German Dario Martinez-Carvajal

Etude des filtres plantés de roseaux par la tomographie à rayons X: L'encrassement et le colmatage font partie des principales difficultés rencontrées dans l’exploitation des Filtres Plantés de Roseaux (FPR) et sont même susceptibles d’en affecter les performances. Différentes techniques ont été mises au point pour en mesurer indirectement l’effet que ce soit au travers de grandeurs physiques (e.g. la réduction de la conductivité hydraulique), chimiques (e.g. la composition des matières encrassantes) ou biologiques (e.g. activité enzymatique) dans les filtres plantés de roseaux. Cependant, peu d’approches s’intéressent à la structure géométrique de l’espace poreux qui, de fait, contrôle les mécanismes de filtration des matières en suspension. Cette thèse introduit l’usage de la tomographie à rayons X comme technique d’imagerie pour l’étude des FPR. Cette technique est non-destructive et produit des images de la structure interne des filtres en 3 dimensions à une très grande résolution. Des images obtenues à partir d’échantillons prélevés sur des FPR ont permis de mettre en évidence la présence de trois phases: les vides, la matière encrassante et les graviers. Une méthodologie permettant d’extraire et de scanner les échantillons et de segmenter l’image afin d’en identifier les phases constituantes a été mis en place. Des méthodes de pointe en traitement d’image ont été utilisées pour estimer des propriétés à l’échelle du pore. La représentativité spatiale des images a été étudiée : (i) une étude du volume élémentaire représentatif pour la fraction volumique des phases préconise un diamètre minimal d’échantillon de 1.5 cm. Pour éviter la déformation des échantillons pendant leur extraction un diamètre minimal de 5 cm reste nécessaire, (ii) les propriétés à l’échelle du pore ont été comparées entre des échantillons extraits à différents emplacements dans une zone d’un FPR dans laquelle la distribution spatiale de la conductivité électrique a été trouvée homogène grâce à l’emploi d’un conductimètre électromagnétique. Les mesures à l’échelle du pore ont montré de fortes similarités. Enfin, la tomographie à rayons X a été utilisée pour suivre temporellement les modifications de la structure de la matrice poreuse d’échantillons issus d’un FPR au cours d’une expérience de séchage représentative d’une période de repos afin d’évaluer l’impact de cette dernière sur les phénomènes de colmatage et d’encrassement. Bien que le gradient d’évaporation mesuré ait été faible (2 mm/j), une réduction importante de l’épaisseur de la couche de dépôt a été observée (avec des chutes allant de 12 à 34% de la hauteur initiale). Des effets au sein du gravier ont également été remarqués et soulignent le rôle essentiel de la période de repos dans le maintien d’une macroporosité et la possibilité pour l’air de pénétrer dans la microporosité de la matière encrassante dans les FPR

Clogging constitutes a major operational issue for treatment wetlands. The rest period is a key feature of French Vertical Flow (VF) treatment wetlands and serves to mitigate clogging. An ex-situ drying experiment was performed to mimic the rest period and record structural changes in the porous media using X-ray Computed Tomography (CT). Samples containing the deposit and gravel layers of a first stage French VF treatment wetland were extracted and left to dry in a control environment. Based on CT scans, three phases were identified (voids, biosolids, and gravels). The impact of the rest period was assessed by means of different pore-scale variables. Ultimately, the volume of biosolids had reduced to 58% of its initial value, the deposit layer thickness dropped to 68% of its initial value, and the void/biosolid specific surface area ratio increased from a minimum value of 1.1 to a maximum of 4.2. Cracks greater than 3 mm developed at the uppermost part of the deposit layer, while, in the gravel layer, the rise in void volume corresponds to pores smaller than 2 mm in diameter. Lastly, the air-filled microporosity is estimated to have increased by 0.11 v/v.