 4LISTE DES SYMBOLES et ABREVIATIONS ........................................................................................ 7LISTE DES TABLEAUX ....................................................................................................................... 8LISTE DES FIGURES.......................................................................................................................... 9GLOSSAIRE .................................................................................................................................... 101. INTRODUCTION ET OBJECTIFS ............................................................................................. 112. CONTEXTE DE TRAVAIL ....................................................................................................... 132.1 PRESENTATION DE LA FACHHOCHSCHULE MÜNSTER ............................................................................. 132.2 CONTEXTE GENERAL DE L’ETUDE ........................................................................................................ 142.3 CONTEXTE REGLEMENTAIRE EN FRANCE ET EN ALLEMAGNE ................................................................... 142.4 CARACTERISATION DES EAUX USEES DE TEMPS DE PLUIE ........................................................................ 172.4.1 Caractérisation chimique : matières organiques et matières minérales .......................... 172.4.2 Caractérisation physique : pollution particulaire et pollution dissoute ........................... 182.4.3 Caractérisation par élément : C N P ................................................................................... 192.4.4 Nature des charges polluantes de temps de pluie ............................................................ 173. TRAITEMENT DES REJETS DE TEMPS DE PLUIE ...................................................................... 233.1 INTRODUCTION AUX TECHNIQUE S DE TRAITEMENT .............................................................................. 233.1.1 Bassins d’orage ................................................................................................................... 233.1.2 Techniques d’infiltration/percolation ............................................................................... 233.1.3 Constructed Wetland ou Zones humides artificielles ....................................................... 233.2 INDICATIONS DANS LA CONSTRUCTION ET L’EXPLOITATION DES RBF ........................................................ 253.2.1 Domaine d’application des RBF ......................................................................................... 253.2.2 Description générale des ouvrages .................................................................................... 273.2.3 Règles de dimensionnement ............................................................................................. 303.2.4 Description des procédés d’épuration................................................................................ 323.2.5 Rendements d’élimination attendus ................................................................................. 383.2.6 Résumé des points importants .......................................................................................... 384. METHODE DE TRAVAIL ........................................................................................................ 394.1 ETAT ACTUEL DANS LA MODELISATION DES RBF ................................................................................... 394.2 MODELISATION DES PROCESSUS ........................................................................................................ 404.2.1 Modélisation de la phase fluide ........................................................................................ 404.2.2 Modélisation du transport solide et dissous ..................................................................... 424.2.3 Modélisation des procédés d’élimination ......................................................................... 424.3 PRESENTATION DU LOGICIEL AQUASIM 2.0 ...................................................................................... 454.3.1 Description de l’architecture du programme .................................................................... 454.3.2 Outils d’analyse .................................................................................................................. 474.4 DESCRIPTION DE LA MODELISATION ................................................................................................... 484.4.1 Construction d’un modèle simplifié .................................................................................. 484.4.2 Construction d’un modèle évolué ..................................................................................... 494.4.3 Présentation et analyse des données ................................................................................ 53Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 5/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétention4.5 RESULTATS DE MODELISATION ........................................................................................................... 614.5.1 Résultats obtenus sur modèle simplifié ............................................................................ 614.5.2 Résultats obtenus sur modèle évolué ............................................................................... 725. CONSTRUCTION DU PILOTE EXPERIMENTAL......................................................................... 745.1 Description du projet ............................................................................................................... 745.1.1 Présentation du dispositif .................................................................................................. 745.1.2 Présentation des sondes de mesures en continu.............................................................. 755.2 ANALYSE DES APPAREILS DE MESURE ................................................................................................. 775.2.1 Analyse de résultats de laboratoire ................................................................................... 775.2.2 Premiers résultats issus du pilote ...................................................................................... 80CONCLUSION ................................................................................................................................ 82BIBLIOGRAPHIE ............................................................................................................................ 83ANNEXES ....................................................................................................................................... 85Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 6/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionLISTE DES SYMBOLES et ABREVIATIONSCA : Constante d’AffinitéCERTU : Centre d’Etudes sur les Réseaux, les Transport et l’UrbanismeCGCT : Code Général des Collectivités TerritorialesDBO 5 : Demande Biochimique en Oxygène à 5 joursDCE : Directive Cadre sur l’EauDCO F et DCO T : Demande Chimique en Oxygène filtrée et totaleECP : Eaux Claires ParasitesEH : Equivalent HabitantEP : Eaux PluvialesERU : Eaux Résiduaires UrbainesEU : Eaux UséesFH : Fachhochschule (Université des sciences appliquées)HAP : Hydrocarbure Aromatique PolycycliqueLEMA : Loi sur l’Eau et les Milieux AquatiquesLWW : Labor für Wasserbau und Wasserwirtschaft (Laboratoire pour la gestion de laressource en eau et de ses ouvrages)MEDDAT : Ministère de l’Ecologie, du Développement Durable et de l’Aménagement duTerritoireMES : Matières En SuspensionMO : Matière OrganiqueMFP : Massif Filtrant PantéMUNLV : Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz(Ministère de l’Environnement, de la protection de la Nature, de l’Agriculture et de laprotection des Consommateurs)NTK : Azote Kjehldal ou azote réduitPEHD : Poly Ethylène Haute DensitéP T : Phosphore totalRBF : Retentionsbodenfilter (filtre de rétention)RS : Réseau SéparatifRU : Réseau UnitaireSSF : Soil Sand Filter (filtre de rétention)STEU: Station de Traitement des Eaux UséesWHG : WasserHaushaltGesetz (loi sur les régimes de l’eau)Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 7/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionLISTE DES TABLEAUXTableau 1 : Etats d’un milieu suivant la concentration en O 2 .................................................. 10Tableau 2 : Textes réglementaires faisant référence à l’assainissement pluvial ....................... 15Tableau 3 : Valeurs moyennes de charges et concentrations en temps de pluie ....................... 17Tableau 4 : Charges hydrauliques préconisées en exploitation de RBF ................................... 30Tableau 5 : Concentrations moyennes 1 et médianes 2 des paramètres en entrée de filtre ........ 30Tableau 6 : Résumé des principales différences entre RBF et MFP ........................................ 32Tableau 7 : Concentrations de rejets en sortie de RBF pour différents polluants .................... 38Tableau 8 : Modèles de taux de dégradation de la MO ............................................................ 45Tableau 9 : Variables descriptives du modèle dans Aquasim ................................................... 48Tableau 10 : Processus modélisés et paramètres associés ........................................................ 49Tableau 11 : Inventaire des processus biologiques de réduction de pollution ......................... 52Tableau 12 : Processus utilisés dans le modèle évolué ............................................................ 53Tableau 13 : Caractéristiques géométriques et hydrauliques des lysimètres............................ 54Tableau 14 : Historique d’alimentation des lysimètres ............................................................ 55Tableau 15 : Caractéristiques hydrauliques des colonnes ........................................................ 56Tableau 16 : Caractéristiques d’une colonne de laboratoire..................................................... 58Tableau 17 : Rendements d’abattement moyens des charges polluantes (%) .......................... 60Tableau 18 : Paramètres du modèle simplifié après calage ...................................................... 61Tableau 19 : Mesures de dispersion des valeurs de calage....................................................... 69Tableau 20 : Mesures sur échantillons réels des paramètres caractéristiques .......................... 80Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 8/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionLISTE DES FIGURESFig1 : Echelle de répartition des fractions physiques de la pollution des EU .......................... 18Fig2 : Représentation schématique des impacts de la pollution particulaire ........................... 19Fig3 : Fractionnement de la pollution carbonée et impact sur le milieu récepteur .................. 20Fig4 : Fractionnement physique et biologique de la pollution carbonée en temps de pluie .... 20Fig5 : Fractionnement de la pollution azotée ........................................................................... 21Fig6 : Impacts des EP sur les cours d’eau à différentes échelles ............................................. 22Fig7: Schéma de fonctionnement pour l’application de RBF en réseau séparatif ................... 25Fig8: Description des principales composantes d’une installation de RBF ............................. 27Fig9: Vue en coupe d’un filtre de rétention en phase de saturation ......................................... 28Fig10: Efficacités d’élimination de l’ammonium suivant la durée de saturation..................... 29Fig11 : Schéma d’un milieu poreux parfait .............................................................................. 33Fig12 : Concentrations à l’équilibre en plomb et cadmium ..................................................... 37Fig13 : Type d’architecture de modèles appliquées aux RBF .................................................. 39Fig14 : Structure schématique du programme Aquasim 2.0 .................................................... 46Fig15: Schéma et courbes caractéristiques pour le dispositif simulé ....................................... 51Fig16 : Concentrations en ammonium mesurées en aval de colonne. Essai du 24.01.2006 .... 57Fig17 : Concentrations en aval de colonne (O 2 , NH 4 et DCO F )............................................... 58Fig18 : Concentrations en oxygène mesurées sur colonne de laboratoire ............................... 59Fig19 : Concentration en DCO T en aval du lysimètre 1 au 16.12.03. ...................................... 62Fig20 : Simulations des concentrations en ammonium pour les 3 événements (lysimètre 1) . 64Fig21 : Représentation schématique de réacteurs en série ....................................................... 65Fig22 : Représentation des concentrations en DCO F dans différents réacteurs en série .......... 66Fig 23 : Profil de concentrations en DCOF pour des ordres de réaction différents ................. 67Fig24 : Calage de la dispersion et de la porosité sur un essai de traceur ................................. 67Fig25 : DCO sans modèle de dispersion (gauche) et avec (droite) sur lysimètre 4. ................ 68Fig26 : Evolution de la constant de réaction K_CR avec l’infiltration .................................... 70Fig27: Concentrations en NH 4 + pour différentes valeurs de K H sur lysimètre ......................... 70Fig28 : Simulations de lysimètre avec paramètres de colonne ................................................ 71Fig29 : Profil artificiel d’oxygène à la surface du filtre ........................................................... 72Fig30 : Photos du filtre (gauche) et du canal d‘alimentation (droite) en période sèche .......... 74Fig31 : Système d’alimentation simultané des deux lysimètres « bâches » ............................. 74Fig32 : Electrodes de mesure de l’Ammolyser ........................................................................ 76Fig33 : Concentrations en ammonium sur différentes solutions standard 1,2 et 20 mg/l ........ 78Fig34 : Caractérisation des temps de réponse de la sonde ammonium .................................... 78Fig35 : Principe de calibration des données brutes .................................................................. 79Fig36 : Concentrations en nitrates mesurées sur des solutions standards ................................ 80Fig37 : Temps moyens d’atteinte de valeurs constantes pour les paramètres caractéristiques 81Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 9/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionGLOSSAIRECapacité au champ: capacité d’un sol à retenir l’eau infiltrée. Cette grandeur est notammentutilisée en agronomie pour déterminer les volumes d’eau pour irriguer une parcelle. Unecapacité au champ de 6% signifie que sur une hauteur d’eau infiltrée de 100mm, 6 serontretenus dans le sol.Conditions aérobies, anoxiques ou anaérobies: états qui caractérisent la disponibilité enoxygène dans un milieu.Conditions de milieu Oxygène présent sous :anaérobies aucune forme, [O 2 ]= 0mg/lanoxiques une forme liée uniquement, c’est à dire lié à d’autresatomes (ex. nitrates : NO - 3 ), [O 2 ]= 0mg/laérobies deux formes (dissoute ou libre et liée)Tableau 1 : Etats d’un milieu suivant la concentration en O 2Equivalent Habitant: unité théorique qui permet de quantifier la pollution des eaux uséesdomestiques. Un équivalent habitant correspond selon l’arrêté du 11/12/1991 à une chargejournalière de 120g de DCO, 60 g de DBO 5 , 90g de MES. 5g de NTK et 4g de P T .Eutrophisation: dans un milieu aquatique, phénomène naturel d’augmentation de laproduction végétale et algale en raison d’un enrichissement du milieu en nutriments (nitrateset phosphates principalement). L’introduction de nutriments en excès peut perturberl’équilibre du milieu et conduire à une accentuation de ce phénomène appeléehypertrophisation. Les conséquences pour le milieu sont: Une prolifération algale ou « blooms » algaux Un appauvrissement consécutif en oxygène dissous Un dépôt sédimentaire accentué de matières organiques La mort des espèces piscicolesScissiparité: Méthode de multiplication de nombreux microorganismes par divisioncellulaire. Les éléments du matériel génétique d’une cellule mère sont transmis aux deuxcellules « filles » issues de cette division.Temps t 90 et t 95 : temps caractéristiques nécessaires à un appareil de mesure pour atteindre90% respectivement 95% de l’écart qui sépare deux valeurs de la grandeur analysée.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 10/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétention1. INTRODUCTION et OBJECTIFSA la fin du XIX ème siècle, la mise en place de l’assainissement collectif s’est construite dansune volonté sanitaire d’évacuer toutes les eaux usées et ruisselées hors des centres urbains. Lemodèle du tout-à-l’égout, gestion combinée des eaux usées et des eaux pluviales, a eu unimpact fort sur les milieux aquatiques. La protection de ces milieux par le traitement des rejetsen station ont permis peu à peu une restauration de leurs qualités chimiques et écologiques.Ces stations ne sont cependant pas conçues pour répondre aux fortes sollicitations de temps depluie. Les avancées faites dans le domaine de l’infiltration par le sol font émerger dessolutions qui aujourd’hui semblent de plus en plus intéressantes.A cet égard, l’Allemagne fut dans les premiers pays d’Europe à s’intéresser aux propriétésauto-épuratrices des sols d’une façon « industrielle » [Coupé-Canu, 2005]. Les premierssystèmes à utiliser des lits filtrants plantés de macrophytes (plantes aquatiques) naissent dansles années 50 sous la conduite de Mme Seidel de l’institut de recherche allemand Max Planck.Vingt ans plus tard à Othresen, de nouvelles expérimentations contribuent au développementdes filtres de rétention dans toute l’Allemagne,Il s’est alors distingué 3 types de « Bodenfilter » suivant la direction des écoulements dans lefiltre: Filtres avec une infiltration verticale, les systèmes „Seidel ou Max Planck“ Filtres avec une infiltration horizontale, les systèmes „Kickuth“ Filtres saturés parcourus par un ruissellement superficielCette étude s’intéresse à une évolution des systèmes Seidel. Ceux-ci ont en effet présentés lesmeilleurs rendements en termes d’abattement de la pollution carbonée et azotée. Du point devue de la conception, cette technique se rapproche de ce qu’on dénomme en France filtres oumassifs filtrants plantés à écoulement vertical.Présentation du contenu de l’étudeUne première partie dresse un bilan des connaissances actuelles sur la gestion des eaux deruissellement (contexte réglementaire, nature des flux polluants). De cet état des lieux émergela nécessité de s’intéresser à une gestion spécifique des eaux pluviales (EP).La seconde partie présente les filtres de rétention aussi nommés Retentionsbodenfilter (RBF)en Allemagne ou soil sand filters (SSF). Cette technologie simple fait partie actuellement destechniques les plus prometteuses pour limiter les impacts de ces rejets sur le milieu naturel(MN). Une meilleure compréhension des mécanismes de dépollution est possible par lamodélisation d’installations expérimentales comme l’a montré par exemple [Uhl et Henrichs,2005].La troisième partie se base sur le logiciel Aquasim pour créer deux types de modèles. Lepremier est un modèle simplifié qui se base sur un nombre réduit de paramètres pour décrirele comportement d’un filtre à l’échelle de l’événement. Le second modèle introduit desprocédés de dégradation biologique plus complexes intervenant sur le long terme. Ladégradation de la pollution se poursuit en effet pendant la phase qui suit l’infiltration. Le butest de parvenir à intégrer dans ce modèle cette alternance de phases d’exploitation.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 11/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionEnfin, la quatrième partie ouvre sur la présentation d’un nouveau projet d’acquisition dedonnées automatisé. Il a pour objectif de répondre aux interrogations sur les mécanismes dedépollution internes qui caractérisent les périodes de temps sec. La vérification del’adaptabilité des sondes de mesures vient conclure cette étude.L’originalité du projet dans son ensemble tient à plusieurs points : Une solide expérience du LWW sur le thème des RBF (dans le cadre de BOFIEIG) La réalisation d’un dispositif expérimental (lysimètre) équipé d’un système demesures automatisé en continu (hauteurs d’eau, oxygène, concentrations des fluxpolluants….) permettant un suivi sur le long terme du fonctionnement d’un filtre L’alimentation en effluents du dispositif en conditions réelles c'est-à-dire aux mêmesfréquences et avec la même charge polluante que celle distribuée sur le RBF enexploitation. Une analyse en parallèle des mesures de la qualité des rejets en aval de l’installationréelle (comparaison d’échelles).ObjectifsCette étude s’inscrit dans un projet de recherche de l’organisme d’accueil (voir paragraphe cidessous).L’objectif principal de ce travail d’études peut se résumer ainsi : rechercher lesoutils permettant de modéliser les procédés d’épuration dans les RBF sur le long terme.Viennent se greffer dessus plusieurs « sous-objectifs »: Validation d’un modèle de biodégradation pour le court terme Adaptabilité de ce modèle pour la prise en compte de plusieurs événements Confrontation du modèle avec les données issues du nouveau pilote expérimentalUn quatrième est venu remplacer le troisième sous-objectif. En effet, suite aux dommagessubis par l’une des sondes et la survenue tardive des premiers événements pluvieux, l’analysedétaillée des sondes de mesures s’est intégrée à cette étude.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 12/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétention2. CONTEXTE DE TRAVAIL2.1 Présentation de la Fachhochschule MünsterL’organisme qui m’a accueilli pour réaliser cette étude est la Fachhochschule Münster enAllemagne dans le Land de Nordrhein Westfalen. Le terme Fachhochschule (FH) désignedans le système d’études supérieures allemand ce qu’on pourrait appeler une université desciences appliquées. Il se distingue de celui de « Üniversität » qui avait initialement vocationà former les étudiants au domaine de la recherche. Ainsi deux mêmes matières peuvent êtreenseignées dans chacun des instituts mais avec une approche plus pratique dans les FH quedans les universités. Cependant en raison d’une uniformisation des cursus au niveau européen,ces différences tendent à s’estomper.En 1971, la FH de Münster naît du regroupement des écoles d’ingénieurs et de génie civilpublique et privée de la ville. Elle compte aujourd’hui avec 10000 étudiants et 12 domainesde spécialités parmi les plus importantes FH du Land de Nordrhein-Westfalen.A la branche de génie civil est rattaché un département actuellement constitué de 5 ingénieurs,un doctorant et d’une dizaine d’étudiants collaborateurs de projets. Ceux-ci sont sous laconduite de deux enseignants chercheurs. Ce département, le LWW (Labor für Wasserbau undWasserwirtschaft) a développé depuis 2003 un projet qui s’intéresse à un type particulierd’installations de traitement par filtration, les RBF.Ce projet porte le nom de BOFIEIG. Basées sur plusieurs campagnes de mesures (sur site ousur dispositifs expérimentaux), les avancées de ce projet ont été concrétisées par : une proposition d’une méthode de caractérisation du substrat (porosités,densités…) la quantification des rendements de biodégradation des filtres expérimentaux une double modélisation destinée à caractériser les écoulements dans le corps dufiltre une participation à la rédaction d’un guide pour la construction et l’exploitationdes RBF : Handbuch für Planung und Betrieb der RBF, MUNLV, 2003.Ce projet est aujourd’hui conforté par la nécessaire prise en considération des objectifs de ladirective cadre sur l’eau de 2001. En effet, en tant que pays européen, l’Allemagne se doit deparvenir à une restauration du bon état écologique de toutes ses masses d’eau d’ici 2015.Différents projets de recherche occupaient le laboratoire lors de l’année 2009. Quelquesexemples sont présentés en Annexe 1.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 13/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétention2.2 Contexte général de l’étudeLa gestion de la ressource en eau fait partie du faisceau de compétences confié par les Etatsmembres à l’Union européenne. Elle est encadrée au niveau législatif par des directives quidonnent les orientations générales de la politique de l’eau en vue d’une meilleure protectionde la ressource. La directive cadre sur l’eau (DCE) 2000/60/CE, entrée en vigueur le 22décembre 2001 et transposée en droit français par la loi n° 2004-338, impose à la France lapréservation ou la restauration du bon état écologique de toutes ses masses d’eau d’ici 2015(lacs, rivières, eaux souterraines…). En janvier 2007, une analyse de risque du ministère del’écologie, du développement durable et de l’aménagement du territoire (MEDDAT) a montréque plus de la moitié des masses d’eau françaises (hormis les masses d’eaux fortementperturbées) présenterait un risque de ne pas atteindre ce bon état en 2015.Il est aujourd’hui admis que ces objectifs ambitieux ne sauront être atteints si l’on ne parvientpas à améliorer la qualité des rejets pluviaux séparatifs et unitaires. En Allemagne, environ les2/3 des réseaux d’assainissement sont de type unitaire. Soumis à un fort événement pluvieux,le réseau unitaire est contraint de dériver directement les effluents dans le milieu récepteur.Les bassins d’orage font partie des mesures prises pour éviter ces rejets. Cependant, pour lesévénements pluvieux les plus intenses de l’année, ceux-ci ne pourront être empêchés. Enraison du phénomène de sédimentation pendant le remplissage, ils sont moins chargés enpollution particulaire mais contiennent toute la pollution dissoute [Frechen et al., 2005].Les RBF peuvent servir à traiter cette pollution et ainsi diminuer l’impact généré sur le milieunaturel. Ils ont également un rôle de pouvoir tampon en atténuant les effets des surchargeshydrauliques. Les avancées faites dans le domaine de la recherche ont permis d’identifier lesmécanismes d‘atténuation de la charge polluante et leur prépondérance dans les 20 premierscentimètres du filtre. A des fins de dimensionnement (hauteur de filtre, type de substrat…) etd’optimisation de la fréquence d’alimentation, une modélisation numérique des RBF a prisalors tout son sens. L’intérêt est également de fournir des éléments à l’établissement d’uncadre réglementaire pour les filtres de rétention.2.3 Contexte réglementaire en France et en AllemagnePlusieurs textes réglementaires viennent légiférer sur les obligations de traitement des eauxusées avant rejet dans les cours d’eau superficiels ou directement dans le sol (infiltration). Enrevanche concernant les eaux de ruissellement et leur traitement éventuel, le législateur estencore peu intervenu. En effet, vouloir appliquer le respect d’un principe d’émission globalest peu réaliste en raison :d’objectifs de protection de qualité du milieu et des usages spécifiquesde flux polluants de temps de pluie de composition variable (cf. Tableau 2) comme de coûts detraitementde l’existence de solutions techniques permettant une gestion délocalisée des eaux deruissellement (infiltration sur site par exemple).Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 14/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionIl est donc aujourd’hui difficile de donner aujourd’hui de réels objectifs de performances quedevraient respecter les RBF.Au niveau réglementaire, ce sont les directives cadres et leurs lois de transposition quidonnent les grandes orientations en matière de gestion de l’assainissement. La corrélationentre protection de l‘environnement et rejets des eaux de ruissellement est parfois introduitede façon sous-jacente dans plusieurs textes réglementaires :Directives, lois, arrêtésObjetDirective européenne ERU de 1991 Obligation de traitement des EU collectées de réseaux(+ loi sur l’eau n° 92-3) unitairesReprend les objectifs de la DCE (rejets et impacts sur leLoi sur l’eau n°2006-1772 milieu aquatique)LEMAAutorise la perception d’une taxe destinée au financementd’installations de traitement des rejets pluviaux (Article 18)Définition des ouvrages et des rejets pluviaux concernés par laCode de l’environnement procédure d’autorisation/déclaration (STEU, DO)(Article R 214-1)Délimitation des zones à considérer pour limiter lesCode du CGCT volumes d’EP et celles qui pourraient en assurer lestockage et le traitement si besoin est. (Article L 2224-10)Le traitement des EU doit : être assuré pour tout débit inférieur au débit deArrêté du 22 juin 2007référence(Articles 14, 15 et annexes) respecter les objectifs de qualité des eaux réceptricessuivant leur usage *Tableau 2 : Textes réglementaires faisant référence à l’assainissement pluvialLa directive ERU et loi sur l’eau de 1992Ce texte est le premier à faire référence de façon indirecte au traitement des eaux pluviales quiont été collectées conjointement avec les eaux usées domestiques. Elle n’autorise lesdéversements de réseaux unitaires que pour des circonstances exceptionnelles ou des coûtsprohibitifs pour la collectivité. Le terme de « circonstances exceptionnelles » n’est cependantpas précisé laissant le choix aux Etats membres de définir eux-mêmes les mesures en œuvrepour limiter les déversements et protéger le milieu naturel. Cette directive a été transposée endroit national par la loi sur l’eau de 1992.* Il est ici fait référence notamment aux usages d’eau destinée à la consommation humaine, la conchyliculture,la pêche à pied, les usages récréatifs dont la baignade.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 15/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionL’arrêté du 22 juin 2007Cet arrêté reprend tout ou partie de obligations incombant à la collectivité depuis les lois dedécentralisation de 1982. Ainsi lors de la constitution de dossier d’autorisation ou dedéclaration d’un ouvrage, la collectivité se devra de faire une estimation: des volumes et de la charge de pollution générés par les eaux pluviales collectées du débit de référence au-delà duquel s’effectue un rejet direct au milieu naturel et doncpour lequel les objectifs de traitement minimum ne sont plus garantis (hors situationsexceptionnelles comme des fortes précipitations, des opérations de maintenance ou undéversement accidentel).La notion de débit de référence est fonction des objectifs de protection que veut se fixer lacollectivité. Cependant avec la prise en compte des exigences de la DCE, des réels objectifsde qualité y sont associés. Dans le dimensionnement des ouvrages de déversement, il estactuellement souvent utilisé une pluie de retour mensuelle pour fixer ce débit. Il ne s’agit paslà d’une obligation réglementaire. Le Guide du CERTU précise d’ailleurs que stocker unniveau de pluie supérieur peut permettre d’absorber les pics de concentrations engendrés parles volumes ruisselés de temps de pluie.Législation allemandeEn tant qu’Etat membre de l’Union, l’Allemagne est soumise aux mêmes exigencesréglementaires que la France. La DCE a rénové une partie de la loi nationale sur l’eauWasserhaushalsgesetz (WHG) en 2002. La WHG énonce l’importance de traiter les eauxruisselées en particulier celles fortement chargées en pollution « selon l’évolution de l’état destechniques ». Cette notion laisse donc aujourd’hui encore une certaine latitude aux différentsLänder (régions) allemands dans l’interprétation de cette formule. L’Etat fédéral allemand etles Länder se partagent la compétence de la gestion de l’eau. A ce titre, il existe encomplément de la WHG des « lois sur l’eau » régionales. Leurs applications sont souventplus adaptées au contexte hydro-géographique de chaque Land. Cependant, pour la gestiondes eaux pluviales, il n’est pas défini non plus à cet échelon de mesures de protectionparticulières.Pour le Land du Nordrhein-Westfalen, des indications un peu plus précises se trouvent dansl’Erlass du MUNLV de mai 2004 qui a trait aux exigences de traitement des rejets dessystèmes séparatifs. Ce document peut être comparé aux circulaires françaises. Cela signifiedonc qu’il n’a pas de valeur réglementaire. Les eaux de ruissellement sont séparées en 4catégories suivant la nature des surfaces drainées. Des eaux pas ou peu chargées en polluants(routes de campagne, toitures non zinguées…) pourront par exemple être simplementinfiltrées dans le sol tandis que celles qui sont fortement chargées (autoroutes…) devrontsubir un traitement approprié. Pour les routes, ce document définit des seuils de chargepolluante en fonction de la densité de trafic automobile journalier. Parmi les techniquesconsidérées comme les plus adaptées, les RBF sont celles qui cumulent le plus d’atouts(réduction de la MO, des métaux lourds ou des nutriments).Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 16/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionEn résumé il s’observe à l’heure actuelle une prise de conscience législative en faveur d’uneintégration de la gestion des eaux pluviales dans la protection de l’environnement. En Franceles outils financiers et réglementaires se mettent lentement en place et devraient se précisercette année. L’Allemagne et ses Länder encouragent, quant à eux, une mise en œuvre demoyens proportionnelle à la charge polluante véhiculée par les eaux de ruissellement.2.4 Caractérisation des eaux usées de temps de pluie2.4.1 Nature des charges polluantes de temps de pluie [Certu, 2003]Les eaux de ruissellement sont essentiellement constituées d’eaux pluviales. Cetteconcentration engendre une élévation de la charge polluante des eaux usées. Les polluantstransportés par les eaux de ruissellement sont de plusieurs types :• Sous-produits gazeux de la combustion des moteurs (HAP, NO X …)• Autres résidus issus du transport routier (caoutchouc, huiles, métaux…)• Dépôts atmosphériques (sable, rejets d’industries lourdes…)• Particules du sol et substances qui lui sont attachées (engrais, pesticides…)• Déchets organiques diversSes caractéristiques seront donc très différentes en fonction de la nature des surfacesruisselées, des caractéristiques de la pluie (intensité, durée) mais également de la survenue dudernier épisode pluvieux (définit l’état de saturation initiale du sol). Cependant, plus que lacomposition même des eaux de ruissellement, c’est souvent l’effet de nettoyage du réseau etde remise en suspension des dépôts qui sont la cause de l’augmentation de charge.Plusieurs tendances générales semblent malgré tout se dessiner :+ Les concentrations polluantes carbonée, azotée, phosphorée et bactériennes sont souventmoins importantes qu’en temps sec (effet de dilution) car peu abondantes sur les surfacesimperméabilisées urbaines.+ Cette pollution est essentiellement particulaire avec un taux de matières minéral plusimportant. Les concentrations en micropolluants autres que perturbateurs endocriniens sontégalement en hausse.Des plages de valeurs de concentrations sont proposées par [Cotet, 1980] et [Chocat, 1997].Paramètrede pollutionFlux par jour(g/EH)Concentrations des eauxde ruissellement (mg/l)Concentrations des eauxusées de RU (mg/l)DCO 60 – 70 100- 500 200 - 600DBO 5 10 40 - 150 80 - 200MES 120-180 200-1000 200-1000N-NH 4 2 - 10 - 30P T 0,4 - 5 - 15Tableau 3 : Valeurs moyennes de charges et concentrations en temps de pluieDes mesures sur site restent malgré tout préférables en raison de la variabilité des flux.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 17/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétention2.4.2 Caractérisation chimique : matières organiques et matières minéralesPour caractériser la pollution transportée par les eaux usées, il est possible de différencierdeux grandes familles de constituants:Les matières organiquesComposées des éléments atomiques C, H, O, P, N, on les retrouve sous forme de lipides,glucides et protides mais également sous des formes artificielles huiles et goudrons,détergents et pesticides. Celles-ci sont biodégradables mais avec des temps de décompositiontrès variables.Les matières minéralesCes matières sont stables, c'est-à-dire elles n’interagissent peu ou pas dans des cyclesbiochimiques de dégradation. On y compte les acides, les bases, les engrais minéraux et lesmicropolluants métalliques.L’élimination de la MO repose sur la présence de microorganismes spécifiques tandis que lesmatières minérales seront éliminées par voie physico-chimique (décantation, filtration). Cesmicroorganismes (bactéries en majorité pour les cultures fixées). Ces bactéries permettentégalement la réduction des germes pathogènes (phénomène de prédation). Pour quantifier cesprocédés, il faut avant tout avoir une bonne connaissance des flux polluants transportés entemps de pluie. Ces flux sont caractérisés par différents paramètres mesurés sur: la matière organique : DCO et DBO 5 les matières azotées et phosphatées : NTK, NO 2 - , NO 3 - et PO 43- la charge particulaire : MES2.4.2 Caractérisation physique : pollution particulaire et pollution dissouteEtablir une séparation stricte entre une pollution dissoute et une pollution particulaire d’uneffluent ne suffit pas à le caractériser complètement. En effet, parmi les MES, une partie desparticules n’est pas décantable. Une catégorie intermédiaire est définie pour décrire la fractiondite colloïdale. Il est possible de discriminer par la taille ces trois fractions. Les limites detaille sur l’échelle logarithmique ci-dessous sont des ordres de grandeur proposés dans[Sadowsky, 2008].Espèces dissoutesColloïdesSédimentsTaille (µm)10 -410 -3 1 10 3Bactéries, ArgilesSable moyenFig1 : Echelle de répartition des fractions physiques de la pollution des EUMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 18/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionLes impacts de la pollution dissoute sont fonction de la composition moléculaire des EU (cf.paragraphe 2.4.3).L’impact de la pollution particulaire sur le milieu naturel a deux conséquences principales :une augmentation de la turbidité et un accroissement de la charge sédimentaire. Ellesengendrent plusieurs sous-conséquences décrites sur le schéma suivant (le cadre souligné estla sous-conséquence de l’augmentation de la charge sédimentaire).Obstacle à la pénétration de la lumièreO 2MESO 2Dépôt et colmatage du litRéduction de la photosynthèseDiminution de la réoxygénation du milieuFig2 : Représentation schématique des impacts de la pollution particulaireL’appauvrissement en oxygène du milieu entraîne une surmortalité d’espèces piscicolessensibles à ce paramètre. Le colmatage du lit a une influence négative sur la diversité deshabitats ainsi que des populations benthiques vivant sur le fond du lit (conditions anaérobies,réduction des frayères etc...)2.4.3 Caractérisation par élément chimique et par impactUne troisième séparation possible est de diviser les effluents suivant que l’on s’intéresse à lapollution carbonée, azotée ou phosphatée. Les chiffres présentés sur les branches de l’arbrereprésentent les domaines de concentrations (en mg/l) associées au paramètre dans le cadre dudessous. Ces valeurs caractérisent des rejets pluviaux unitaires. Les ellipses représentent lesimpacts produits sur le milieu naturel.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 19/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionPollution carbonée40-900DCO totaleDCO particulaireDCO colloïdaleDCO solubleinertelentement biodégradablebiodégradableinerteVoir ci-dessusConsommation del’oxygène dissousFig3 : Fractionnement de la pollution carbonée et impact sur le milieu récepteurLa production de biomasse hétérotrophe est négligée ici en raison de l’accélération desvitesses d’écoulement en temps de pluie. Le fractionnement ci-dessous reprend les deuxangles de vue : physique (critère de taille) et biologique (aptitude à la biodégradabilité). Lalongueur des rectangles traduit l’importance de chaque fraction d’après [Sadowsky, 2008].DCO partDCO collDCO solphysiqueX I X LB S RBS IbiologiqueFig4 : Fractionnement physique et biologique de la pollution carbonée en temps de pluieEn temps de pluie dans un RU, il est ici confirmé que :une majorité de la pollution carbonée (presque 60%) se trouve sous une formelentement biodégradable (fraction X LB ) 20% pourront être éliminés rapidement (fraction S RB ) 20% sont réfractaires, c'est-à-dire non biodégradables (fractions X i et S I )Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 20/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionPollution azotéeAzote global (NGL)20-30 0*Azote réduit (NTK)3-8Azote oxydéAzote organique(Norg)Azote ammoniacal (N-NH 4 + )Nitrites (N-NO 2 - ) Nitrates (N-NO 3 - )Toxique sousla forme NH 3Diminution descapacités detransport en O 2Hypertrophisationdes cours d’eauFig5 : Fractionnement de la pollution azotéeL’azote ammoniacal ou plutôt l’ion ammonium est en équilibre en solution aqueuse avec sabase conjuguée l’ammoniaque. Pour un pH neutre, l’azote sera à 99% sous forme ammonium.Cette fraction n’est plus que de 70% à pH 10. Cette forme pourra également être oxydée sousl’action de bactéries particulières (nitrosomas puis nitrobacter), engendrant une raréfaction del’oxygène dissous. Cet effet n’est pas pris en compte dans les facteurs habituels de DCO etDBO 5 .L’azote organique peut encore se subdiviser en deux parties : une partie ammonifiable (80%),c'est-à-dire pouvant se changer en azote ammoniacal, et une partie non ammonifiable (20%).L’azote organique a donc un impact indirect sur l’environnement et la santé.Concernant les effets sur la santé, les nitrates réduits en nitrites peuvent se transformer en desmolécules reconnues cancérigènes, les nitrosamines. D’autres troubles comme del’hypertension ou de l’anémie sont deux exemples de conséquences de la diminution dutransport de l’oxygène par le sang. En effet, les molécules d’hémoglobine porteuses du ferparticipent à des réactions d’oxydo-réduction en présence de nitrates, entraînant une baisse deleurs capacités de transport. Une conséquence spectaculaire est chez les nourrissonscommunément appelée la maladie des bébés bleus (Méthémoglobinémie) en raison d’unappauvrissement du sang en oxygène.* Les concentrations en azote oxydé sont en général très faibles dans le réseau, car non présentes dans les eauxusées domestiques. L’infiltration d’eaux claires parasites (ECP) peut conduire à un enrichissement en nitrates(cas des sols agricoles riches en engrais azotés).Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 21/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionAutres pollutionsDans cette étude ne seront pas abordés les cas des pollutions en phosphore, facteurd’eutrophisation des cours d’eau et des métaux lourds (bioaccumulation et toxique).Le graphique suivant permet d’avoir une vue plus générale des différents impacts de rejets detemps de pluie suivant les échelles de temps et de lieu considérées.TempsSiècleAnnéeMoisSemaineJourHeureMinuteAccumulation des polluants dans les sédiments et les organismesHypertrophisationModifications structurelles desécosystèmes aquatiquesAppauvrissement en oxygène dissous pardécomposition de la MO et nitrificationSurvie des organismes pathogènessédimentationStress hydrauliqueToxicité aigüeResuspension dessédimentsEffets à long termeEffets retardésEffets immédiatsSection de cours d‘eau Cours d‘eau Bassin versant EchelleFig6 : Impacts des EP sur les cours d’eau à différentes échellesSource : [Lijklema et al., 1989] cité par [MUNLV, 2003]ConclusionLes impacts des eaux de ruissellement sont multiples et sont souvent liés ente eux. Il est doncimportant de commencer à réduire les effets immédiats avant de s’intéresser aux effets à pluslong terme. La variabilité des effluents en quantité et qualité a conduit au développement dedifférentes solutions techniques.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 22/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétention3. TRAITEMENT DES REJETS DE TEMPS DE PLUIE3.1 Introduction aux techniques de traitementUne amélioration de la qualité des cours d’eau passe notamment par une meilleure prise encharge des rejets de temps de pluie des réseaux unitaires. Plusieurs techniques ont étédéveloppées à cet effet :3.1.1 Déversoirs et bassins d’orageQuand la capacité de traitement d’une STEU est dépassée, plutôt que de s’exposer à desdébordements et donc à des baisses importantes de rendement ont été installés en amont desdéversoirs d’orage. Ceux-ci permettent de maintenir une charge hydraulique constante endérivant les débits excédentaires vers un bassin d’orage. Une fois que la capacité admissiblede station est rétablie, le bassin restitue les volumes stockés à la station en vue de leurtraitement final dans un délai maximum de 24h [arrêté du 22 juin 2007]. Il arrive cependantqu’en cas d’événement exceptionnel le bassin d’orage se trouve lui-même entièrement rempli.Un déversoir de sécurité permet là aussi de réduire le risque d’endommagement de l’ouvrageen rejetant des effluents bruts au milieu naturel. La pollution transportée par ces effluents estessentiellement sous forme dissoute. La fraction sédimentaire est, elle, partiellement piégéedans le bassin.3.1.2 Techniques d’infiltration/percolationL’infiltration/percolation s’adresse notamment aux situations dans lesquelles les eauxruisselées sont faiblement chargées. Le sous-sol abrite en effet différents microorganismes(bactéries) et macroorganismes (vers) capables de réduire la charge polluante apportée par leseaux. Le sous-sol peut constituer parfois un substrat adapté à l’adsorption de certainspolluants particuliers.Il est ainsi proposé dans beaucoup de projets d’aménagement d’assurer une gestiondécentralisée des EP en infiltrant les eaux de toiture directement sur la parcelle. Cestechniques demandent certaines précautions : distance entre la surface du sol et le toit de lanappe souterraine et conductivité hydraulique du sol. Il s’agit de se prémunir des risquesd’inondations et de contamination de la nappe. Un hydrogéologue agréé sera appelé pourexpertise dans le cas où les eaux à infiltrer sont moyennement à très chargées.3.1.3 Constructed Wetland ou Zones humides artificiellesCes dernières années se sont caractérisées par une prise de conscience croissante de notreimpact sur l’environnement. Dans cette optique se sont développées des techniques ditesalternatives. Celles-ci se basent sur l’utilisation des processus d’auto-épuration naturels doncassociés à des temps de séjour relativement longs. Pour cette raison, les besoins en surfacesont importants. Comparé à un bassin d’orage, il faut souvent multiplier la surface utile desouvrages par un facteur 10.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 23/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionLe lagunageCette technique, aussi utilisée pour parfaire les rendements d’une filière en fin de traitement, al’apparence de grandes étendues d’eaux, les lagunes. Les effluents entrants sont mélangésavec les eaux de la lagune dans lesquelles se sont développés de nombreux microorganismescapables de réduire la charge polluante apportée. Les cycles de dégradation font égalementintervenir les populations algales qui par la photosynthèse produisent l’oxygène nécessaire audéroulement de ces cycles. La qualité des rendements reste fortement dépendante desconditions d’ensoleillement et journalières (alternance des phases de photosynthèse et derespiration).L’infiltration sur lit planté de macrophytes ou RBFLes effluents sont filtrés lors de leur passage au sein d’un milieu poreux. Là égalementinterviennent des processus biologiques (dégradation bactérienne) mais aussi physiques(filtration de la fraction particulaire de l’effluent). Un contact suffisamment long entre lesgrains du substrat et les flux polluants assurent l’efficacité du traitement. Contrairement auxlits d’infiltration percolation qui ne sont pas adaptés aux surcharges hydrauliques, les massifsplantés ont montré une certaine robustesse à des variations de débit (et de charges)importantes [Coupé-Canu, 2005].Installées en complément d’un bassin de décantation, ces techniques sont particulièrementadaptées au cas d’événements pluvieux étalés sur une longue période. Elles présentent enoutre un aspect économique intéressant. En plus de la fonction de stockage, elles assurent untraitement des eaux de temps de pluie qui sont autant de m 3 que la STEU n’aura plus à traiter.Elles demandent cependant des coûts élevés à l’investissement (haute technicité pour les RBF,surfaces importantes…) qui sont contrebalancés par une exploitation moins coûteuse qu’untraitement classique en raison d’une consommation moins énergivore.Un point important, qui a été rapidement évoqué, est la disponibilité en oxygène dans lemilieu. Les processus bactériens en cultures libres (lagunage) ou fixées (lit planté) vontconsommer l’oxygène de l’eau présent sous forme dissoute. En cas de forte diminution de laconcentration en oxygène, les populations bactériennes ne joueront plus leur rôle épurateur.L’introduction d’air peut néanmoins se faire de façon artificielle à l’aide d’aérateurs pour lelagunage ou par une gestion alternée des phases d’alimentation pour les filtres.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 24/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétention3.2 Indications dans la construction et l’exploitation des RBF3.2.1 Domaine d’application des RBFComme cela l’a été expliqué en introduction, les RBF ont pour objectif de réduire l’impactdes à-coups hydrauliques et des charges polluantes apportés en temps de pluie au milieurécepteur. Ils sont utilisés dans des situations précises en réseau séparatif ou en réseauunitaire.En réseau séparatifUn réseau séparatif collecte séparément les eaux usées domestiques (augmentéeséventuellement industrielles) et les eaux pluviales ruisselées. Les RBF sont utilisés dans le casd’EP fortement contaminées.SystèmeséparatifEaux usées domestiquesSTEUEaux pluviales :- faiblement chargées (1)- fortement chargées (2)(1)Rejet direct vers lemilieu naturel(2)RBFFig7: Schéma de fonctionnement pour l’application de RBF en réseau séparatifContrairement aux lits filtrants utilisés en traitement secondaire, les RBF vont se caractériserpar une alimentation en effluents discontinue et souvent irrégulière.ExempleLa gestion quantitative et qualitative des eaux de pluie sur des sites comportant des grandessurfaces imperméabilisées et fortement contaminées (chaussées autoroutières, parkings desupermarchés) ont fait l’objet de nombreux appels à projets ces dernières années. A titred’exemple, l’aéroport de Strasbourg-Entzheim s’est équipé d’un système de filtres enterrés ensérie destiné à recueillir les eaux ruisselées des pistes de décollage. Celles-ci sont en hiverprotégées du verglas grâce à un produit à base de formiate de potassium qui est hautementbiodégradable. La rétention des eaux pluviales en favorisant la biodégradation de ce produitprotège le cours d’eau d’un appauvrissement en oxygène.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 25/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionEn réseau unitaireDans ce réseau sont regroupées collectivement EP et eaux usées domestiques. Suivant l’âgedu réseau et sa conception, il faut également considérer l’intrusion d’eaux claires parasites.Elles s’infiltrent dans le réseau à travers des défauts d’étanchéité du système. Elles sontsouvent peu chargées en polluants mais la dilution qu’elles entraînent fait diminuer lesrendements des STEU et accroît les risques d’inondation. Ces écoulements sont permanents(drainage d’une nappe souterraine par exemple) ou ponctuels (EP infiltrées après unévénement).En résumé, il se retrouve suivant la période deux types d’écoulement :• Un écoulement permanent (mélange d’eaux usées domestiques et d’ECP) en périodenormale• Un écoulement de type non permanent (mélange d’effluents de temps sec et d’eaux deruissellement) en période de pluieIl se pose alors la question de la pertinence du traitement de ces écoulements et des moyensque l’on se donne pour réduire un impact difficile à quantifier. Cette question se pose surtoutau maître d’ouvrage lors du dimensionnement des déversoirs d’orage (DO), car suivant letype de pluie retenue dans le réseau; les coûts d’exploitation de la STEU ne seront pas lesmêmes. La composition des EU en temps de pluie n’est d’ailleurs pas la même en avant et enaval des DO. Ces ouvrages ont un impact sur le transport sédimentaire puisqu’ilsmaintiennent dans le réseau les particules « trop lourdes » pour pouvoir être entraînées audessus de leur crête déversante.En conclusion, les RBF sont généralement employés pour assurer :هsoit un traitement des EP fortement chargées en pollution aux métaux lourds ou aux hydrocarbures (autoroutes, pistes d’aéroport…)هsoit un traitement des effluents débordés des RU Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 26/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétention3.2.2 Description générale des ouvrages1356 71121248 9 10Fig8: Description des principales composantes d’une installation de RBFLégende :1 Déversoir d’orage (pour 2)2 Bassin d’orage3 Déversoir du bassin4 Extraction des boues primaires vers STEU5 Déversoir d’orage (pour 9)6 Système de répartition7 Vidange d’urgence8 Système de drainage9 Massif filtrant à écoulement vertical10 Regard d’inspection des drains11 Contrôle de débit12 Regard d’inspection des drainsLe schéma précédent montre une installation type de filtre de rétention. Elle se constitue dequatre ouvrages principaux:Un bassin d‘orageDes déversoirs de sécuritéUn ou plusieurs étages de filtresUn ouvrage de contrôle de débitMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 27/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionBassin d’orageSuite au prétraitement habituel (dégrillage) est mis en place un premier traitement dit primairedont l’objectif principal est la réduction des risques de colmatage par les MES du filtre enaval. Son utilisation est donc particulièrement justifiée dans les cas de flux importants desédiments (exemple : RU avec faibles pentes et fort taux de surfaces imperméablesraccordées. Les rendements sur ces ouvrages sont très variables comme le montre une étudeprésentée dans l’Annexe 2. Ils sont souvent comparés à ceux des décanteurs primaires quiréalisent un abattement de 40 à 50% des MES 1 . En outre, cet ouvrage permet de lisserl’impact de la pointe de débit.Déversoirs de sécuritéLes déversoirs jouent un rôle de protection du bassin d’orage et du filtre. Un événementpluvieux intense a pour conséquence une hausse de la ligne d’eau dans le système qui va êtremaintenue en amont grâce au déversement des débits excédentaires. Les déversoirs doiventempêcher la surverse des ouvrages. Cela entrainerait, le cas échéant, des dommages sérieuxvoire une destruction complète des installations (par remontée dans le sol pour le bassin oupar renard hydraulique pour le filtre).FiltresLà encore suivant la nature, l’intensité des flux et les niveaux de rejet souhaités, leurconception peut prendre différentes allures. Ainsi on retrouve des systèmes de un à plusieursétages permettant une rotation des phases d’exploitation et de repos.Du point de vue de l’hydraulique, les effluents sont apportés par un système de répartition(déversoir, pompes…) qui assure une distribution homogène sur toute la surface du filtre. Ilss’infiltrent ensuite verticalement à travers le milieu poreux puis sont récupérés par un réseaude drains en fond de l’ouvrage (cf. fig9). Cela permet notamment une réoxygénation plusrapide du filtre.H0,8m0,2mFig9: Vue en coupe d’un filtre de rétention en phase de saturation1 : entraînant des rendements sur la DCO de 25 à 35% et entre 5 et 10% du NTK et du phosphore total.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 28/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionContrairement à d’autres filières de filtration les RBF ne reçoivent pas une alimentation eneau régulière. Lors d’un événement, toute la surface du filtre peut être recouverte pendantplusieurs jours. Des expériences rapportées dans [Uhl et al., 2005] ont montré une baisse desrendements du filtre au-delà d’une période de noyage de plus de 3 jours.Temps [h]Fig10: Efficacités d’élimination de l’ammonium suivant la durée de saturationDe même, des phases de temps sec de plus de deux mois entraînent une décomposition dubiofilm engendrant une dangereuse augmentation des concentrations en DCO. Il faudra enmoyenne deux à trois nouveaux événements « proches » pour permettre sa restauration.Une modélisation de massifs filtrants plantés en aval de RU est présentée dans [Coupé-Canu,2005]. Les résultats semblent montrer que les dysfonctionnements hydrauliques des filtressont plus la conséquence de durées d’alimentation trop longues que de surchargeshydrauliques trop élevées.Organe de commande de débitLa vitesse d’infiltration est maintenue constante dans le corps de l’ouvrage grâce à unsystème d’étranglement situé en aval. Celui-ci est dimensionné de façon à :‣ atténuer l’ampleur de surcharges hydrauliques sur le milieu naturel‣ maintenir un temps de contact minimum entre le flux polluant et le substratDes valeurs de vitesses d’infiltration sont proposées dans [Dittmer, 2006] pour protéger lescours d’eau à un impact spécifique :- Appauvrissement en oxygène : 1 à 2.10 -5 m/s- Toxicité de l’ammoniaque : 1.10 -5 m/s- Sédiments, métaux lourds : 3.10 -5 m/sUne fois la capacité hydraulique de l’ouvrage atteinte il s’observe une remontée de la ligned’eau jusqu’à la surface du filtre. Le filtre a donc également une fonction de rétention desvolumes entrants dans sa structure poreuse et à sa surface.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 29/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétention3.2.3 Règles de dimensionnementCharge hydrauliqueSelon [Uhl et al., 2005], un RBF ne doit pas recevoir plus d’une certaine charge hydrauliqueannuelle avec occasionnellement un dépassement de cette valeur. Ces données sont l’analysedes retours d’expériences de plusieurs sites en Allemagne. Le guide du MUNLV recommandeles valeurs présentées dans le tableau suivant:Origine des effluentsHauteur d‘alimentation [m/a]Moyenne interannuelle Année recordRéseau unitaire 30-40 50Réseau séparatif ou eauxde ruissellement de voiries40-50 60Tableau 4 : Charges hydrauliques préconisées en exploitation de RBFPour se donner un ordre d’idées, cela représente en moyenne un peu plus de 10cm de hauteurd’eau par jour. Des mesures sur les DO apportent une connaissance sur les volumes délivrés.La détermination de la surface de filtration se déduit alors des valeurs du tableau précédent.Ces valeurs ont été déterminées empiriquement et devront être surévaluées dans le cas de fluxde MES particulièrement importants (carrière proche à l’amont, fortes pentes sur le bassinversant…).Charge polluanteUne autre règle de dimensionnement de la surface se base sur la charge polluante admissiblepour la surface du filtre. A un EH est associé un nombre empirique de m² (généralement entre1 et 3) qui permet de ne pas altérer le fonctionnement du filtre (colmatage). Cette techniqueest surtout utilisée pour le traitement d’EU de rejets séparatifs. En effet, déterminer unnombre d’EH associé au temps de pluie est plus compliqué. Des mesures sur les déversoirs debassin d’orage ou de canaux de stockage de RU permettent néanmoins d’estimer les chargespolluantes délivrées. Les concentrations [mg/l] ci-dessous sont issues de la littérature etrécapitulées dans [Uhl et Henrichs, 2005].Etude[Uhl/Kasting 12002[Rödder] 21997[Born] 12002[Fischer] 11998[Fuchs] 21997[Grotehusmannet al.] 11999ParamètreMES 55 68,4 237 89 - 134 82,1 40DCO T 87 85,7 122 40 - 34 57 33+NH 4 6,2 4 1,45 2,1 – 1,7 1,7 1,6P T 2 1,29 2,6 1 - -Tableau 5 : Concentrations moyennes 1 et médianes 2 des paramètres en entrée de filtreMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 30/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionSubstrat (voir Annexe 3)Le choix du matériau est un des points clés du bon fonctionnement des RBF. Deux tendancesopposées sont à concilier :‣ Une granulométrie faible permet d’augmenter la surface de fixation et ainsi contribueà une meilleure filtration.‣ Une granulométrie élevée est le gage d’une filtration stable car peu influencée par lesrisques de colmatage et de formation de chemins préférentiels d’écoulement.Des sables avec une granulométrie moyenne (0,2-0,6mm) sont reconnus à l’heure actuellecomme un bon compromis entre un risque de colmatage modéré et une filtration des élémentsles plus « grossiers ». Ce sable est parfois mélangé avec d’autres éléments comme descarbonates ou des oxydes métalliques pour augmenter les performances épuratoires du filtre.ConstructionUn filtre est constitué d’une superposition de plusieurs couches :‣ Une géomembrane de PEHD pour l’étanchéité du fond et des parois‣ Une couche de gravier de 30cm portant le réseau de drainage‣ Une couche de substrat d’une hauteur comprise entre 70 et 90cm‣ Une couverture végétale qui protège la surfaceIl peut s’avérer nécessaire d’installer un système de séparation perméable aux écoulementsentre la couche de substrat et de gravier. Le but est d’empêcher le démantèlement du corps del’ouvrage par départ des grains. Une géogrille avec une maille de 1mm et une résistance à latraction de 6KN/m suffit à retenir les grains de sables d’après [Amamra, 2001].VégétationEn dehors du point de vue de l‘intégration paysagère, le couvert végétal a deux rôlesprincipaux :Diminuer les effets de l’érosion causés par les écoulements en phase de répartitionEmpêcher le colmatage superficiel du filtre par les MESDans l’état actuel des choses, les roseaux communs (Phragmite australis) sont considéréscomme étant les familles de macrophytes les plus adaptées aux conditions particulières desRBF. Les roselières permettent le maintien de la conductivité hydraulique par leur système derhizomes qui perce la surface du filtre. Une attention toute particulière doit être portée auxjeunes plants durant leur phase de croissance. Il faut compter une saison entière avant depermettre les premiers apports d’effluents, temps qu’il faudra aux roseaux pour développersuffisamment leur système racinaire. Des périodes de submersion ou de sécheresse troplongues conduisent á une réduction de la densité des roselières.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 31/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionComparaison des caractéristiques RBF / MFPBeaucoup de ressemblances existent dans la conception et dans les processus d’éliminationdes RBF et des massifs filtrants plantés à écoulement vertical. Afin de ne pas mélanger cesdeux notions, il est dressé ci-dessous un tableau synthétique qui reprend les différencesdéterminantes qui justifient cette distinction.Objet RBF MFP CommentaireNature des effluents Débordements de DOCompositionEaux usées issues desur réseau unitairedifférente (cf.réseaux séparatifs Pluies des RSparagraphe 2.4) Réduction de la Traitement desObjectifs de qualitépollution des EP effluents de petites Diminution du stress STEU ou d’ANC_hydrauliqueTraitement tertiaireDécantation primaire Obligatoire facultativeConséquencedirecte de lanature deseffluentsFréquenced’alimentationDirectiond’infiltrationEcoulementExposition à dessurchargeshydrauliquesIrrégulière et discontinueverticalecommandé par un organede contrôle de débitrégulièreRégulière etdiscontinueVerticale et/ouhorizontallibrerarement sauf dans lecas d’infiltrationd’EPTableau 6 : Résumé des principales différences entre RBF et MFPFortementdépendante dela période del’année (RBF)Dépend dutraitementsouhaité (MFP)vitessed’infiltrationconstante (RBF)Apparition d’unvolume derétention ensurface (RBF)3.2.4 Description des procédés d’épurationLes procédés qui agissent sur la pollution dans le filtre sont multiples. Ils peuvent avoir lieusimultanément ou successivement et concerner un ou plusieurs mêmes polluants. Troisprincipaux sont à l’heure actuelle considérés comme les plus significatifs : Filtration Sorption Dégradations biochimiquesMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 32/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétention3.2.4.1 FiltrationCe premier mécanisme concerne essentiellement la rétention de la partie particulaire deseffluents. [Huisman et Wood, 1974] se sont intéressés plus particulièrement aux sols avec unetaille de grains homogène. Leurs expériences ont montrés qu’une particule serait retenue parle matériau si son diamètre est supérieur à 15% au diamètre des grains.DD o =0,155.DFig11 : Schéma d’un milieu poreux parfaitEn considérant donc un sable moyen (0,2-0,6mm), seules les particules de taille supérieure à20µm seraient ainsi retenues. Hors les rendements d’abattement sur les MES dépassentsouvent la barre des 90%. La cause provient de la présence d’une couche d’humus de 2 à 5centimètres au dessus de la surface du filtre. Deux origines sont à sa formation :Le dépôt de la charge sédimentaire apportée par les événements précédentsLa minéralisation des résidus de végétaux mortsCette couche a une croissance estimée entre 1 et 2 centimètres par an. Elle devra être retiréesouvent au bout de 10 ans pour renouveler la capacité d’infiltration du système. Elle favorisedonc la rétention de particules encore plus fines en accord de principe avec le schémaprécédent. Certains auteurs [Scheffer/Schachtschabel, 1992] affirment que ce mécanismeretiendrait même des particules de diamètre inférieurs à 0,2µm. Les rhizomes des roseaux etl’hydrolyse de la MO lentement biodégradable maintiennent une conductivité hydrauliqueminimum et préviennent le colmatage précoce des filtres.C’est aussi le lieu d’une activité microbiologique intense. Elle présente enfin de bonnescapacités d’adsorption (acides humiques chargés négativement).La filtration est donc vraiment significative dans les 5 premiers centimètres du filtre. Elle alieu surtout pendant les phases transitoires, caractérisées par des écoulements turbulents aucontact des grains. Dans les couches les plus profondes, ce processus physique est plus lent etde moindre importance.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 33/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétention3.2.4.2 SorptionCe phénomène décrit l’ensemble des réactions d’équilibre entre la phase fluide et la matricesolide constituée par le sol. Il concerne donc essentiellement les espèces dissoutes comme lesions et quelques colloïdes [Dittmer, 2006]. Cette notion d’équilibre est à associer avec unenotion de réversibilité : une espèce pourra soit s’adsorber ou au contraire se désorber dusubstrat. Une élévation de la température ou une diminution de la concentration ont tendanceà favoriser la désorption des espèces ioniques.Plusieurs types de sorption peuvent être distingués :Sorption physiqueCelle-ci naît des forces électromagnétiques faibles de Van der Walls qui lient des espècespolaires ou polarisables (H 2 O par exemple) avec la matrice du filtre.Sorption chimiqueCertaines espèces portent des charges positives ou négatives. Elles leur permettent de créerdes liaisons covalentes d’énergie plus fortes que les liaisons de Van der Walls. Ce procédé sefait par substitution d’une autre espèce de charge équivalente attachée au substrat. Le substratse caractérise donc par un certain nombre de sites d’adsorption. La surface spécifique desgrains du substrat est proportionnelle à l’ampleur de ce mécanisme. Il concerne donc surtoutles substrats dont les grains ont des tailles inférieures à 0,2µm [Dittmer, 2006]. Le sablemoyen n’a donc pas de bonnes propriétés d’adsorption.Adsorption biologiqueA la surface des grains se développe une microflore bactérienne. Cette microflore estnaturellement présente dans les eaux usées. A la rencontre d’un matériau support (substrat) etde conditions de milieu favorables (humidité, oxygène…), les bactéries s’installent sous laforme de biofilm qui a entre 50 et 110µm d’épaisseur [Wichern et al., 2008]. Le biofilmcommence alors à émettre dans son environnement immédiat un certain nombre d’enzymesexo-cellulaires. Elles favorisent la décomposition des macromolécules (glucose,hydrocarbures…) en un matériel assimilable par la membrane du biofilm. Certaines matièresorganiques colloïdales sont ainsi dégradées.3.2.4.3 Description générale des procédés de dégradation biologiqueDescription des microorganismesLes microorganismes sont les principaux acteurs de l’auto-épuration des cours d’eau. Dans lesRBF, il s’agit dans une grande majorité de bactéries apportées par les premières alimentationsdu filtre. Les bactéries sont des organismes vivants dont la taille varie de 0,1 à 1µm. Elles sontfaites de 80% d’eau et de 20% de structure cellulaire. Cette structure se construit à l’aided’éléments nutritifs (C, H, O, P, N, S…) contenues dans les eaux usées ou issus de laMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 34/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentiondécomposition des débris végétaux en surface du filtre. On comprend dès lors que la présenced’un milieu avec une hygrométrie suffisante est une des conditions majeures du maintien desbiocénoses dans le filtre. L’eau est présente dans le filtre également en temps sec sous uneforme liée (eaux pelliculaires et capillaires).Les autres facteurs limitant la croissance des bactéries sont :• La disparition d'un composé essentiel à la nutrition bactérienne• Un mécanisme de régulation. Le produit final de la réaction, lorsqu'il atteint une certaineconcentration, est souvent toxique pour les bactéries présentes.• Un mécanisme de compétition entre les microorganismes suivant la source dedisponibilité en nutriments (prédation)• Des variations physico-chimiques du milieu : pH, température et oxygène• La production de produits bactéricides par les racines des roseaux• La présence de métaux lourds en forte concentration dans les eaux infiltréesIl existe naturellement plusieurs façons de distinguer les bactéries entre elles étant donné leurgrande diversité. En traitement des eaux usées, il est intéressant de séparer les bactériessuivant leur source de nutriments en carbone. Les bactéries autotrophes vont se servir ducarbone minéral (CO 2 ) tandis que les hétérotrophes vont pouvoir dégrader la matièreorganique.Dégradation de la matière organiqueLa distinction qui a été faite en page 20 entre matières lentement et rapidementbiodégradables trouve son explication dans deux mécanismes : L’hydrolyse d’une partie de la DCO particulaire en des molécules facilement dégradables.L’hydrolyse est un procédé qui ne consomme pas d’oxygène. Elle ne peut avoir lieuuniquement lorsque les bactéries sont parvenues à synthétiser les enzymes adaptés à laréduction des macromolécules organiques. Parmi les mécanismes de dégradation, ce sera celuiqui aura lieu en dernier. Les sous-produits non souhaités de cette réaction sont de l’azote, duphosphore organique ainsi que de la MO inerte. Les réactions de métabolisme des hétérotrophesLa MO rapidement biodégradable est utilisée comme source de nutriments pour la synthèsede nouvelles bactéries. Elle peut être symbolisée par la réaction suivante (anabolisme) :5C 7 H 11 NO 3 + 8NH 3 + O 2 + Energie 7C 5 H 7 NO 2 + 6H 2 OMicroorganismesMO + O 2 + Energie biomasseMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 35/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionLa réaction inverse s’appelle catabolisme. Elle correspond à l’oxydation de la MO pour laproduction d’énergie des bactéries:C 7 H 11 NO 3 + O 2 7 CO 2 + 4H 2 O +NH 3 + EnergieMO + O 2MicroorganismesEnergieSous l’hypothèse d’une oxydation complète de la MO par les bactéries, les produits finauxseraient de l’eau, du CO 2 et des sous produits en quantité négligeables. [Kadlec et al., 2000]propose une équation simplifiée de cette réaction :CH 2 O+O 2 CO 2 + H 2 ORemarqueUne autre source de production de MO qui n’a pas été considérée jusque là est ladécomposition de la biomasse. Cette dégradation ne consomme pas d’oxygène mais libèrenéanmoins de nouvelles quantités d’azote et de phosphore.De longues périodes de saturation du filtre entraînent le développement de zones anoxiques,favorables à d’autres procédés de dégradation qui utilisent l’oxygène liée à d’autresmolécules. La réduction des nitrates en azote gazeux s’appelle dénitrification. Une formuleproposée par [Kadlec, 2000] est citée dans [Dittmer, 2006] :5(CH 2 O) + 4NO 3-+ 4H +5CO 2 + 2N 2 + 7H 2 OCette réaction n’a que rarement lieu dans les filtres étant donné la faible quantité de nitratesproduits en phase de saturation anaérobie. Elle peut cependant entrer en compétition avec lesprocédés aérobies dans le cas de forts intrants en nitrates (apport d’ECP en provenance deparcelles agricoles azotées par exemple).Elimination de l‘ammoniumL’azote sous forme dissoute est présent sous la forme ammonium. Son élimination se fait endeux étapes : la nitritation qui conduit à la formation des nitrites et la nitratation à celles desnitrates. L’ensemble de ces réactions forme la nitrification. Les équations de réactions sontdonnées ci-dessous :Nitritation: NH 4 + + O 2 NO 2 - + 2H + +H 2 ONitratation: NO 2-+ O 2 NO 3-Nitrification: NH 4 + + 2O 2 NO 3 - + 2H + +H 2 OLes bactéries responsables de ces réactions (Nitrosomas et Nitrobacter) sont dites chimioautotrophes.Leur source d’énergie est l’azote minéral. Le rendement énergétique de cetteréaction est relativement faible et consomme une grande quantité d’oxygène. Ce mécanismeest assez semblable à celui de dégradation de la MO. Il n’aura lieu que lorsque la quantité deMO rapidement biodégradable aura fortement baissé. Il y a en effet compétition entre cesMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 36/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionréactions pour l’oxygène.Deux inconvénients consécutifs à cette réaction sont à noter :Acidification du milieuCelle-ci est causée par la production d’ions hydrogène lors de la nitritation. La correction del‘acidité est faite par ajout d’une base tampon dans le filtre. Sans cela, les rendements de lanitritation seraient fortement diminués. A cet effet inhibiteur sur la croissance des bactériess’ajoute la remobilisation des cations métalliques adsorbés sur le substrat. Les graphessuivants représentent pour différents sols les concentrations en plomb et cadmium en fonctiondu pH. A pH neutre, ces deux métaux sont sous forme adsorbée.Fig12 : Concentrations à l’équilibre en plomb et cadmiumSource [Scheffer et Schachtschabel, 1992]Relargage de nitratesSuite à une longue période de temps sec, un pic de concentration en nitrates est observéimmédiatement à la suite de l’infiltration. Des pointes de 15mg/l ont parfois été observées[Lambert, 2000]. Ce relargage est expliqué par la production de nitrates par cette réaction. Lesnitrates sont partiellement éliminés en tant que nutriment pour les roseaux. Cependant laminéralisation des résidus morts des plantes entraîne la restitution de l’azote dans le sol. Lesroseaux n’ont donc pas un rôle significatif dans la réduction des nitrates.ConclusionL’élimination de la MO et la nitrification sont les procédés majeurs de dégradation quicaractérisent les RBF. Ils ont lieu dans les premiers horizons du filtre c’est à dire entre 0 et20cm. Cette zone correspond en effet à l’endroit où les nutriments ont été absorbés. Elle peutêtre élargie lorsque la charge hydraulique délivrée devient importante ou lorsque les effluentscontiennent peu de particules. L’oxygène est un réactif nécessaire à la transformation del’ammonium et de la DCO F . Ces réactions ne commencent vraiment que lors de la nouvelleaération du filtre [Dittmer, 2006]. En effet, l’oxygène n’est présent qu’en faibles quantitésdans le filtre.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 37/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétention3.2.5 Rendements d’éliminationLa qualité de traitement des RBF dépend bien entendu de beaucoup de paramètres (type desystème de collecte, pluies, caractéristiques du filtre). Diverses installations sont l’objet desuivi mais il n’est pas toujours aisé de dresser des comparaisons. Les valeurs ci-dessous sontla sélection de moyennes extrêmes données dans la littérature. Plus d’informations sur lesinstallations sont fournies dans les publications de [MUNLV, 2003], [Frenchen et al., 2005],[Hatt et al., 2008] et [Langeveld et al., 2008].ParamètreConcentrationsmoyennes de rejet[mg/l]Rendements[%]MES 5 - 45 75 - 100DCO T 10-40 60-95NGL 0,8 - 3 35 -55NH 4+0,05 – 0,3 60-90Tableau 7 : Concentrations de rejets en sortie de RBF pour différents polluants3.2.6 Résumé des points importantsCaractéristiques importantes lors de la construction étanchéité du dispositif sol sableux avec des carbonates et un couvert de roseaux vitesse de filtration constante inférieure 0,05 l/s/m² surveillance attentive des filtres la première année (risques de colmatage importants)Caractéristiques importantes lors de l’exploitation Aménager des plages de repos suffisantes entre les phases d‘alimentation Veiller à l’entretien des roselièresCertains aspects sont cependant à garder en mémoire avant de se lancer dans une constructionà tous vents des RBF. Ils sont caractérisés en effet par :1. De faibles rendements en terme de dénitrification et d‘élimination de P T2. Une exploitation régulière (désherbage, besoins en eaux suffisants, contrôle dudéveloppement des biofilms…)3. Une certaine dépendance par rapport aux conditions de milieu (température, pH…)4. Des besoins importants en surface comparés à des procédés classiquesMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 38/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétention4. METHODE de TRAVAIL4.1 Etat actuel dans la modélisation des RBFComme cela était rappelé au départ, la modélisation des RBF s’est imposée comme uneapproche intéressante permettant d’optimiser les rendements et les phases d’exploitation desfiltres. Cependant, elle en est rendue d’autant plus ardue que les conditions hydrauliques etbiologiques dans le filtre changent suivant la profondeur, le temps et les conditions de milieu.La description en temps sec des dégradations de l’ammonium et de la MO est encore malconnue.Les premiers modèles développés se sont basés sur des relations mathématique qui à partird’un contexte donné (défini par les paramètres de contrôle) décrivent l’évolution d’unensemble de grandeurs entre des valeurs d’entrée et des valeurs de sortie. A ce titre, on peutqualifier ces modèles de prévisionnels. Dans un RBF, les paramètres de contrôle sont d’ordrehydraulique (régulation des écoulements en aval, alimentation du filtre) et les variables sontles concentrations caractéristiques des effluents. Schématiquement, on peut présenter cetteréflexion sous la forme :- Alimentation :Débit entrantDurée- Filtre :Porosité et densitéHauteur et surfaceParamètres de contrôle[NH 4 + ] E[CSB] E[NO 3 - ] Eblack boxTransformation mathématique[NH 4 + ] S[CSB] S[NO 3 - ] SVariables de sortieVariables d‘entréeFig13 : Conception d’un modèle prévisionnel appliqué aux filtres de rétentionSource : [Coupé-Canu, 2005]Cette approche simplifiée permet de s’affranchir d’une connaissance interne du système.Seules les transformations des paramètres entrent en ligne de compte. De cette façon, il estalors possible de décrire convenablement l’évolution des concentrations pendant l’infiltration.Cependant, certains comportements ne peuvent ainsi pas être modélisés. A titre d’exemple,considérons la charge polluante en nitrates. Un bilan de matière sur le long terme grâce à desMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 39/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionmesures de concentration amont/aval fait état d’une augmentation de la charge en nitrates ensortie du système par rapport à l’entrée. Il est constaté une production de nitrates car le filtren’en contient pas initialement. Ce constat suggère de prendre en considération des processusplus complexes que précédemment. Ces processus ont lieu notamment pendant les périodesde repos du filtre.Certains projets de recherche se sont cependant concentrés sur la modélisation des RBF. [Uhlet Henrichs, 2005] en fait un récapitulatif. Le modèle LEACH, développé par [Hutson, 2001],permet de modéliser les comportements des RBF sur le long terme (pas de temps journalier)quant à une réduction des métaux lourds. [Langergraber et Simunek, 2006] a développé unmodule particulier associé au programme de simulation hydraulique et de transport dematières Hydrus 2D. Ce module CW2D permet notamment de considérer des procédés debiodégradation qui se déroulent au sein des RBF. Enfin, Aquasim [Reichert, 1998] est unprogramme de simulation des systèmes aquatiques à différentes échelles.D’une manière générale, les mêmes difficultés sont rencontrées dans les modèles : deséquations et des processus non linéaires à résoudre, une complexité des conditions aux limites(notamment en surface de filtre,) des variations dans les propriétés du sol… Les modèles vontalors se distinguer suivant leur capacité à résoudre ou simplifier ces difficultés. Les temps decalcul, la quantité de champs à renseigner, la mémoire utilisée en dépendront.A l’heure actuelle, il n’existe pas réellement de modèle validé qui soit capable de prédirel’évolution sur le long terme des processus de dégradation de la MO et de l’ammonium.Aquasim 2.0 représente un bon compromis entre une simplicité de manipulation et unedescription suffisante des mécanismes. Il se caractérise en effet par une interface qui laisse laliberté de rentrer soi-même les procédés et modèles réactionnels.4.2 Modélisation des processusPour caractériser correctement un RBF, deux aspects principaux doivent être modélisés.Aspect hydraulique : les écoulements au sein de la matrice du filtre se font à travers un milieuporeux saturé avec une condition avale fixée. Le transport de particules devra notamment êtrepris en compte.Aspect biologique : lors de la phase d’alimentation, l’effluent transporte une pollution de typeparticulaire mais aussi dissoute. Des processus physiques mais aussi biochimiques naissent del’interaction entre la phase solide (le substrat) et la phase fluide (l’effluent).4.2.1 Modélisation de la phase fluideL’eau est présente dans le filtre sous plusieurs formes. Ses formes ne sont pas les mêmessuivant la phase (alimentation ou repos) dans laquelle on se situe.On peut ainsi distinguer les eaux libres des eaux liées. Les premières constituent la phasemobile de l’eau, celle qui va s’infiltrer sous l’effet de la gravité dans le corps du filtre tandisque les eaux liées resteront attachées au substrat. Au sein des eaux liées, il se différenciesuivant leur interaction avec le substrat les eaux pelliculaires et les eaux capillaires. LaMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 40/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionmolécule d’eau peut être représentée en raison de sa forme non symétrique par un dipôleélectrostatique. Les molécules d’eau sont aussi polarisables. Il se développe donc avec lesubstrat des liaisons électroniques faibles du Type Van der Walls (cf. 3.2.4.2). Les eauxcapillaires elles sont retenues grâce aux interstices très fins existant entre les grains.Le mouvement de l’eau suit toujours le sens des potentiels décroissants. Cet équilibre despotentiels n’est presque jamais atteint en raison des apports pluviaux, de l’évaporation et del’alimentation discontinue. Ce mouvement dépend de deux conditions : la conductivitéhydraulique et les gradients de pression. Peu après son alimentation, le filtre passe dans unétat saturé pseudo-permanent dans lesquels les écoulements sont de type laminaire. Danscette zone, la formule de Darcy permet alors de décrire le mouvement de la phase fluide :q = k. grad φ/l = −k. ∂φ. e ∂lz (1)Où q désigne le débit moyen, qualifié aussi de vitesse d’infiltration, ramené à la surface[m 3 /m 2 /s], k la conductivité hydraulique [m/s], est la différence des hauteurs piézométriques[m] et l, la longueur de la couche de fluide [m] et z l’axe vertical dirigé vers le haut.Cette équation n’est valable qu’en régime permanent. De plus, des variations du niveau d’eauou bien des vitesses d’infiltration ne peuvent pas être décrites.Une formule vient compléter ces lacunes. Elle résulte de l’application de la loi deconservation de la masse fluide. Cette équation de continuité permet de relier un état 1 à unétat 2. En régime permanent, elle s’écrit :Q = v 1 . S 1 = v 2 . S 2 (2)En ce qui concerne les écoulements dans la phase insaturée, l’équation à une dimension deRichards permet de prendre en compte les phénomènes temporels comme l’infiltration ou lesbesoins en eau des plantes. Elle se base sur une combinaison des deux équations précédentes.∂θ∂t = ∂ ∂z k ∂φ m∂z + 1 (3)Où désigne la porosité effective [-], k la conductivité hydraulique [m/s], m est la différencedes hauteurs [m] et z, la composante de l’axe verticale [m].k et sont des fonctions non linaires de . Certains modèles vont jusqu’à décrire cesfonctions en traitant comme une nouvelle variable. Elles associent coefficients empiriqueset valeurs limites caractéristiques. sera exprimé en fonction des porosités à saturation etrésiduelle par exemple.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 41/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétention4.2.2 Modélisation du transport solide et dissousLe transport de matières particulaires et dissoutes peut se modéliser en ce qui concerne leseaux libres par un modèle convectif-dispersif (CDE).Le phénomène de convection décrit ici le transport d’une substance sans modification de sonprofil de concentration à travers le filtre.Le phénomène dispersif est la conséquence de l’établissement de courants secondaires enraison des forces de capillarité. Le diamètre des capillaires est le paramètre qui a uneinfluence majeure sur la vitesse de filtration. Enfin, la création de liaisons électrostatiquesfaibles et réversibles entre une substance et le substrat a un effet retardateur qui conduit à unétalement du profil de concentration.A ces phénomènes s’ajoute également l’influence des phénomènes physiques (adsorption) etbiochimiques (biodégradation, précipitation…). En régime insaturé, l’écoulement garde unedirection principale qui est celle de l’axe z.L’équation qui permet alors de décrire le transport d’une substance i au travers d’un milieuporeux traduit mathématiquement la conjugaison des phénomènes précédemment présentés.[Simunek et al., 1999] propose par exemple la forme suivante dans le cas d’un écoulementunidirectionnel :∂θ. C i∂t+ ∂ρ. S i∂t= ∇ θ. D i . ∇C i − θ. v∇ C i + S. C PS,i + r i (4)Où désigne la porosité effective [-], C i , S i et C PS,i les concentrations de la substance irespectivement dans la phase fluide [mg/l], adsorbée sur la phase solide [mg/kg sol sec ] et liée àla formation d’un terme puits/source. S est le terme puits/source associé à cette concentration, la densité du substrat [kg sol /l], Di le coefficient de dispersion hydrodynamique [m 2 /h], ri unterme de réaction [mg/l/h], q est la vitesse moyenne de l’écoulement dans les pores[m/h].4.2.3 Modélisation des processus d’éliminationFiltrationPlusieurs modèles de filtration sont adaptés à une modélisation des RBF. Parmi eux, [Jacob etal., 1994] propose une équation différentielle du premier ordre qui mesure la rétention desparticules en fonction de leur temps de séjour hydraulique dans le filtre :CtQ kfC(5)AvecC, concentration en MES dans le filtre (kg/m 3 )v f = Q/Ω vitesse de filtration (m/s)k f coefficient de filtration (m -1 )Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 42/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionUn autre modèle empirique rentre plus en détail en introduisant la notion de probabilité dedépôt avec l’équation suivante (non équilibrée) :Avec, la charge de sédiments (rapport volume des MES sur volume du sol)ξ probabilité de dépôt donnée par la formule a()a constante d’ajustement (0,05-0,35cm)θ porosité du filtre (-)ConclusionLa filtration est un mécanisme de rétention physique de la fraction particulaire des effluents.Les particules les plus grossières s’accumulent en surface et dans les 5 premiers centimètresdu sol. Ce dépôt bâtit une couche de sédiments qui permettra de retenir des particules plusfines encore. Les performances des RBF en exploitation montrent en moyenne des tauxd’abattement souvent au-delà de 80% (associées à des concentrations variant entre 5 et30mg/l). Les expérimentations sur colonnes et lysimètre montrent des concentrations en MESen sortie encore plus faibles rendant une quantification difficile du phénomène. Néanmoinsconcernant la DCO, la distinction entre des mesures sur échantillon filtré (DCO F ) etéchantillon non filtré (DCO T ) permet potentiellement de modéliser la filtration des matièresen suspension « oxydables» puis leur hydrolyse. Il sera supposé que cette fraction particulaireest totalement biodégradable (cf. paragraphe 3.2.4.3).Puisque la filtration est un processus physique, il sera choisi un taux constant de filtrationquelque soit la charge particulaire en entrée comme dans la formule (5). Ce choix correspondà modéliser ce phénomène à partir d’une réaction cinétique d’ordre 1. En effet, les paramètresde porosité et de vitesse d’infiltration sont maintenus constants pendant l’alimentation dufiltre.SorptionQ tC vfzCPour rendre compte de la complexité de ce phénomène, des modèles empiriques à l’étatd’équilibre vont être utilisés. Cet état d’équilibre suppose que les réactions d’adsorption et dedésorption sont beaucoup plus rapides que les variations de concentration dans le milieu. Leurvalidité repose sur les hypothèses d’un sol uniforme (et une taille moyenne de pores unique)et des conditions de régime permanent. En raison d’une dépendance vis-à-vis de latempérature, ces modèles sont appelés modèles de sorption isotherme. Ils décrivent la relationentre la masse adsorbée sur le substrat d’une substance à l’équilibre (C SORB,EQ en mg/kg de solsec) et sa concentration en solution (C IN en mg/l). Trois modèles sont présentés ici.Isotherme de HenryIl donne la représentation la plus simple du procédé : C IN est directement proportionnelle àC SORB,EQ :C SORB,EQ = K H × C IN (7)Avec K H , le coefficient d’adsorption en l/kg, également appelé constante de Henry.(6)Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 43/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionIsotherme de FreundlichC SORB,EQ = K F × C INα(8)Où K F (exprimée en kg -1 .l α /mg α-1 ) et α (-) désignent respectivement la constante et l‘exposantde Freundlich. α a pour objet de corriger la non linéarité de la relation entre les deux formes etK F de quantifier la force de l’adsorption.Isotherme de LangmuirC SORB,EQ = C SORB ,MAXK L +C IN× C IN (9)Où K L et C SORB,MAX sont des concentrations exprimées en mg/l et mg/kg de sol. Ellesdésignent respectivement la constante de Langmuir et la concentration maximale qui peuts’adsorber sur le substrat.Le taux de conversion entre les phases solide et fluide est donné par la formule :R = ∂C SORB∂t= K r × C SORB,EQ − C SORB (t) (10)R correspond à la variation de la masse adsorbée par unité de temps. Lorsque la masseadsorbée est nulle, alors ce taux est maximal. Cette formule permet de modéliser unelimitation naturelle de ce processus. Kr est la constante d’échange, exprimée en h -1 . Plus cecoefficient sera important, plus l’adsorption se fera rapidement.L’équation (9) exprime la transformation d’une substance entre une phase fluide et une phasesolide. Ce changement de phase se fait par conservation des quantités et donc doit respecterune conservation des dimensions. Ainsi en considérant l’adsorption d’une concentration C INsur la phase solide, c’est en réalité ρ(1−θ)θ× C IN mg/kg de sol sec qui sont adsorbés (avec lamasse volumique du sol sec en kg/l et la porosité efficace). En pratique, 1 mg/l d’unesubstance en solution est transformé en 3,5mg/kg en phase solide.Processus de dégradationSuivant que l’on considère que ces processus aient lieu en solution ou bien sur la phase solide,la modélisation sera différente. En solution, les réactions cinétiques sont d’ordre 0, 1 ou plus.Elles peuvent décrire l’élimination d’une substance. Cette hypothèse de dégradationimmédiate sera notamment exploitée dans le premier modèle. Une élimination liée à la phaseimmobile du substrat rend compte des cinétiques bactériennes qui transforment les nutrimentsadsorbés. Le modèle développé par Monod (1941) fait le lien entre quantité de nutrimentsdisponibles et croissance des bactéries. L’efficacité de ces processus est mesurée par laquantité de substance éliminée par unité de temps ou taux de dégradation (T). Ils sont résumésci-dessous :Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 44/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionProcessus deTaux de dégradation [mg/l/h]dégradationRéaction cinétiqued’ordre 0T = −K 0 (11)Réaction cinétiqued’ordre 1T = −K 1 × C IN (12)Réaction cinétiquenT = −K n × C IN (13)d’ordre nModèle de MONOD T=-µ max × C IN×XKa+C IN(14)Tableau 8 : Modèles de taux de dégradation de la MODans ce tableau, les grandeurs K 0 , K 1 et K n sont les constantes des vitesses de réactionsexprimées respectivement en (mg/l/h), (1/h) et ((mg/l) 1-n /h). µ max est le taux de croissancemaximum de l’espèce bactérienne en h -1 , Ka, la constante d’affinité pour une substance enquantité limitée en mg/l et X, la concentration de la biomasse en mg/l. Une explication sur laconstruction du modèle de MONOD est présentée dans l’Annexe 8.NoteLa concentration en biomasse ou plutôt la quantité de bactéries est une grandeur difficile àévaluer quand il est souhaité ne pas perturber le système. Le prélèvement d’échantillons desol ne peut pas rendre compte des évolutions temporelles des populations. Les concentrationsen biomasse utilisées dans le modèle n’ont pas de réalité physique mais témoignent desvariations de cette quantité.4.3 Présentation du logiciel AQUASIM 2.04.3.1 Description de l’architecture du programmeAquasim est un programme qui permet de caractériser et de simuler le comportement desystèmes aquatiques en laboratoire, sur une installation technique comme une STEU ou toutsimplement dans la nature. Il a été développé par l’EAWAG qui est l’institut de recherchesuisse pour les sciences environnementales. La version 2.0 dispose de 3 outils de calculdifférents:‣ Simulation‣ Analyse de sensibilité‣ Calage de paramètresIl présente le double avantage de pouvoir simuler des écoulements unidirectionnels en milieuporeux avec transport de substances tout en laissant la possibilité à l’utilisateur d’intégrer desprocédés réactionnels comme ceux décrits précédemment.Les modèles présentés dans Aquasim s’appuient sur des systèmes d’équations différentiellestotales et partielles et d’équations algébriques qui décrivent les variables d’état du systèmereprésenté. La résolution de ces équations à l’aide d’approximations numériques conduit àune discrétisation temporelle et spatiale du modèle (méthode des différences finies).Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 45/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionL’utilisateur est invité à renseigner 4 types de champ qui définissent la structure générale duprogramme :LIENSCOMPARTIMENTSPROCESSUSVARIABLESFig14 : Structure schématique du programme Aquasim 2.0Les variables : données entrantes qui permettent de construire et quantifier les autres champs.Il est possible de les décrire par une valeur numérique, une formule mathématique, unegrandeur d’état ou par un asservissement à d’autres variables (exemple le temps).Les compartiments : ils offrent un spectre de plusieurs applications possibles du réacteurfermé de laboratoire à un lac naturel. Le choix d’un compartiment va conditionner le typed’équations utilisées pour la résolution numérique des écoulements et du transport dessubstances.Les liens : il est possible de lier plusieurs compartiments entre eux. Cela permet par exemplede simuler des échanges interphase ou bien la considération d’un système dans sa globalité.Les processus réactionnels : dans ce champ sont rentrés les informations concernant lesmécanismes de transformation des variables d’état en fonction du temps.Deux compartiments permettent de simuler convenablement les RBF. Il s’agit des modèles« Saturated Soil Compartment » et « Mixed Reactor Compartment ». Dans cette étude, lemodèle « Saturated Soil Compartment » a été particulièrement investi.Celui-ci offre en effet plusieurs caractéristiques intéressantes : Un écoulement unidirectionnel dans un milieu poreux saturé Le transport diffusif et advectif de substances dissoutes La simulation des phénomènes d’épuration (filtration, adsorption, réactions debiodégradation)Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 46/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionA la base de ce modèle, la modélisation du transport de la phase fluide se fait grâce à larésolution de l’équation de continuité (2). En reprenant les notations utilisées, elle s’écrit pourla colonne :∂θ+ ∂q∂t ∂zL’équation de transport des substances est identique à l’équation (4).= r (15)4.3.2 Outils d’analyseLe programme Aquasim se sert de deux outils afin de permettre une identification desparamètres et une analyse des incertitudes :‣ Les fonctions de sensibilité‣ L’évaluation des paramètresLes fonctions de sensibilitéLe rôle de ces fonctions est de déterminer la stabilité des paramètres et leur influence sur lesvariables d’état (en l’occurrence sur les concentrations en DCO et ammonium). Dans le cadrede cette étude seront considérés uniquement les fonctions „relative-absolute ». Pour unchangement de 100% de la valeur du paramètre, elles mesurent la variation absolue induitesur la variable. Pour une variable y qui est analysée et p le paramètre dont l’influence nousintéresse, la forme mathématique de la fonction est :a,r = p ∂y(16)δ y,pCette dérivée partielle est approchée linéairement par:∂p∂y∂p≈y p+Δp −y(p)Δp(17)Pour chaque paramètre p, le programme estime la valeur de Δp à 1% de la variation standarddéfinie par l’utilisateur. Dans une majorité des cas, il est recommandé d’utiliser les fonctions« absolute-relative » [Reichert, 1998]. Elles ont l’avantage de permettre une comparaison desinfluences de différents paramètres car elles sont exprimées toutes dans la même unité.Cependant il ne sera pas possible de comparer l’influence d’un paramètre sur deux variablesdifférentes.L’évaluation des paramètresL’estimation des paramètres et des erreurs standards est réalisée par la méthode des moindrescarrés. Il s’agit en effet pour le programme de réduire au maximum la somme des écartspondérés élevées au carré entre les valeurs issues de la simulation et celles mesurées. Cettesomme s’écrit:Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 47/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionx 2 p =n2y mess ,i −y i (p)σ mess ,ii=1 (18)Où :y mess,i désigne la mesure de la i-ème valeur de la série de données,y i (p) la valeur calculée dans les mêmes conditions temporelles et spatiales que la mesure,n le nombre de donnéesp le(s) paramètre(s) qu’on cherche à estimerσ mess,i l’écart type.4.4 Description de la modélisationLes variables, qui ont besoin d’être saisies dans Aquasim pour modéliser le filtre, peuvent seclasser en 4 catégories :Catégorie Paramètre Abréviation et unitéCaractéristiques géométriquesSectionA (dm²)LongueurL (dm)Caractéristiques du substratPorosité efficace (-)Densitékg/lCaractéristiques deVitesse d’infiltration q (l/s/m²)l’alimentationDurée d’infiltration t (h)DCO TC_DCO T (mg/l)DCO FC_DCO F (mg/l)DCO inerteC_CI (mg/l)Concentrations des effluents(amont et aval)AmmoniumN-NH4 (mg/l)O 2 dissousC_O2 (mg/l)NitritesN-NO2 (mg/l)NitratesN-NO3 (mg/l)Tableau 9 : Variables descriptives du modèle dans Aquasim4.4.1 Construction d’un modèle simplifiéL’idée directrice dans la construction de ce modèle est de donner une description acceptabledes performances du filtre en termes de DCO soluble et d’ammonium. Il ne sera pas considéréde dispersion longitudinale dans ces simulations, les effets de ce phénomène se confondantavec ceux de l’adsorption. Deux paramètres ont une influence majeure dans la modélisation :la densité du sol et la porosité. Les essais expérimentaux ont été réalisés avec différentesvitesses d’infiltration de 0,01 l/s/m² pour les lysimètres et de 0,02 à 0,05 l/s/m² pour lescolonnes.Pollution carbonéeLa pollution carbonée est estimée à partir de la DCO. Pour simplifier les choses tout encherchant à ne pas dégrader trop la réalité, elle a été divisée en trois fractions :Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 48/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionUne fraction particulaire (non ou lentement biodégradable) : X DCO =DCO T -DCO FUne fraction dissoute rapidement biodégradable : S DEG =0,7xDCO FUne fraction non biodégradable dissoute ou inerte: S I =0,3 x DCO FHabituellement on préfère subdiviser la pollution carbonée suivant leur tendance à labiodégradation. Dans cette simulation, il a été préféré prendre en considération les processusde filtration d’un côté et de biodégradation de l’autre. Une simplification est prise ensupposant que la partie soluble de la DCO n’est dégradée selon qu’un seul processus.Les fractions X DCO et S DEG sont respectivement arrêtées par filtration et réaction dedégradation tandis que la fraction inerte soluble passe à travers le filtre sans interaction avecle substrat.Pollution azotéeIl ne sera pris en compte dans cette simulation uniquement l’azote sous forme ammonium. Il aété vu que celui-ci était retenu dans un premier temps par un phénomène d’adsorption puisseulement transformé lors du retour à une période d’aération. Il avait initialement été projetéde modéliser les adsorptions de l’ammonium suivant différents modèles. Les résultatsapportés par les modèles de Freundlich et de Langmuir n’ont pas apporté d’améliorationssignificatives sur les séries de données utilisées.Les phénomènes décrits sont quantifiés à l’aide de plusieurs paramètres. Le tableau suivantrésume les choix qui viennent d’être justifiés précédemment.Variable mesurée Processus Paramètre de calageX DCO Filtration Coefficient de filtration k fS DEGRéaction cinétiqued’ordre 1Constante de réaction K_CRC_NH 4Adsorption Constante de Henry K_H(modèle linéaire) Constante d’échange KrTableau 10 : Processus modélisés et paramètres associés4.4.2 Construction d’un modèle évoluéLe modèle précédent permet de simuler le comportement d’un filtre pou un événementpluvieux donné. Cependant afin de traiter du devenir des substances dissoutes dans le filtrependant le temps sec, le modèle d’adsorption doit être complété par l’introduction decinétiques bactériennes hétéro et autotrophes. Le compartiment « colonne de sol saturée » estde nouveau utilisé.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 49/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionModélisation du transfert de l’oxygèneLa variation d’oxygène de l’air par unité de temps dans la phase d’un liquide pur (eau) pourun réacteur parfaitement homogénéisé est décrite par la formule proposée par [Hunze, 2005] :∂C O 2∂t= k × C SAT − C O2 (19)Où k est la constante d’aération (h -1 ), C SAT et C O2 les concentrations en oxygène dissout àsaturation et en solution (kgO 2 /m³/h).C SAT est une grandeur qui varie suivant la température. A 12°C, elle vaut 10mg/l. La constantek est fonction de la vitesse de diffusion de l’oxygène dans l’eau et de la surface de contactentre l’atmosphère et la phase liquide. Puisque un biofilm est constitué à 80% d’eau, il seraadmis que la pénétration de l’oxygène dans le biofilm pourra être représentée de cette façonpendant la phase d’aération.Une autre solution, non développée dans cette étude, pour modéliser ce transfert est de faireappel au premier modèle de réacteurs en série. Aquasim permet en effet de modéliser unesubstance en équilibre entre une phase fluide et une phase gazeuse. Cette possibilité n’estofferte que pour la simulation d’un compartiment « Mixed Reactor ».Puisque la dégradation de la MO consomme de l’oxygène, le processus d’élimination de lafraction biodégradable est modifié. Cette fraction sera d’abord adsorbée sur le biofilm. Dansun second temps, les dégradations de la MO biodégradable comme de l’ammonium serontmodélisées à l’aide du modèle de Monod (cf. paragraphe 4.2.3).Les bactéries sont distinguées en deux espèces: les hétérotrophes et les autotrophes.L’ensemble de ces processus ne sont significatifs que dans les premières couches de sol. Il aété choisi donc de diviser la colonne entre une première zone active et une seconde detransfert sans processus :Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 50/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionC_O 2 _eC_NH 4 _eC_DCO_eC_S DEG _eS_O 2S_NH 4S_DCOProcessus dedégradation1C_O2_iniC_NH 4 + _e70t2C_O2_iniC_DCO_ini70tC_O2_eC_O 2 _sC_NH 4 _sC_DCO_s70 135t1 : phase active2 : phase passiveFig15: Schéma et courbes caractéristiques pour le dispositif simuléSimplifications choisiesLa nitrification est un phénomène en deux étapes (cf. paragraphe 3.2.4.3). Cependant, aucunrelargage de nitrites comparable à celui des nitrates n’a été observé en début d’événement.L’oxydation de l’ammonium semble passée directement au stade « nitrates ». Cela suggèreque la nitritation serait l’étape limitante du procédé. Pour ces raisons, la nitrification seraconsidérée comme un procédé en une seule étape.Les réactions de métabolisme des hétérotrophes conduisent à la formation de nouvellesbactéries d’une part et d’énergie d’autre part. Les phénomènes d’auto-oxydation conduisent àdes produits minéralisés difficilement quantifiables (CO 2 ).Puisque seules peuvent être mesurées des performances par rapport à la réduction de la chargecarbonée, l’action des hétérotrophes sera également considérée comme une réaction unique.La dénitrification et l’hydrolyse des liaisons organiques lentement biodégradables ne serontpas ici considérées.En effet, la dénitrification a lieu au moment où le filtre contient des nitrates en conditionsd’anoxie. Or la majeure production de nitrates se fait seulement suite à la phase d’aération.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 51/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionL’hydrolyse ne peut avoir lieu ici pour deux raisons :1/ le filtre est exclusivement alimenté dans cette simulation par des substances dissoutesfacilement assimilables par les bactéries2/ ce processus appartient aux cinétiques de très long terme tandis que ce modèle se limite àétudier les variations dans le filtre sur quelques centaines d’heures.Des bactéries vivent et meurent en permanence. Pour symboliser cette réduction de biomasse,un taux constant de mortalité est simulé pour chaque espèce (hétérotrophe et autotrophe),c'est-à-dire comme pour une cinétique d’ordre 1.Les processus de dégradation évoqués ci-dessus sont résumés dans le tableau suivant :Processus Vitesse de réaction (mg/L/h) Paramètre UnitéDégradationde la MOLyse deshétérotrophesS DEG C O2µ H ∗ CxK het + S DEG K het ,O2 + C HO2b H ∗ Cx HC O2 S NH4Nitrification µ N . CxK N,O2 + C O2 K N,NH4 + S ANNH4Lyse desautotrophesb AN ∗ Cx ANµ H taux maximum decroissance deshétérotrophesK het CA pour S DEGK het,O2 CA pour O 2b H taux de mortalitéspécifique deshétérotrophesµ N taux maximum decroissance desautotrophesK N,02 CA pour O 2+K N,NH4 CA pour NH 4b AN taux de mortalitéspécifique desautotrophesTableau 11 : Inventaire des processus biologiques de réduction de pollution1/hmg/lmg/l1/h1/hmg/lmg/lCe modèle fait intervenir de nouveaux paramètres comme les concentrations en bactériesautotrophes et hétérotrophes (Cx H et Cx AN ). Les coefficients stœchiométriques pour lesdégradations de l’ammonium et de la MO ne sont plus unitaires car prennent en compte latransformation taux de croissance bactérien/taux de dégradation. Plus d’explications sontdonnées dans l’annexe 8. Des valeurs de coefficients sont proposées dans [Wichern et al.,2008].Tous ces processus ne prennent pas la même importance suivant l’état du filtre. Un choix deprocessus simultané fut néanmoins considéré dans un premier temps. Les processusd’adsorption des nutriments (phase d’alimentation) et de dégradation aérobie (phase de tempssec) seront ensuite différenciés dans le temps.1/hMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 52/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionProcessus Pendantl’alimentationAprèsl‘alimentationAdsorption de S DEGx+Adsorption de NH 4 xNitrification (x) xDégradation de MO (x) xLyse des autotrophes x xLyse des hétérotrophes x xTableau 12 : Processus utilisés dans le modèle évoluéLe calage du second modèle sera aussi plus simple si les processus d’adsorption et dedégradation sont distingués dans le temps. Il se fait alors en deux étapes successives:هLa première étape consiste à calibrer les paramètres pour l’adsorption de S DEG et de l’ammonium sur un événement.هLa seconde étape est le réglage des paramètres de dégradation bactérienne pour prédire une série de mesures lors d’une nouvelle alimentation plusieurs jours plus tard.4.4.3 Présentation et analyse des donnéesPour tester la capacité d’un modèle à représenter la réalité, les simulations d’un modèledoivent être confrontées à des données expérimentales voir à d’autres modèles qui ont déjà étévalidés. Une bonne description des performances des filtres passe donc par des mesures deparamètres caractéristiques de la charge polluante en entrée/sortie de filtre. Des modèlesexpérimentaux de même épaisseur de sol mais avec une surface d’infiltration réduite ont étédéveloppés. Ceux-ci reproduisent convenablement le fonctionnement de ces installations tantles écoulements restent supposés verticaux.Dans le cadre du projet BOFIEIG, le LWW a récolté des données sur deux types dedispositifs. La plus grosse échelle est celle du lysimètre. Sa surface est environ 30 plusimportante que celle de l’échelle plus petite des colonnes de laboratoire. Une réduction de lasurface conduit à une moins bonne représentativité des profils d’écoulements. Un autreinconvénient de ces dispositifs est l’existence d’une rugosité aux parois extrêmement faible(Ks=140m 1/3 /s pour le plexiglas). Une partie des écoulements est influencée par cettecondition aux limites. Cette partie est d’autant moins négligeable que la surface de filtrationest faible.Plusieurs expériences ont été menées parfois sur les mêmes dispositifs sans toutefoisrepréciser si les conditions d’expérience avaient changé. Certains paramètres comme laporosité sont parfois modifiés de manière accidentelle ou intentionnelle. Ces modificationssont cependant difficiles à connaître sans une lecture approfondie des fichiersd’enregistrement (bases de données) mais aussi des rapports décrivant ces expérimentations(métadonnées).Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 53/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionLysimètreUn lysimètre est un dispositif expérimental qui sert à étudier les propriétés d’un sol à traversses interactions avec l’eau, la faune et la flore pouvant s’y développer. Il est constitué icid’un cylindre vertical de matière synthétique étanche dans lequel est incorporé un certainvolume du sol à analyser (de l’ordre du m 3 ). L’eau transite de façon unidirectionnelle depuisle haut du cylindre jusqu’au fond où elle sera collectée grâce à un système drainant puisanalysée.Présentation du projet Boly IIISuite à une commande du MUNLV, un projet a été mis en place par le LWW pour étudier lesperformances des RBF pour traiter les effluents déchargés par les DO de RU en temps depluie. Pour cela, cinq lysimètres ont été installés sur le site d’un bassin d’orage. Leuralimentation présente les mêmes caractéristiques que celle reçue par les filtres en exploitation(mêmes fréquences et mêmes concentrations). Plus de détails sur ce projet sont apportés par[Uhl&Henrichs, 2005]. Pendant 2 ans et demi, deux de ces lysimètres ont fait l’objet d’unsuivi très régulier. Leurs caractéristiques géométriques sont rappelées ci-dessous.Lysimètre Substrat Conductivité hydraulique Surface Hauteur Porosité1 Sable3,76.10-4 m/s 89 dm² 7,77 dm 30%0/2mm4 Sable7,84.10-4 m/s 89 dm² 7,57 dm 30%0/2mmTableau 13 : Caractéristiques géométriques et hydrauliques des lysimètresQuelques remarques :- Les caractéristiques du sable sont celles recommandées (cf. paragraphe 3.2.3).- La conductivité hydraulique est une caractéristique du sol et du fluide qui le parcoure.Cependant ce paramètre intervient peu car pendant les phases d’infiltration la vitessed’écoulement est contrôlée par l’aval par une pompe qui évacue un débit constant de0,01l/s/m².- La porosité correspond à la porosité dite effective c'est-à-dire qu’elle correspond aux volumesde vides qui seront effectivement parcourus par les écoulements. Elle a été déterminée sur l’undes lysimètres par différence entre la porosité à saturation et la porosité résiduelle. Elle serasupposée identique aux deux dispositifs.- Trois événements ont été choisis pour cette étude. Des mesures de concentrations amont/aval(NH 4 + , DCO T et DCO F , NO 3 - ) sur des échantillons prélevés toutes les 4h en moyenne servirontau calage du modèle. Les volumes délivrés sont les mêmes, seules les concentrations changentlégèrement.Un historique des alimentations antérieures est présenté ci-dessous. L’« effet mémoire » dufiltre suivant la fréquence et la charge d’alimentation du dernier événement influencequantitativement les capacités d’élimination.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 54/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionParamètreVolumes délivrés[m³/m²]DCO T[mg/l]DCO F[mg/l]C_NH 4+[mg/l]C_NO 3-[mg/l]Evénement Lys 1 Lys 217.11.03 2,29 2,38 174 118 13,5 0,2824.11.03 1 1 208 122 15,7 0,2116.12.03 1 1 99,1 55 7,4 0,42.02.04 1,59 1,67 108 64,3 9,7 0,2729.03.04 0,94 1,02 261 146 14,1 0,2924.05.04 1 1 159 77,5 10,4 0,46Tableau 14 : Historique d’alimentation des lysimètresLes valeurs des paramètres associés aux processus d’élimination de la pollution ont étéchoisies de façon à ne pas s’éloigner trop de la réalité. Des problèmes de divergences decalcul auraient engendré des résultats non cohérents. Des exemples de valeurs sont fournisdans [Reichert, 1998] et [Uhl&Henrichs, 2005].Critique des données analysées (voir profils en Annexe 5)Tout d’abord il importe de remarquer que les deux lysimètres présentent des profils deconcentration en sortie assez identiques. Des différences existent dans les temps d’apparitiondes premières concentrations en NH 4 + .Les rendements moyens sont de 80 et 68% sur la DCO T et la DCO F . Ils varient entre 65 et90% pour l’ammonium et décroissent fortement en fin d’expérience.Le peu de DCO particulaire détectée s’aperçoit lors du pic de concentration dans des 10premières heures qui suivent l’alimentation (cf. 1 er graphique, Annexe 5). Cette chargeprovient vraisemblablement de la libération de particules présentes dans le filtre initialement(issue d’un décollement de biofilm par exemple). Cela resterait à vérifier par des mesurescomplémentaires.Les concentrations en DCO restent assez constantes (entre 20 et 30mg/l), signe d’unedégradation relativement constante. Une augmentation plus ou moins forte est discernabledans les 12h après le début de l’alimentation. L’événement du 24.11.03 est caractérisé par desfortes charges en DCO et en ammonium et par les plus mauvais rendements. L’adsorption deNH 4 + paraît dépendre fortement des conditions de milieu. En effet, les augmentations deconcentration en ammonium et en DCO sont observées plus tôt sur cet événement.Des concentrations en nitrate parfois très élevées sont observées au début de l’alimentationjusqu’à 35mg/l enregistrée au 24.11.03 (cf. Annexe 5). Les charges délivrées en entrée sonttrès faibles (0,5 mg/l maximum). Ce constat suggère la nitrification probable de l’ammoniumau cours de la période sèche précédente. Celle-ci est environ la même pour les événements du16.12.03 et du 24.05.04. La dernière décharge en ammonium était également du même ordrede grandeur.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 55/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionColonnes de laboratoireLes colonnes de laboratoire sont généralement construites en plexiglas transparent. Elles sontrecouvertes d’un géotextile faisant obstacle à la lumière (limitation des développementsalgaux). Elles ont une longueur de deux mètres environ. Elles peuvent donc recevoir descharges hydrauliques plus importantes que les lysimètres (2,5m³/m² au lieu de 1m³/m²). Pourdes raisons économiques, il est souvent possible d’expérimenter plusieurs colonnessimultanément à la place d’un seul lysimètre.L’alimentation des colonnes se fait en deux phases (tout au moins pour la campagne de2007) :Phase 1 ou acclimatation du biofilmLes colonnes reçoivent durant cette phase 15 alimentations successives d’un mélange d’EUdiluées à l’eau distillée et de sels d’ammonium et de glucose. Il s’agit dans un premier tempsde pérenniser l’implantation des colonies bactériennes naturellement contenues dans les EU.En complétant ce mélange par des nutriments, facilement assimilables par les bactéries, l’idéeest de garantir un développement optimum du biofilm sur ce nouveau substrat. La vitesse defiltration est réduite à 0,01l/s/m² et seules des faibles charges hydrauliques (0,5m 3 /m 2 ) sontappliquées. Pendant dix jours, l’alimentation des colonnes est arrêtée pour simuler une phasede période sèche avant le passage à la phase 2.Phase 2 ou analyse des performancesL’objet de cette phase est de tester les capacités d’épuration du biofilm après une longuepériode sans alimentation puis face à des variations de la charge hydraulique. L’alimentationdes colonnes se fait maintenant uniquement à partir d’EU de synthèse (eau distillée + sels desubstitution). Cette technique présente l’avantage de pouvoir fixer la concentration en« charge polluante » en entrée et de se rapprocher de valeurs observées sur RU en temps depluie. Il a été utilisé des valeurs de concentration de 60 et 6 mg/l pour les paramètres DCO F etNH 4 + . Il n’y a pas de charge particulaire.Les données les plus intéressantes sont celles de la phase 2 car la composition des effluentsen aval a été suivie sur des pas de temps de quelques heures et non plus basée sur desmoyennes journalières (phase 1).Quelques caractéristiques des colonnes sont rappelées ci-dessous mais aussi en Annexe 6 :Paramètres d‘écoulementColonne Vitesse d’infiltration(l/m²/s)Porosité efficace(-)S5 0,03 0,22S9 0,02 0,28S10 0,04 0,22S11 0,05 0,217S12 0,02 0,23Tableau 15 : Caractéristiques hydrauliques des colonnesMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 56/97de MALGLAIVE Amaury

N-NH4 [mg/l]Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionCritique des données analyséesIl est constaté que la concentration en oxygène dissous n’a été mesurée qu’une seule fois.Cela posera un problème pour une validation complète du modèle dans la seconde partie. Lesdonnées les plus abondantes concernent les caractéristiques du substrat (porosité, conductivitéhydraulique, densité, courbe granulométrique…) dont la détermination était le but principaldu projet BOFIEIG.Analyse des données par rapport à la DCO et à l’ammoniumLes rendements observés sur la DCO sont de 90% au minimum témoignant de la bonnecapacité d’adsorption du substrat. Les concentrations en sortie sont en effet sous le seuil dedétermination des 5mg/l pour des concentrations amont de 50mg/l. Il est donc difficile deparvenir à une modélisation quantitative d’un processus de dégradation de la MO.La réduction de la DCO et de NH 4 + commence avant même l’infiltration. Une cause possibleest l’action de bactéries présentes à la surface immédiate de la colonne. Cette dégradation estlinéaire dans le temps. Le procédé équivalent correspondrait à une réaction cinétique d’ordre0. Cette dégradation reste un phénomène négligeable par rapport à l’abattement réalisé dans lefiltre (entre 0,15 et 0,9 mg/l/h pour la DCO).L’exemple ci-dessous représente un profil classique de concentration en ammonium. Dans cetessai, la concentration n’augmente réellement que 15 heures après son introduction en amont.Elle se stabilise ensuite pour des valeurs comprises entre 3 et 4 mg/l. Des comportementsanalogues ont été observés sur les autres expériences. L’analyse des courbes révèle que le temps après lequel la concentration augmente brusquement est proportionnel à lavitesse d’infiltration imposée par l’aval. la pente de cette courbe change peu avec la vitesse d’infiltration le même phénomène d’atténuation avant infiltration (en plus marqué) est observéLes rendements varient en fin d’expérience de 40 à 50%. Ils peuvent chuter fortement jusqu’à30%.5432100 10 20 30 40 50 60 70Temps [h]Fig16 : Concentrations en ammonium mesurées en aval de colonne. Essai du 24.01.2006Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 57/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionDonnées sur les concentrations en oxygèneLe modèle de colonne simulée se base sur une unique série de mesures, celle de janvier 2006.En effet, c’est la seule série qui comporte un profil de concentration en oxygène à l’aval de lacolonne. Le protocole d’expérimentation a été le même que celui présenté en 4.4.3 : le filtreest alimenté avec des EU artificielles. Des sels de substitution (glucose, sel d’ammonium)constituent une DCO F synthétique entièrement biodégradable.Caractéristique Données d’entréeDurée70 hVitesse d’infiltration0,02 l/s/m²Charge hydraulique2,5 m³/m²Concentration en DCO F 60 mg/l+Concentration en NH 4 6 mg/lTableau 16 : Caractéristiques d’une colonne de laboratoireLors de cet essai, les profils de concentration en aval de dispositif étaient ainsi :C_O2_sC_NH 4 _sC_DCO_s20t20tFig17 : Concentrations en aval de colonne (O 2 , NH 4 et DCO F )50tD’après les observations faites au paragraphe 3.2.4 et d’après les résultats sur colonne, ilapparaît que l’élimination de la MO comme de l’ammonium se produit déjà pendantl’alimentation dans le volume de rétention. Ces processus vont donc consommer l’oxygèneapporté par les effluents. Cette diminution a été confirmée par des mesures sur colonnesdécrites dans [Wozniack, 2007]. Les concentrations en O 2 ont été mesurées en amont/aval et à10 et 24cm de la surface. Le résultat ci-dessous a été obtenu pour une vitesse d’infiltration de0,01 l/s/m² et une charge de 1,5 m³/m². La durée de saturation est environ moitié moindre quepour la colonne décrite ci-dessus. La forme de ces courbes servira toutefois de référence pourdonner une description approchée de la complexité du transfert d’oxygène. En gris estreprésentée la hauteur d’eau au-dessus du filtre.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 58/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionFig18 : Concentrations en oxygène mesurées sur colonne de laboratoireSource : [Wozniack, 2007]Les concentrations en O 2 dans le filtre (courbes vertes) sont encore plus affectées par cettediminution. Cet essai montre des conditions de milieu différentes dans la colonne suivant laprofondeur et le temps. De cette étude ressortent d’autres points intéressants : en aval de filtre (courbe bleu clair), la concentration en oxygène diminue beaucoupplus lentement que dans les couches supérieures y compris par rapport à la surface. une charge hydraulique importante crée des conditions anaérobies notamment dans les25 premiers centimètres du filtre (conditions aérobies maintenues dans toute lacolonne pour une charge de 0,5 m³/m²). l’aération se caractérise par un retour quasi immédiat à un état d’équilibre pourl’oxygène.L’oxygène, un facteur limitantLes échanges de phase pour l’oxygène sont donc complexes à décrire. Lors de l’alimentation,l’oxygène est présent sous deux formes dans le filtre : Une forme dissoute apportée dans les effluents infiltrés. Une forme gazeuse présente dans les pores du filtre (en équilibre avec les eaux nongravitaires).La forme gazeuse est fortement réduite par l’effet « bouchon » provoqué par l’arrivée deseffluents. L’air est chassé vers la sortie du filtre proportionnellement à la charge hydrauliqueappliquée. Des mesures de teneur en eau ont été pratiquées dans le cadre de [BOFIEIG,2008]. Celles-ci montrent qu’une charge hydraulique amont importante (2,5 m³/m²) entraînaitune augmentation moyenne de 5% de la teneur en eau dans la colonne par rapport à unecharge plus faible (0,5 m³/m²). La contrainte avale de débit achève de pousser l’air hors despores. L’air s’échappe en remontant dans la colonne. Ce phénomène a été personnellementobservé quelques minutes après le début de l’alimentation des nouveaux lysimètres (cf.paragraphe 5).Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 59/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionLe profil de concentration en oxygène en aval est difficile à interpréter à cause : du transport par convexion de l’oxygène depuis la surface (au début au moins) de la remontée des bulles d’air dans le filtre qui enrichit l’eau infiltréeLa consommation de l’oxygène par les microorganismes ne paraît pas affecter ce profil encomparaison des courbes vertes. La contribution des pores non saturée en eau est difficile àdistinguer. Une charge hydraulique importante a pour effet de réduire fortement le volume despores aérés. Néanmoins la diminution du profil en aval n’est pas particulièrement changerpour les fortes ou faibles charges.ConclusionDans ce modèle, il sera fait l’hypothèse que cette concentration en oxygène dissous estparfaitement homogène dans le filtre en début de simulation. Seule l’activité bactérienne estresponsable des diminutions de concentrations observées. L’oxygène est introduit en quantitédécroissante dans le filtre (dégradation bactérienne au dessus de la surface) et pourras’adsorber sur le substrat qui porte le biofilm.La concentration en oxygène est un paramètre qui n’a été que peu recherché jusqu'à présent.La mesure de ce paramètre est pourtant caractéristique de l’ampleur des phénomènesaérobies. Un profil artificiel de concentration a été construit pour les besoins de la simulation(cf. 4.5.2) faute de données quantitatives.Performances des dispositifs expérimentauxAfin de rendre une comparaison possible avec des installations réelles, il doit exister unecertaine correspondance des performances entre échelles. Les rendements de dégradation sontun premier outil pour vérifier cette cohérence. Les rendements moyens expérimentaux sontproches de ceux des installations en exploitation.EchelleParamètreLaboratoire(colonne)Pilote(lysimètre)Installation(RBF)DCO T - 80-95 60-95DCO F 80-90 60-75 -+NH 4 60-80 80-95 60-90Tableau 17 : Rendements d’abattement moyens des charges polluantes (%)Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 60/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétention4.5 Résultats de modélisation4.5.1 Résultats obtenus sur modèle simplifiéConventions graphiquesEn ordonnées est donnée l’échelle des concentrations en mg/l du ou des paramètres observés.En abscisse, le temps de simulation, en heures, a pour origine le début de l’alimentation. Lescercles désignent les mesures de paramètres relevées toutes les 4 heures environ pendantl’événement.4.5.1.1 Résultats obtenus sur lysimètreA l’issue du calage, la première analyse à porter sur ces résultats concerne la cohérence entreles paramètres. Pour un événement pluvieux, il est « logique » de retrouver aux mêmes causesles mêmes effets. Les événements du 24.11.03 et du 16.12.03 semblent donner raison à cettethéorie. Les valeurs à une exception près (valeur de KH au 16.12.03) sont du même ordre degrandeur. Cette exception est d’ailleurs en désaccord avec le modèle développé par [Uhl etHenrichs, 2005] qui donne une valeur de 1,89 pour la constante de Henry.Lysimètre 1 Lysimètre 4 LysimètreParamètre4 124.11.03 16.12.03 24.05.04 24.11.03 16.12.03 24.05.04 16.12.03kf 9,4 8 5 5 5 5 -K_CR - 0,25 2,35 0,3 0,3 0,3 0,18Kr 0,34 0,24 2,22 0,23 0,23 0,07 0,26KH 0,6 1,28 0,67 0,65 0,65 3,11 1,89Tableau 18 : Paramètres du modèle simplifié après calage1 : Données issues des simulations de [Uhl et Henrichs, 2005]Analyse des performances par rapport à la DCOLe calage de la constante de réaction K_CR diverge sensiblement d’un événement à l’autre. Ilsemble difficile de faire des rapprochements entre les différents événements dans un mêmelysimètre. Les différences sont d’autant plus fortes quand les temps qui séparent lesévénements sont importants. Par exemple, il existe un facteur 10 entre les constantes K_CRde l’événement des 16.12.03 et 24.05.04 et donc une dégradation 10 plus importante lors decette seconde alimentation. Cette forte variation pourrait avoir une explication plus« biologique » des procédés de dégradation que purement physique puisque des meilleuresperformances sont enregistrées en période pré-estivale.Les graphiques suivants représentent deux profils de concentration pour l’ensemble desfractions de la DCO T dans la dernière couche du lysimètre 1.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 61/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionFig19 : Concentration en DCO T en aval du lysimètre 1 au 16.12.03.Après calage du paramètre K_CR, une relativement bonne corrélation entre mesures et profilscalculés est observée. La propagation du flux polluant a mis exactement 6 heures pourtraverser le lysimètre. Cependant le modèle ne peut expliquer la mesure de 16mg/l enregistrée2,5h après le début de l’infiltration. Il peut s’agir d’un détachement de biofilm des grains dusubstrat sous l’effet « érosif » des premiers écoulements.La fraction particulaire (X DCO ) est quasiment nulle. Selon cette simulation, la composition dela DCO T en aval est 2/3 sous forme inerte soluble et 1/3 sous forme soluble biodégradable.Cette même opération sur l’événement du 24.05.04 aboutit à éliminer complètement lafraction S DEG . La forte concentration en amont (cf. Tableau 14) contraint en effet d’appliquerune constante de dégradation proportionnelle. Même si ce résultat n’est pas faux à priori, ilparaît suspect d’observer de telles différences entre les événements. Une explication à mettreen avant est peut-être une surreprésentation de la fraction S I dans le fractionnement de laDCO. L’absence de mesure de DCO F sur l’événement du 24.11.03 empêche de confirmercette hypothèse.RemarqueLes formes carrées des profils sont liées à la façon dont sont rentrées les données sousAquasim. Il fait en effet l’hypothèse que, pour chaque fraction de DCO (et pour NH 4 + ), laconcentration en entrée est la même pendant toute la durée du filtre. Cette hypothèse grossièrepermet néanmoins de donner une bonne estimation des concentrations de sortie. La formeexponentielle de la courbe à la fin de simulation (i.e. quand la vitesse de filtration estredevenue nulle) est caractéristique d’une réaction cinétique d’ordre 1. La dégradation sepoursuit en effet au-delà de l’alimentation pour tendre vers une valeur de 16mg/lcorrespondant à la fraction S I de la DCO.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 62/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionConclusionA la vue de ces résultats, il apparaît que :هles concentrations de DCO ne peuvent être uniquement expliquées par des mécanismes basés sur l’élimination de la pollution entrante.En effet, l’état initial du filtre joue probablement un rôle dans l’explication des concentrationsen début d’événement. Il convient également de s’interroger sur l’importance de cettecontribution pendant le reste de l’événement. Le dernier graphe présenté semble donner unélément de réponse : le pic observé de 34mg/l suggère qu’il pourrait s’agir d’un phénomènetransitoire.هla filtration ne peut être ici correctement modélisée. Le coefficient de filtration calé par le programme n’a pas de réalité profonde. La distinctionDCO T /DCO F est en effet trop faible pour quantifier ce phénomène.هLe manque de données mesurées ne permet pas de trancher sur la réalité d’une modélisation de biodégradation par une réaction cinétique de premier ordre.Il semble en effet que cette solution convienne pour des événements où le profil desconcentrations avales reste relativement constant.Analyse des performances par rapport à l’ammoniumContrairement à la DCO qui a été par abus considérée comme sans interaction de typesorption avec le sol, la concentration en ammonium montre un autre statut. En effet au lieu dese produire dès la sixième heure, les premières concentrations significatives sont enregistrées15h après le début de l’alimentation. Elles témoignent d’une adsorption de l’ammonium sur lamatrice du sol. Cette augmentation en fin d’événement semble montrer une saturation dessites d’adsorption du sol. Cependant, là encore, de nouvelles campagnes de mesures devrontêtre entreprises pour confirmer ce point.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 63/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionFig20 : Simulations des concentrations en ammonium pour les 3 événements (lysimètre 1)Le graphe ci-dessus confirme l’analyse portée au regard des résultats numériques de calage.Sur cette simulation, le modèle a été calé sur l’événement du 24.05.04 (courbe verte). Il endécoule qu’il n’est pas possible de quantifier de façon unique les performances du filtre parrapport à l’ammonium. Néanmoins en se plaçant à l’échelle d’un événement isolé, lesrésultats sont plus qu’acceptables comme le montre la courbe verte.Plusieurs points méritent d’être soulignés :هPour un événement considéré isolé, les performances d’élimination de l’ammonium sont correctement modélisables à partir du modèle isotherme de Henry. Cela tend à affirmerque l’adsorption serait le mécanisme prépondérant dans l’atténuation de la chargeammoniacale au cours de l’alimentation.هCette adéquation entre valeurs calculées et mesurées disparaît dès lors qu’il s’agit de décrire le comportement du filtre sur plusieurs événements.هLe calage du modèle sur l’événement du 24.11.03 ne donne pas de bons résultats en raison de concentrations en ammonium supérieures à 2mg/l mesurées dès le début del’expérience.La raison de ce « relargage » en ammonium reste difficile à interpréter. La réception de fortescharges d’ammonium (de 30 à 32 g/m²) lors des événements précédents pourrait être la causeMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 64/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentiond’une nitrification incomplète dans les lysimètres. [Uhl et al., 2005] rapporte qu’au-delà d’unecharge de 13g/m², les rendements sur l’ammonium commencent à décroître sérieusement.L’arrivée d’un nouveau flux aurait entraîné la désorption de l’azote avant son oxydation. Cettehypothèse est renforcée par la forme particulière du profil. Deux phases de croissance sesuccèdent : une première commençant vers 6h et la seconde plus forte 15h après le début. Lapremière augmentation de la courbe (entre 6 et 15h) pourrait correspondre à de l’ammoniumnon adsorbé en raison de l’occupation d’une partie des sites du filtre.ConclusionLa description de la réduction de l’ammonium par le modèle d’adsorption de Henry fournit debons résultats dans le cas d’un événement isolé. En revanche, adapter cette description sur unesuccession d’événements qui présentent les mêmes caractéristiques exige une modificationsignificative des paramètres de calage. Cette observation laisse à penser l’existence d’uneinfluence de l’état initial dans lequel se trouve le filtre, état lié au développement d’unemicroflore bactérienne sur le substrat.Améliorations testéesConditions initialesEn vue de se rapprocher d’une description plus fine de la réalité, il a été dans un premiertemps proposé de formuler des conditions initiales dans le filtre. Des concentrations enammonium et en DCO F fictives ont été fixées. Cette solution ne montre pas d’améliorationssensibles du modèle. En effet, elles sont dégradées dans le filtre comme la pollution entrantetandis que les courbes avales font état d’un profil constant.Chaîne de réacteurs en sérieUn filtre de rétention peut aussi se modéliser grâce à des réacteurs fermés parfaitement agités.Chacun représente une couche du filtre. En reliant en série un nombre suffisant de cesréacteurs, on rend compte par une approche discrète d’un réacteur type colonne saturée. Danschaque section de la colonne cela équivaut à supposer une répartition parfaite dans tout levolume des pores. Simulée sous Aquasim, cette alternative permet de fixer des conditions deconcentrations en DCO à différentes profondeurs dans le filtre. Cette chaîne fictive quicorrespond au résultat graphique ci-dessous peut être schématiquement représentée par 10réacteurs en série. Le volume des réacteurs est déduit du volume de fluide mobilisé dans lefiltre pendant l’infiltration (volume de lysimètre multiplié par la porosité efficace). Lesnombres en dessous sont les concentrations initiales en mg/l de DCO F pour chaque réacteur.Ils représentent l’état initial dans lequel se trouve le filtre. Le choix de concentrationsdécroissantes est fait de sorte à rendre compte de l’adsorption qui se fait majoritairement dansla partie haute du filtre.Entréex 6Sortie32 32 28 28 24 20 16 16 12 12Fig21 : Représentation schématique de réacteurs en sérieMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 65/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionFig22 : Représentation des concentrations en DCO F dans différents réacteurs en sérieOn observe la propagation de la concentration en DCO F’ dans le filtre. Celle-ci diminue au furet à mesure à chaque nouveau réacteur. Dans le dernier réacteur se caractérise par uneaugmentation plus douce de la concentration apportée par chacun des réacteurs amont. Cettemodélisation permet de se rapprocher des données mesurées pendant cet événement. Certainsauteurs estiment cependant que cette modélisation repose sur une hypothèse trop fragile, àsavoir la répartition immédiate du flux polluant en chaque section du filtre.Influence du degré d’ordre de la réactionLe degré de la réaction influence sur le taux de dégradation de MO. A un ordre élevé estassociée une dégradation plus importante. En effet, pour une même constante réactionnelledavantage de matière sont consommées. Le graphe ci-dessous a été obtenu avec desconstantes de 5,5 ; 0,15 et 0,0045 pour des ordres de réaction de 0, 1 et 2. Un renseignementintéressant est surtout donné par la forme des courbes en fin d’infiltration. Les concentrationsse terminent par une phase décroissante liée à la dégradation de la substance et à la find’apport de MO. Cette décroissance est de plus en plus ralentie quand l’ordre augmentesuivant une forme exponentielle. Cette forme particulière pourra être exploitée dans unsecond temps pour rendre compte par exemple de la décomposition bactérienne.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 66/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionConcentration en DCOFConcentration [mg/l][mg/l]25201510500 10 20 30 40Temps [h]Ordre 0 Ordre 1 Ordre 2Fig 23 : Profil de concentrations en DCOF pour des ordres de réaction différentsIntroduction de la dispersionDes essais à l’uranine ont été réalisés sur le lysimètre 4 en phase de saturation. Il est observéque la dispersion joue un rôle relativement important sur le transport d’une substance inertedissoute. Dans cette expérience, le temps d’apparition du traceur est de 4h après l’introductionde l’uranine. Le profil s’étale en sortie sur une bande de 5 heures.3,E-033,E-032,E-032,E-031,E-031,E-035,E-04-1,E-050 2 4 6 8 10 12Temps [h]Mesures TraceurD=0,15m²/h - theta=0,25Fig24 : Calage de la dispersion et de la porosité sur un essai de traceurCet essai montre l’effet non négligeable de la dispersion sur le transport d’une substanceinerte. Cet effet peut être proprement modélisé par Aquasim (courbe bleue). Cependant pourparvenir à ce résultat, la porosité à été réduite à 0,25. Ce changement a de fortes conséquencessur le temps d’apparition (plus court d’une heure si la porosité effective est réduite de 0,3 à0,25) montrant la sensibilité de ce paramètre.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 67/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionDm²/hFig25 : DCO sans modèle de dispersion (gauche) et avec (droite) sur lysimètre 4.Les deux graphiques ci-dessus pour l’événement du 24.11.03 se distinguent pour plusieursraisons : les formes des profils sont plus arrondies à droite (dispersion) la survenue du front est plus tardive sur le graphe de gauche (porosité donc volume àparcourir plus grand) la concentration en DCO T est 5mg/l supérieure pour et quelques finesapparaissent en sortie (conséquence d’un séjour hydraulique plus court dans le corpsdu filtre donc d’une dégradation moins importante)4.5.1.2 Résultats obtenus sur colonnesEn raison de la composition particulière des effluents, la répartition des fractions de DCOn’est plus la même que pour les lysimètres. La DCO est entièrement sous forme dissoute. Ellesera considérée comme rapidement biodégradable.Les processus simulés sont donc : dégradation par réaction cinétique du premier ordre adsorption suivant le modèle de HenryInfluence des paramètres K H et KrLes paramètres de calage en adsorption changent suivant les colonnes mais également suivantles alimentations. Cependant chaque événement est caractérisé par une certaine adsorption.Les paramètres vont changer souvent dans le même sens bien que les charges hydrauliques etpolluantes desservies ne soient pas modifiées.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 68/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionInfluence du paramètre K_CRCe paramètre varie dans un domaine de 0,75 à 2,6 h -1 pour l’ensemble des 20 calages. Lecalage change suivant la colonne mais reste constant au cours des 4 événements. Il restenéanmoins hasardeux de penser que ce processus de dégradation de la DCO F ne change pas.Les sondes de mesure ne sont pas suffisamment précises pour une détermination exacte de laDCO pour des concentrations inférieures à 5mg/l. Le calage de K_CR s’est donc basé sur desdonnées identiques de sortie (mesures constantes de 5mg/l) pour chacune des colonnes.Mesure de la dispersion des valeursLa variation des valeurs des paramètres peut s’évaluer aussi à l’aide de la formule de l’erreurmaximale relative. L’erreur s’écrit par exemple pour le paramètre K H :Err_ max (K H ) = max K H i−K H(20)K HOù K Hi désigne la constante de Henry pour la colonne d’expérimentation i et K H la moyennearithmétique des K Hi au cours d’un événement. Sur la série de paramètres calés, il est possiblede calculer cette erreur sur chaque événement puis d’en faire la moyenne ou d’en extraire lemaximum. Le tableau suivant rassemble ces valeurs.ParamètreDomaine devariation de valeursErr_maxmoyenne (%)Err_maxmaximum(%)constante de Henry 2-3 22 45Taux d’adsorption 0,1-0,4 38 64Constante de0,75-2,6 60 66dégradationTableau 19 : Mesures de dispersion des valeurs de calageCes résultats ne portent que sur une petite série de valeurs (5 pour chaque événement), il estdonc peu approprié de développer des outils statistiques trop pointus à partir de ce faiblenombre de données. On remarque toutefois que, d’après ce tableau, l’erreur la plus grande estfaite sur K CR . Ce n’est pas un paramètre très sensible.Recherche des paramètres d’influence et analyse de sensibilitéPuisque le mode d’exploitation des colonnes a été identique, il a été recherché les distinctionsentre les caractéristiques des colonnes. Celles-ci sont principalement la porosité et la vitessed’infiltration (cf. Tableau 15). Les vitesses d’infiltration permettent de comparer les colonnesS9 et S12 ensemble avec les autres La porosité isole la colonne 9 uniquement.A partir du peu de données fournies, il est difficile de dresser de véritables conclusions quantà une influence majeure de ces paramètres sur l’adsorption de l’ammonium. En revanche, àforte porosité (colonne 9) est associée une faible constante K_CR. De même, une légèrecorrélation entre K_CR et la vitesse d’infiltration semble se reconnaître sur certainsévénements.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 69/97de MALGLAIVE Amaury

K_CR [1/h]Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétention2,52y = 46,64x - 0,024R² = 0,9571,510,500,02 0,03 0,04 0,05Vinf [l/s/m²]Fig26 : Evolution de la constant de réaction K_CR avec l’infiltrationQuand cette vitesse augmente, la dégradation a tendance également à croître. Ce résultatsemble un peu contradictoire en imaginant que pour des temps de contact substrat/effluentplus importants (donc des vitesses plus faibles), la dégradation devrait être favorisée. Cela secomprend en sachant que le modèle se cale suivant des conditions aux limites. Enl’occurrence, il s’agit des concentrations amont/aval de DCO. Ces conditions sont fixéesconstantes pour chaque colonne (50 et 5mg/l en entrée/sortie). Le programme va donccalculer le taux de dégradation associée à cette même performance.L’adsorption linéaire du modèle de Henry est un processus pour lequel deux paramètres sontcalibrés : K H et Kr. Leur influence est mesurée sur la concentration en ammonium à partir desfonctions « absolute-relative » présentées en 4.3.2. Celle-ci montre une sensibilité beaucoupplus grande de K H en milieu de simulation quand la concentration augmente (cf. Annexe 5).Cette sensibilité est visible sur le graphe ci-dessous où sont tracées les sorties en ammoniumde lysimètre pour une gamme de valeurs de K H entre 0 et 1 kg/l. La valeur de cette constante aune influence sur la concentration maximale adsorbée surtout lorsque K H dépasse 0,7kg/l. Ellejoue également sur le temps d’apparition des concentrations en NH 4 + .Fig27: Concentrations en NH 4 + pour différentes valeurs de K H sur lysimètreMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 70/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionComparaison d’échelleLe passage d’une échelle à une autre figure parmi les objectifs de ce modèle. Parmi lescolonnes, celle dont les caractéristiques sont les plus proches des lysimètres est la colonne 9(même porosité, vitesse de filtration de 0,02 l/s/m² pour la colonne et 0,01 l/s/m² pour leslysimètres, épaisseur de substrat proche). Il est donc ici testé sur le modèle de lysimètre lesvaleurs des paramètres (K_CR, Kr, K H ) de la colonne 9.Fig28 : Simulations de lysimètre avec paramètres de colonneLa qualité des résultats est difficile à estimer bien que pour l’événement du 24.05.04 la courbese rapproche des valeurs mesurées (graphique de gauche). En revanche, les mécanismesd’adsorption de l’ammonium ne sont pas de la même ampleur en colonne et en lysimètre. Legraphique de droite montre des courbes caractéristiques d’une forte adsorption.Conclusion sur l’utilisation d’un modèle simplifiéCe modèle avait pour objectif de décrire convenablement les courbes de concentrations ensortie de dispositifs expérimentaux. Dans cette première étape, seuls les profils de DCO etNH 4 + ont été analysés. Le profil de concentration en nitrates est en effet lié à la phase detemps sec antérieure.L’ajustement des paramètres de calage permet une bonne description de la dégradation de laDCO F sur colonne. Ce point pourra être pris en défaut si les appareils de mesure ont unemeilleure résolution. Ce calage semble moins sensible aux variations de milieu quel’adsorption de l’ammonium. Cette remarque rejoint les observations microbiologiquesconcernant la sensibilité des autotrophes à un changement d’environnement.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 71/97de MALGLAIVE Amaury

Concentration en O2 [mg/l]Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétention A l’échelle d’un événement isolé, l’élimination ou plutôt la rétention de l’ammonium estassez bien représentée par un modèle simplifié d’adsorption linéaire. Cette rétention est sensiblement influencée par les charges délivrées lors des événementsantérieurs tandis que la dégradation de la MO semble être plus fonction de la chargepolluante. La dégradation de la MO par une réaction cinétique de premier ordre ne s’applique quedans les cas de faibles charges polluantes, c'est-à-dire pour lesquelles les concentrationsmesurées en aval restent constantes. La modélisation sous forme d’une chaîne de réacteurs permet de reproduire plusfidèlement les profils mesurés en entrée mais impose une hypothèse forte : celle del’homogénéité des écoulements dans chaque couche du filtre. Afin d’étendre cette description à plusieurs événements, il convient de tenir compte desphénomènes survenant pendant la phase de temps sec.4.5.2 Résultats obtenus sur modèle évoluéRésultats avec simulation de biodégradation pendant l’infiltrationLe choix de simuler les processus d’adsorption et de dégradation simultanément provientd’un souci de décrire le passage en phase anaérobie constaté dans les premières tranches dusol. La diminution de l’oxygène dans le volume de rétention n’a cependant pas été considéréedans le processus de dégradation. Pour cette raison, il a été choisi de rentrer un profilparticulier de concentration qui permet de justifier cette simplification.1210864200 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Temps[h]Fig29 : Profil artificiel d’oxygène à la surface du filtreMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 72/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionLa modélisation de l’oxygène a été faite sous deux phases. En effet, l’oxygène dissous esttransporté d’une part par infiltration vers la sortie du filtre et d’autre part intégré dans descinétiques bactériennes. Pour simuler la consommation aérobie des bactéries, une part del’oxygène doit être « retenue » par le biofilm. Ce phénomène a été symbolisé sous la formed’un changement fictif de la phase fluide à une phase adsorbée. Bien que ce procédé ne puisseêtre justifié, on remarquera que cette hypothèse permet de se rapprocher des profilsexpérimentaux de la figure 18 (cf. Annexe 5). Il est difficile ici d’estimer la part de l’oxygènedu filtre qui est simplement en équilibre avec l’oxygène dissous entrant C_O2 et la partréellement consommée par les microorganismes.Associée à la consommation de cet oxygène, il est observé une augmentation du nombre debactéries dans la zone immédiate sous la surface. Il n’est pas simulé ici de décompositionbactérienne et c’est pourquoi ce nombre reste même constant suite à l’aération (cf. Annexe 5).Ce résultat est en accord avec la prépondérance des mécanismes d’adsorption/dégradationdans cette zone active du filtre.Les principales difficultés rencontrées à partir de ce point est de parvenir à calibrer lesrésultats obtenus. Pour quantifier la nitrification, il est possible de se baser sur les pics deconcentration en nitrates observés à chaque nouvel événement suivant une période de tempssec. Les simulations menées n’ont cependant pas permis de calibrage convenable de cephénomène. Sur le graphique présenté en Annexe 5, le relargage dure ici 4h alors que souventils s’étendent sur plusieurs dizaines d’heures. Il y a vraisemblablement un phénomène desorption des nitrates à modéliser.Conclusion sur les résultats de modèle évoluéLa construction de ce modèle basé sur un couplage adsorption/dégradations cinétiques du typeMonod montre la possibilité de modéliser les filtres de rétention sur plusieurs événements.Cependant, aucun calibrage significatif n’a permis de prédire correctement les concentrationsen nitrates observés lors de l’événement suivant. Le modèle de Monod qui s’applique enthéorie sur des concentrations « en solution » a été employé sur des concentrations adsorbées.C’est de cette façon qu’a été en effet reproduite la rétention des nutriments pendantl’alimentation. Durant cette phase, la diffusion de l’oxygène dans le filtre est un point délicatde la modélisation. Dans cette étude, le manque de données expérimentales concernant lacomposition exacte de la DCO F ou les concentrations en oxygène en aval de filtre ne permetpas de valider les simulations testées. Le montage du pilote automatisé avait pour vocation defournir les données à une recherche plus approfondie de ce modèle. Ce pilote est présentédans la partie qui suit. La présentation des sondes de mesures et de leurs comportements estégalement détaillée.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 73/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétention5. CONSTRUCTION du PILOTE EXPERIMENTAL5.1 Description du projetLe fleuve Emscher fait, sur un tronçon de 80kms de long, l’objet d’un projet de renaturationbaptisé Emscher-Zukunft. Passant à travers le territoire minier de la Ruhr, le fleuve a étéfortement pollué par des métaux lourds. Parmi les affluents de l’Emscher, l’Aabach est uncours d’eau dont la ville de Bottrop s’est servie comme canal d’évacuation des EU déverséesde temps de pluie. Pour réduire l’impact global de ces rejets a été mise en place uneinstallation de filtre de rétention (mise en service depuis 2008). Elle est conçue pour traiter leseffluents débordés associés à une période de retour mensuelle.Fig30 : Photos du filtre (gauche) et du canal d‘alimentation (droite) en période sèche5.1.1 Présentation du dispositifLe pilote expérimental est constitué de deux montages en série de deux lysimètres chacun. Ilsont été installés sur ce site de façon à être directement alimentés à partir des effluents du canald’alimentation.Fig31 : Système d’alimentation simultané des deux lysimètres « bâches »La reproduction du même montage en deux exemplaires permet une rapide vérification desrésultats analysés. Un premier lysimètre joue le rôle de bâche d’alimentation. Il est ainsipossible de contrôler avec exactitude la charge qui sera déversée sur le filtre. Le secondlysimètre représente à l’échelle 1:1 le filtre dans le sens de la longueur. Le lysimètre a étérempli en trois couches successives: gravier, sable de l’installation réelle puis gravier ànouveau pour protéger la surface de l’érosion. Le couvert végétal n’a pas été reproduit enraison de son impact mineur sur la rétention de l’ammonium. Les parois du lysimètre limitentMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 74/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionla propagation des racines dans une seule direction. Cela favorise des écoulements qui nesauraient décrire la réalité des RBF.Des échantillons en entrée, sortie et en milieu de lysimètre sont prélevés, stockés à unetempérature de 4°C puis analysés sous 24h par un laboratoire spécialisé. Chaque prélèvementse compose en réalité de 15 échantillons mélangés. Ce mélange assure une visionreprésentative de l’effluent sur une période de 2h. Un système de sondes automatisé en avalanalyse les variations des paramètres polluants (DCO, NH 4 + , MES, conductivité, pH) au coursdes événements. Les données brutes seront ensuite calibrées grâce aux échantillons delaboratoire analysés.Des sondes supplémentaires viennent renseigner sur des paramètres internes du filtre. Ainsiseront mesurées : La température La teneur en eau ou hygrométrie L’oxygène dissousLes descriptions techniques relatives à la disposition des sondes et aux dimensions del’ouvrage sont présentées en annexe 4.5.1.2 Présentation des sondes de mesures en continuAmmolyserL’électrode de mesure de l’ammonium est dite « ion-sensitive ». Celle-ci est en effetconstituée d’une membrane dont les pores favorisent les échanges ioniques d’une tailledonnée. En l’occurrence elle facilite le passage des ions ammonium. Dans la composition deseaux usées se trouvent d’autres ions qui peuvent également traverser la membrane et fausserla mesure. C’est le cas des ions K + (potassium) qui ont des propriétés chimiques (nuageélectronique) proches de celles de l’ammonium. D’autres paramètres influencent aussi lamesure de l’ammonium à savoir la température et le pH. D’après les informations publiéespar le site d’Eaufrance, le rapport NH 4 + /NH 3 décroît lorsque le pH et la températureaugmentent. La valeur de ce rapport R est donnée par la formuleR =Avec T, la température exprimée en °C.1(20)1+1010−pH −0,03.TMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 75/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionTempératureElectrode de pHBuse de nettoyageTerreElectrode de référenceElectrode d’ammoniumElectrode de potassiumFig32 : Electrodes de mesure de l’AmmolyserSpectrolyserLe spectrolyser est un appareil de mesure optique qui enregistre un spectre d’absorption de200 à 735nm. A partir de la courbe obtenue, il peut calculer par différents algorithmes lesconcentrations des polluants suivants : Nitrate MES DCO T et DCO FSon domaine d’application permet de descendre jusqu’à une précision de 0,01mg/l. Latempérature est un facteur d’influence qui sera automatiquement compensé.Principe de mesureLa mesure du spectre se fait à l’aide de deux détecteurs. Le premier émet une onde (ou plutôtun signal lumineux) dans le milieu à analyser. Cette onde parvient au second détecteur quimesure la déformation du signal incident et en déduit l’absorption du milieu pour cettelongueur d’onde précise. Cette opération est répétée une seconde fois pour valider cettepremière mesure. L’absorption d’un milieu rend compte des substances présentes et de leursconcentrations dans un milieu (plus l’onde est absorbée, plus la substance est concentrée).CondulyserCette sonde mesure sur la solution La conductivité électrique (µS/cm) La température (°C)Principe de mesureLa mesure de cette grandeur utilise l’existence des courants induits. La tête de la sonde estcomposée de deux anneaux émetteur et récepteur. Le premier envoie un champ électriquedans le milieu qui génère alors une tension induite. Le récepteur mesure cette tension qui estdirectement proportionnelle à la quantité d’espèces chargées en solution et donc à laconductivité.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 76/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétention5.2 Analyse des appareils de mesure5.2.1 Analyse de résultats de laboratoireAvant d’installer un appareil de mesures destiné à analyser des phénomènes instationnaires,plusieurs caractéristiques sont à vérifier. C’est le cas des sondes de mesures de concentrationsdes effluents pour au moins deux raisons :1) Il a été vu au paragraphe 2.4.1 que la composition des eaux unitaires pouvait changerd’un événement pluvieux à l’autre voire au cours du même événement.2) Le passage au sein d’un matériau poreux a pour conséquence de modifierl’hydraulique des écoulements mais aussi des profils de concentrations.Tester donc des sondes de mesures avant leur mise en exploitation sur site est donc un gage decompréhension sur des phénomènes par nature complexes et imbriqués.L’analyse des données du système de mesure se base sur 3 composantes : Détermination des temps de réponses des sondes ammonium et potassium Vérification de la linéarité des appareils Mesures de reproductibilitéDétermination des temps de réponseLes paramètres mesurés réagissent avec des temps différents à un changement des conditionsde milieu. En ce qui concerne le spectromètre, la mesure est quasi instantanée puisque qu’elleest l’équivalent d’une photographie du milieu. Les paramètres sont censés être fixés sousl’hypothèse d’un mélange parfaitement homogène.Selon le fournisseur, les sondes ammonium et potassium de l’ammolyser sont réputées avoirune certaine inertie dans la mesure d’une solution de concentration donnée. Cette lenteur estliée au principe même de ces sondes. Leur membrane très fine est conçue de façon à favoriserle passage d’un type précis d’ions. L’atteinte d’un équilibre entre la solution électrolyte et lemedium peut prendre plusieurs dizaines de minutes.Cet équilibre est comme on l’a vu influencé aussi par le pH et la température.MéthodeL’objectif de ces premières mesures est de quantifier cette inertie à l’aide des temps deréponse caractéristiques t90 et t95. Il a donc étudié des variations successives de solutionschoisies volontairement élevées de façon à se placer dans le cas le plus défavorable. Lesconcentrations en ammonium en sortie de filtre sont souvent comprises entre 0 et 10 mg/l.Une marge de sécurité est prise en testant une solution à 20 mg/l et 1 ou 2 mg/l pour ledomaine des faibles concentrations. Les solutions standard sont préparées avant d’introduireles sondes dans le milieu qui est agité en permanence.RésultatsLe premier graphe reprend ce qui a été annoncé ci-dessus : 6 alternances de solutions sonttestées. Les trois premières entre les solutions 2 et 20mg/l, les suivantes entre les solutions 1et 20mg/l.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 77/97de MALGLAIVE Amaury

N-NH4 [mg/l]Concentration N_NH4 [mg/l]Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionLe second graphe zoome sur chacune des 3 dernières alternances et y associe les tempscaractéristiques t 90 et t 95 .25201510500 5 10 15 20 25 30 35 40Temps [min]Fig33 : Concentrations en ammonium sur différentes solutions standard 1,2 et 20 mg/l25201510t90t95500,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0Temps [min]Fig34 : Caractérisation des temps de réponse de la sonde ammoniumMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 78/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionUn fait souvent constaté sur des appareils présentant un retard dans la réponse est une pluslongue période pour passer du domaine des faibles aux fortes valeurs. Pour cette sonde, ils’observe que les temps caractéristiques sont au moins deux fois plus importants quand lechangement de concentrations se fait vers le haut. Un point qui apparaît néanmoins clairementest qu’au bout de deux minutes, la valeur mesurée sera très acceptable. Des temps de réponselégèrement supérieurs ont été mesurés pour la sonde potassium (t 90 =5min et t 95 =7min). Lastabilisation des valeurs de pH et de température ne dépassent pas quant à elles 15 minutes(sur eaux usées).Vérification de la linéarité des sondesPrincipe de calibrationLa composition des eaux usées variant d’un lieu à un autre une calibration des données nepeut se faire qu’à partir des données de terrain. Une comparaison avec les échantillonsprélevés simultanément permet alors de rectifier les données enregistrées par le système. Lesgraphiques suivants résument ce principe. Sur celui de gauche sont distribuées les donnéesbrutes en fonction des données analysées (hypothèse de linéarité). La calibration permet depasser au second graphique en réajustant la pente et l’ordonnée à l’origine. Cette solutionsimple permet à partir d’un logiciel de tableur de donner des informations quantitatives sur leparamètre analysé.DonnéesbrutesDonnéesrectifiéesDonnées laboDonnées laboFig35 : Principe de calibration des données brutesCette hypothèse de linéarité est vérifiable à partir de mesures sur des solutions deconcentrations standards. Il est ainsi possible de reproduire le graphique de gauche. Unexemple de courbe de fonction en escalier est donné en annexe 7. Cette expérience a pu êtreréalisée sur 4 paramètres :- Ammonium- Potassium- DCO F- NitratesMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 79/97de MALGLAIVE Amaury

Concentration N_NO3 [mg/l]Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionPour chacun d’entre eux, les coefficients de détermination issus des régressions linéairesétaient supérieurs à 0,98. Les sondes ont donc montré sur cet aspect des résultats très positifs.Cependant un résultat inattendu a été observé : au-delà d’une concentration de 50 mg/l ennitrates, la relation de linéarité qui existait disparaît au profit d’une relation parabolique. Uncertain recul est donc à adopter sur la validité de mesures dans cette plage haute desconcentrations (>35mg/l).10090807060y = 0,8986x - 0,0828R² = 0,9914Valeurs non prises encompte dans la régression504030201000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Concentration standard N_NO3 [mg/l]Fig36 : Concentrations en nitrates mesurées sur des solutions standards5.2.2 Premiers résultats issus du piloteMesure 1 Mesure 2 Mesure 3 Mesure 4Au moment de la rédaction de cette étude les premières alimentations du filtre viennent decommencer. L’implantation du biofilm peut mettre entre 3 semaines et 2 mois avantd’atteindre pleinement ses fonctions d’épuration. Une première alimentation a cependant eulieu et des échantillons ont pu être analysés en laboratoire. Ils représentent la constitutionmoyenne de l’effluent pendant l’événement aux différents points de mesure.Paramètre Eau distillée Entrée de Sortie de Sortie de Sortie delysimètre lysimètre colonne RBFMES 40 42-45 40 40 35-NO 3 – 3,1 2,1 1,7 1,7DCO T 27,5 46 33,5 32 32DCO F 2,7 14 7,4 8,5 8,5+NH 4 – 17 - 37 9,7 - 14,3 4,5 4,4pH – 7,7 8,45 8,1 8,1K – 0,25 0,25 0,4 0,5Tableau 20 : Mesures sur échantillons réels des paramètres caractéristiquesMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 80/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionL’interprétation des données précédentes est à faire en termes de tendance pour les paramètresdu spectromètre. En effet, cette sonde n’a reçu de calibration que celle du fournisseur. Lamesure d’une concentration en MES ou de matières organiques sur de l’eau distillée faitpenser que cette calibration reste adaptée à une gamme d’effluents différents de ceux enentrée/sorite de RBF.Néanmoins il apparaît : une réduction des valeurs de tous les paramètres entre l’entrée et les différentes sortiesde filtre (exceptions faites de la concentration en potassium et du pH) une composition des effluents en sortie de colonne très proche de celle du rejet du RBF une légère augmentation du pH entre l’entrée et la sortieMême sans pouvoir le quantifier, ces premiers tests sont un signe positif du bonfonctionnement des filtres. Les concentrations semblables en aval des colonnes et dans le rejetlaissent présumer l’existence d’un phénomène d’adsorption, résultat un peu contradictoireavec les mesures d’ammonium sur lysimètre plus élevées. Le sable ne présentant pas de trèsbonnes propriétés d’adsorption, ces mesures de concentration en ammonium semblentdouteuses. Certaines anomalies pendant l’exploitation de la sonde avaient été constatées lorsdes dernières semaines (temps de réaction imprévisibles, pas de valeur fixe existante).L’augmentation de pH reste encore aussi difficile à expliquer.Dans l’ensemble, ces premières mesures sont encourageantes car correspondent à une réalitéattendue. Il convient de remarquer que ces expériences ont été menées dans des conditionsoptimales. Malgré cela, des temps de réponses de plusieurs minutes sont nécessaires à chaqueparamètre pour se stabiliser. Ce point n’avait pas été constaté sur les solutions standards. Ilpourra être un obstacle à une quantification précise des phénomènes qui varient parfois avecdes pas de temps horaires.-pH K + +NO 3 DCO F DCO MES NH 4t [min]15 30100250Fig37 : Temps moyens d’atteinte de valeurs constantes pour les paramètres caractéristiquesMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 81/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionCONCLUSIONConclusion généraleLes filtres de rétention constituent à l’heure actuelle une des techniques prometteuses pour letraitement des eaux pluviales. Ils demandent une exploitation régulière mais qui resterelativement simple. Pour autant, les processus qui permettent ce traitement sont complexespour plusieurs raisons différentes. Interviennent en effet une composition d’effluentsrelativement variable, des écoulements eux aussi instables dans le temps (phases derepos/phases d’alimentation) et des mécanismes de rétention physiques et biochimiquesinternes synchrones ou asynchrones.L’objet de cette étude a été de mieux comprendre quels étaient les processus expliquant laréduction des pollutions organique et azotée.Pour cela, le logiciel Aquasim s’est révélé un outil adapté à la simulation des modèlesexpérimentaux en phase saturée. Une première modélisation a mis en lumière quelques pointsimportants :L’élimination de l’ammonium est relativement bien décrite par un phénomène d’adsorption.Les variations constatées lors d’essais identiques réalisés à quelques jours d’intervalle tendentà montrer la prépondérance d’une adsorption biologique.Une seconde modélisation basée sur des considérations de processus biologiques a permis dereproduire partiellement les résultats expérimentaux constatés. Le pic de nitrates en estl’exemple le plus significatif. Cette modélisation s’est heurtée à quelques difficultés majeures.La modélisation du transfert de l’oxygène dans le filtre aurait besoin d’être décrite de façonplus « physique », ce qui ne saurait se passer d’un suivi rigoureux des paramètres décrivantles conditions de milieu.Le nouveau projet mis en place au LWW a pour projet de lever le voile sur certaines de cesquestions en assurant cette observation quasi permanente des lysimètres. Les sensibilités deces sondes sont diverses et il convient de garder un regard critique sur les données qui serontmesurées. Les premiers tests des sondes montrent des propriétés adaptées au suivi desinstallations (temps de réponse, linéarité). Des mesures sur les premiers échantillonsamont/aval montrent des résultats cohérents avec la réalité de l’installation.PerspectivesL’exploitation des données du pilote s’inscrit dans la droite ligne de cette étude. Les donnéesfournies par ce dispositif devraient permettre de compléter les lacunes du modèle (oxygène) etde conforter certaines hypothèses (succession des processus, localisation de biofilm…).Certains points devront être particulièrement soignés dans l’exploitation de ce pilote. Latransformation des données brutes en données corrigées, le contrôle du fonctionnement dessondes par comparaison des installations figurent parmi les tâches du LWW dans lesprochains mois.Une meilleure compréhension du comportement des filtres de rétention au repos sera l’un deses objectifs principaux. Des analyses de sensibilité sur les paramètres de modèle caléspermettront de mieux estimer l’ampleur des phénomènes interagissant. La construction descénarios adaptés aux particularismes de chaque site pourra à long terme se concrétiser.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 82/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionBIBLIOGRAPHIE travaux de recherche du LWW ou en collaboration avec d’autres organismesBOFIEIG: Erstellung eines Eignungsnachweises für Filtersubstrate fürRetentionsbodenfilter. Kurzfassung. Fachhochschule Münster und Technische UniversitätKaiserslautern, 2008.MUNLV: Retentionsbodenfilter, Handbuch für Planung, Bau und Betrieb. Land duNordrhein Westfalen, 2003.UHL M., HENRICHS M.: Simulationsmodelle für Retentionsbodenfilter zurMischwasserbehandlung. Fachhochschule Münster, 2005.UHL M., MAUS C., PERREFORT T. : REBEWI, Klärtechnische Wirksamkeit vonRegenbecken in der Stadtentwässerung. Fachhochschule Münster, 2009. articles de conférencesTous les 3 ans est organisé le forum intitulé « International Conference on Urban Drainage ». Il réunittous les acteurs agissant dans le domaine de l’assainissement urbain. Les 10 et 11 èmes éditions ont eulieu à Copenhague, Danemark en 2005 et Edinburgh, Royaume-Uni en 2008.FRECHEN F.B., SCHIER W., FELMEDEN J.: Plant-cover retention soil filter FuldaFellenweg for advanced CSO Treatment - a ten year field report. 2005.HATT B.E., FLETCHER T.D. et DELETIC A.: Improving stormwater quality throughbiofiltration: Lessons from studies field. Monash University, Australia. 2008.LANGEVELD J.G., LIEFTING H.J. et VELTHORST: Storm water sewers: pollution levelsand removal rates of three full scale storm water treatment facilities in Arnhem.Netherlands. 2008.UHL M., DITTMER U. et FUCHS S.: Soil filter for enhanced treatment of CSO -Recommendations and development in Germany. 2005. Ouvrages de synthèse de différents travaux de rechercheCERTU. La ville et son assainissement : Principes, méthodes et outils pour une meilleureintégration dans le cycle de l’eau. Lyon, 2003. 503p. ISBN 2-11-094083-2HUISMAN L. et WOOD L.E.: Slow Sand Filtration. World Health Organization. Geneva,(1974). Cité dans Task Committee in SSF, American Society of Civil Engineers. Ed. Gary S.Logsdon. (1991) ISBN 0-87262-847-7HUNZE, M.: Simulation in der kommunalen Abwasserreinigung. OldenbourgIndustrieverlag (2005), pp 126-152 et 256-264. ISBN 3-486-63073-3LANGERGRABER G. et SIMUNEK J.: The Multi-Component reactive transport ModuleCW2D for constructed wetlands for the Hydrus Software package. (2006)REICHERT, P.: AQUASIM 2.0-User Manual and Tutorial, Computer Program for theIdentification and Simulation of Aquatic Systems. EAWAG, Schweiz, (1998).Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 83/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétention Travaux de thèses, mémoires et cours spécialisésAMAMRA A. Traitement des eaux usées des petites collectivités par les procédéslagunage naturel et lits filtrants. Travail de fin d’études de master: ENGEES Strasbourg,2001. 75 p.COUPE-CANU E. : Adaptation de la filière filtres plantés de roseaux aux réseauxunitaires. Travail de fin d’études d‘ingénieur: ENGEES Strasbourg, 2005. p. 107.DITTMER, U.: Prozesse des Rückhaltes und Umsatzes von Kohlenstoff- undStickstoffverbindungen in Retentionsbodenfiltern zur Mischwasserbehandlung. Thèse:Technische Universität Kaiserslautern (2006), pp 17-38. ISBN 3-939432-16-4HAHN H. H.: Wasser-technologie, Fällung, Flockung und Separation. Springer-Verlag(1987), pp 163-172. ISBN 0-387-17967-4HELMER-MADHOK C.: Kinetik mikrobieller Stoffumwandlungsprozesse. Chap 6.Üniversität Hannover, Allemagne (2006).SADOWSKI A.-G.: Introduction au traitement des eaux usées. Tome I. ENGEES, 2008. articles de journaux scientifiquesVANDERBORGHT J., KASTEEL R. et al.: A set of analytical benchmarks to testnumerical models of flow and transport in soils. Vadose Zone Journal 4. Soil ScienceSociety of America. Segoe Rd., Madison, WI 53711 USA, 2005. pp 206-212.WICHERN M., LINDENBLATT C., KEHL O. et al.: Modellierung derAbwasserreinigungsleistung eines bewachsenen Sandfilters mit vorgeschaltetem SBR.Wasser-Abwasser N o 6, 2008. pp 509-516. Citations d’ouvragesCHOCAT, B. et al. : Encyclopédie de l’hydrologie urbaine et de son assainissement. Paris,Ed. Lavoisier. Tec et Doc., 1997. 1124p. Cité par [COUPE-CANU, 2005].COTTET : La pollution des eaux pluviales en zone urbaine. ENPC. Agence financière debassin Seine-Normandie, 1980. Cité par [COUPE-CANU, 2005].HUTSON J.L.: Leaching Estimation and Chemistry Model – Model description anduser’s guide. 2001. Cité par [UHL et HENRICHS, 2005].KADLEC R.H., KNIGHT R.L.et al.: Constructed Wetlands for Pollution Control-Processes, Performance, Design and Operation. IWA Scientific and Technical Report N o 8,London, 1996. Cité par [DITTMER, 2006].LAMBERT B.: Bodenkundliche Begleituntersuchungen am RetentionsbodenfilternFellenweg, BIOPLAN-Landeskulturgesellschaft. Rapport confidentiel. Sinsheim, 2000.Cité par [DITTMER, 2006].LIJKLEMA, L et al.: Biological Assessment of Effects of CSOs and StormwaterDischarges. Ed. Ellis: Urban Discharges and Receiving Water Quality Impacts. Oxford, 1989.pp 37-46. Cité par [MUNLV, 2003].SCHEFFER/SCHACHTSCHABEL Lehrbuch der Bodenkunde. 13. Editions Enke –VerlagISBN 3-432-84773-4, 1992. Cité par [MUNLV, 2003].Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 84/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionSommaire des annexesANNEXE 1 : PRESENTATION DES PROJETS DU LWW EN 2009 ........................................................................... 86ANNEXE 2 : ETUDE DES RENDEMENTS EN MES SUR 15 INSTALLATIONS DE TRAITEMENT ................................ 88ANNEXE 3 : PRESCRIPTIONS TECHNIQUES A LA MISE EN ŒUVRE DE RBF ........................................................ 89ANNEXE 4 : ETUDE PORTANT SUR LE SUIVI DE 5 RBF ...................................................................................... 91ANNEXE 5 : DONNEES DE MESURES ET RESULTATS DE MODELE ...................................................................... 92ANNEXE 6 : PRESENTATION DES DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX ...................................................................... 94ANNEXE 7 : ANALYSE DE RESULTATS COMPLEMENTAIRES DE LABORATOIRE ................................................... 96ANNEXE 8 : CONSIDERATIONS CINETIQUES: EXPLICATION DU MODELE DE MONOD ....................................... 97Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 85/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionAnnexe 1 : Présentation des projets du LWW en 2009هREBEWI : projet visant au développement des connaissances du fonctionnement des bassins d’orage. Des essais de tracer complétés par des simulations numériques ontpermis la détermination des temps de rétention des particules, les vitesses desédimentation et la répartition des courants au sein de plusieurs installations.هKALIMOD : projet qui se base sur l’exploitation d’un modèle open source hydrogéologique du même nom. Ce dernier permet de faire correspondre leshydrogrammes mesurés à l’exutoire de bassin versant avec ceux calculés par lemodèle à partir de données entrées par l’utilisateur (pente, ruissellement…). Plusieurscritères de calage sont en option comme la correspondance des volumes ou des pointesde débit.هGENAU : projet de recherche sur l’incertitude associée à la mesure de débit en réseau d’assainissement ou en canal. Projet mené en collaboration avec l’entreprise Nivus,l’INSA Lyon et l’ENGEES. Campagnes de mesures sur le réseau d’assainissement dela ville de Münster.هGISBREIN : étude qui s’est intéressée aux impacts des à-coups hydrauliques sur les populations d’invertébrés des milieux aquatiques de tout le Nordrhein-Westfalen.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 86/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionAnnexe 2 : Etude des rendements en MES sur 15 installations de traitementOuvrageV S / q ANombred‘événements MES [%](normé)Ecoulements de voiries Réseaux séparatifs Réseaux unitaires1) moyenne arithmétique des performances mesurées2) performances en terme de charges sédimentaire3) performances en termes de concentrationsComparaison des rendements en MES sur bassins d’orageRejets de réseau unitaireDB : bassin d’orageSKU : canal de stockageRejets de réseau séparatifRKB : bassin d’orageRKBmD : bassin d’orage avec stockage permanentSource [REBEWI, 2009]Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 87/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionAnnexe 3 : Prescriptions techniques à la mise en œuvre de RBFCes recommandations sont pour la plupart extraites de [MUNLV, 2003].Domaine de tailles desgrainsPourcentage moyen derépartitionArgiles et limon (2mm) 0Répartition des constituants des matériaux dans le corps du filtrePropriétés du solObligations /RecommandationsObjectifTeneur en argiles etlimons6%Hygrométrie suffisante pour les roseauxet les microorganismesOrigine du matériau Non récupéréGarantir une sécurité contre le relargagede substances dangereusesCaractéristiques des propriétés du filtre (en gras les plus importantes)Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 88/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionPropriétés desroseauxPlante aquatiqueFeuillage denseConditions decroissanceRétention dessédimentsRétention d’élémentsminéraux nutritifsDescriptionPeut survivre pendantplusieurs jours à desniveaux d‘eauatteignant 30cm.Surface du filtreprotégée par lesfeuilles des roseauxTolérance pour des pHvariant de 4,2 à 8,2 etadapté à plusieursnatures de solsDéveloppement d’unecouche d’humus pardépôt sédimentaireAugmentation de lasurface de rétentionjusqu’à 10m² par m² defiltreUtilisation etrestitution de N et PCommentaireProtection du filtre contre : Les événements pluvieux intenses Le développement d’espècesvégétales différentesImplantation possible pour filtre à sableAjout de carbonates possible en surfacePropriétés de rétention renforcées grâceaux: Phénomène s de filtration etd’adsorption cationique de cettecouche superficielle Surfaces des feuilles sur plantsPeu d’influence sur la rétention car leséléments prélevés par la plante serontaprès sa mort restitués dans le sol.Besoins en eau importants Aucune autre espèce végétale ne doitvenir concurrencer le roseau.Avantages et inconvénients du roseau utilisé en tant que couverture de filtreEffetsur lefiltre++++0-RemarqueUne période complète de croissance de la plante est à observer scrupuleusement avant toutealimentation du filtre en effluent. Celle-ci a besoin de pouvoir développer pleinement sonsystème racinaire et feuillu pour pouvoir ensuite résister aux charges hydrauliques etpolluantes (sédiments) hautement variables.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 89/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionAnnexe 4 : Etude portant sur le suivi de 5 RBFDans le Land de Nordrhein-Westfalen 5 installations ont été analysées.Leurs points communs : Alimentation par un système unitaire avec des concentrations moyennes en DCO Tvariant de 60 à 225 mg/l (Fulda). Une hauteur d’eau annuelle entre 15 et 20 m/an Un écoulement contraint en aval 0,007-0,04 l/s/m² F Un couvert végétal intégrant des roseauxLeurs différences : Le substrat de filtre (Sable ou Sol limono-argileux) Les conditions d‘exploitation (avec ou sans rétention) La fréquence des alimentations par an : 5 à 30-40/anLes deux graphiques qui suivent décrivent les résultats pour l’ammonium et la DCO.Rendements de dégradation en DCO et en ammonium d’après [MUNLV, 2003]On observe à l’exception d’Alsdorf: De bons résultats sur l’élimination de la DCO: Rendement > 75% De meilleurs rendements sur l’ammonium pour les filtres avec sol argileux (Fulda–Waldangeloch) que pour les filtres en sable de 60 à 70%.Les concentrations en aval restent à peu près du même ordre de grandeur :Paramètre Plage de répartition moyenne [mg/l]DCO 5* - 20NH 40 - 2Concentrations en DCO et NH + 4 en aval de 5 RBF, d’après [MUNLV, 2003]Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 90/97de MALGLAIVE Amaury

C_N03 - [mg/l]DCO [mg/l]Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionAnnexe 5 : Données de mesures et Résultats de modèles353025201510500 5 10 15 20 25Temps [h]DCO_TDCO_FConcentrations en DCO T et DCO F mesurées en aval du lysimètre 140353025201510500 5 10 15 20 25Temps [h]24.11.2003 16.12.2003 24.05.2004Concentrations en nitrates en sortie de lysimètreMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 91/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionFonctions de sensibilité de la concentration en NH 4 + sur lysimètreProfils de concentrations en O 2 adsorbé et en hétérotrophesProfils de concentrations en nitrates lors d’une seconde alimentationMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 92/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionAnnexe 6 : Présentation des dispositifs expérimentauxPrésentation des expériences menées dans le cadre du projet BOFIEIGLe calendrier qui suit a été réalisé afin de faire un recensement des données existantes puisd’en assurer une sélection appropriée. Parmi les critères de tri figurent leur degré de précision,l’étendue des valeurs, la date à laquelle l’expérience a été effectuée.2006 2007Données J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N DFichier 1Fichier 2Fichier 3Fichier 4Fichier 5Fichier 6Fichier 7Fichier 8Calendrier des campagnes de mesure sur colonnesLes cases plus ou moins foncé distinguent les expériences suivant la charge hydrauliqueappliquée sur la colonne. En vert foncé correspondent les expériences avec une charge de2,5m 3 /m 2 tandis qu’en rose clair, les colonnes ont été alimentées par une charge de 0,5m 3 /m 2 .Volume de rétentionCouche de gravier protectrice 5cmSubstrat 75cmCouche de gravier drainante 25cmReprésentation schématique d’une colonne de laboratoireMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 93/97de MALGLAIVE Amaury

50412200cm9560602525101015Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétention4 Couche protectriceSubstratGravier fin (2-4 mm)Gravier grossier (4-8 mm)Vidange: Cône de prélèvement rempli de gravier, 2-4mm: Sonde hygrométrique: Sonde oxygèneReprésentation schématique du nouveau pilote : lysimètre équipé avec sondesSource: [BOFIEIG, 2008]Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 94/97de MALGLAIVE Amaury

Concentration N_NH4 [mg/l]Concentration K+ [mg/l]Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionAnnexe 7 : Analyse de résultats complémentaires de laboratoire1210864200 5 10 15 20 25 30Temps [min]t90 t95Détermination des temps de réponses de l’électrode de potassium25201510500 5 10 15 20 25 30 35 40Temps [min]Mesures en ammonium sur des solutions de concentrations croissantesMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 95/97de MALGLAIVE Amaury

Nombre de bactériesMécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionAnnexe 8 : Considérations cinétiques: explication du modèle de MONODLes bactéries sont des organismes asexués qui se reproduisent par scissiparité. Leur mode decroissance est donc exponentiel puisqu’à chaque nouvelle génération, la population estdoublée. Le temps T 1/2 mis par une bactérie pour se multiplier est caractéristique de l’espècemais dépend aussi de différents facteurs extérieurs comme le pH ou la température. A 20°C,une bactérie peut en moyenne se multiplier par 2 toutes les 20 minutes.L’observation du développement d’une culture bactérienne unique sur un substrat limitéprésente quatre phases caractéristiques :2341tPhases de croissance d’une culture bactérienne pure (gauche) etde leur mode de fonctionnement (droite) d’après PHEM technologies1 : Phase de latence : Accoutumance des bactéries à leur environnement, synthèse despremières enzymes.2 : Phase de croissance exponentielle : Les bactéries se reproduisent.3 : Phase stationnaire : Arrêt de la reproduction, les bactéries vivent sur leurs réserves.4 : Phase de déclin : Le nombre de bactéries diminue, elles se " mangent " entre-elles(prédation).Les cinétiques de réactions enzymatiques peuvent être décrites à l’aide du modèle deMICKAELIS-MENTEN (1913) et du modèle de MONOD (1942) pour les réactions dedégradation bactérienne.En système fermé et sous les hypothèses d’une disponibilité infinie de substrat et de l’absencede produits de réaction inhibiteurs, la formation de biomasse s’écrit :R X = ∂X∂t = µ × XAvec µ, le taux de croissance spécifique de l’espèce bactérienne en h -1 , X la populationbactérienne et R X l’augmentation de cette population.Le taux de croissance µ dépend de plusieurs facteurs dont notamment la quantité de substratdisponible. Pour prendre en compte cette limitation de substrat, Monod propose la formulesuivante pour µ :µ = µ maxCsCs + KsOù µ max représente le taux maximum de croissance en h -1 , Cs la concentration du substrat etMémoire de Fin d’Etudes ENGEES 96/97de MALGLAIVE Amaury

Mécanismes de réduction de pollution dans les filtres de rétentionKs la constante d’affinité pour une bactérie donnée pour un substrat donné limité en mg/l.La vitesse de croissance est pour finir :R X = µ maxCsCs + Ks × XPlusieurs limites sont cependant à formuler. Ce modèle ne prend pas en compte de : la période d’adaptation des microorganismes au substrat (cf. schéma ci-dessus) la réaction de catabolisme par laquelle le substrat est partiellement consommé pour laproduction d’énergie (cf. paragraphe 3.2.4). la compétition qui existe entre les espèces de bactériesµ max est unique à chaque substrat et pour chaque espèce de bactérie, Ks correspond à laconcentration pour laquelle µ vaut la moitié de µ max . Plus la valeur de Ks sera petite, plusl’affinité de la bactérie pour le substrat sera grande.En raison des mesures difficiles de l’augmentation du nombre de bactéries, la variation de labiomasse est mesurée par rapport à la vitesse de dégradation du substrat:R S = − dCsdtUn facteur de transformation Y X/S décrit le passage d’une vitesse à l’autre :Y X/S = R XRs =dXdt− dCsdt= KX − XoCo − C(t)R S = 1Y X/S× µ × X = 1Y X/S× µ maxCsCs + Ks × XEn général, à une même espèce de bactérie correspond plusieurs substrats. Le modèle peutêtre élargi en considérant le taux de croissance comme une combinaison de produits :Cs1µ = µ maxCs1 + Ks1 × Cs2Cs2 + Ks2C’est à partir de ce dernier modèle que sont construites les équations de nitrification et dedégradation de la matière organique présentées dans ce rapport.Mémoire de Fin d’Etudes ENGEES 97/97de MALGLAIVE Amaury