Cette thèse explore le potentiel des filtres plantés de roseaux améliorés par des Lombricidés comme solution décentralisée et durable pour le traitement et la réutilisation des eaux usées domestiques. L’étude a été menée sur une plateforme expérimentale à l’échelle semi-industrielle située sur le campus de l’Université de Toulouse (France), en adoptant une approche pluridisciplinaire combinant modélisation hydro-biocinétique, suivi de la qualité de l’eau, analyses biomoléculaires et microbiologie. Les filtres ont fonctionné sous des charges organiques relativement élevées (1,5 m² par équivalent-habitant), offrant un cadre réaliste pour évaluer les performances du système. Les résultats montrent que l’inoculation de vers de terre peut améliorer le comportement hydraulique des filtres en augmentant le temps de séjour moyen de l’eau et en limitant les phénomènes de court-circuit hydraulique. Ces effets mettent en lumière le rôle potentiel des vers comme ingénieurs écologiques capables d’améliorer la distribution de l’eau dans le substrat et de limiter le colmatage. Bien que les performances globales d’élimination de la matière organique, de l’azote et des pathogènes soient restées comparables entre les systèmes témoins et les systèmes bioaugmentés. L’approche de modélisation intégrée a révélé des mécanismes compensatoires : l’augmentation du temps de séjour dans les systèmes avec vers a en partie compensé des cinétiques de dégradation plus lentes, aboutissant à des performances globales similaires. Les analyses de biologie ont mis en évidence des changements significatifs dans la structure et la composition des communautés bactériennes, ainsi qu’une augmentation de l’abondance microbienne dans les systèmes avec vers. Si les modifications des voies fonctionnelles liées à l’azote sont restées limitées, la présence des vers semble avoir stimulé les fonctions microbiennes impliquées dans la dégradation des matières organiques récalcitrantes. Ces améliorations microbiennes se traduisent par une élimination légèrement améliorée de la plupart des résidus pharmaceutiques étudiés (Aténolol, Benzoylecgonine, Clarithromycine, Diclofénac, Irbésartan, Métoprolol, Acide mycophénolique et Sulfaméthoxazole) et une moindre accumulation de ces composés dans le substrat des filtres, accompagnée d’une réduction de l’abondance des gènes de résistance aux antibiotiques (Int1 et Sul1). Les niveaux d’élimination des pathogènes, en particulier d’E. coli, sont restés inférieurs aux seuils requis pour une réutilisation en ferti-irrigation, quelle que soit la configuration testée. Dans l’ensemble, ce travail met en lumière le rôle prometteur des Lumbricidés comme ingénieurs écologiques, capables d’améliorer le fonctionnement hydraulique et de modifier les communautés microbiennes dans les filtres plantés de roseaux. Il identifie également des limites critiques à surmonter pour exploiter pleinement le potentiel de ces systèmes en matière de réutilisation des eaux usées, notamment des facteurs de conception (type de substrat, charges appliquées), des défis expérimentaux (colonisation croisée non contrôlée, stabilité limitée des conditions expérimentales), et des composantes importantes du système qui n’ont pas été étudiées (dynamique de la couche de dépôt). |
This doctoral research explores the potential of earthworm-assisted constructed wetlands (EW-assisted CWs) as a decentralized and sustainable solution for domestic wastewater treatment and reuse. The study was conducted on a semi-industrial experimental platform located on ToulouseUniversity campus (France), and adopted an interdisciplinary approach combining hydro–biokinetic modeling, water quality monitoring, metagenomic profiling, and microbiological analyses. The CWs operated under relatively high organic loading conditions (1.5 m² per population equivalent), and provided a realistic framework for evaluating the system performances. Results demonstrate that earthworms (EW) inoculation can improve the hydraulic behavior of CWs by increasing mean hydraulic residence time while limiting short-circuiting phenomena. These effects highlight the potential of EWs as ecosystem engineers to enhance water distribution in the substrate and mitigate clogging. Although overall removal performances for organic matter, nitrogen, and pathogens remained comparable between control and bioaugmented systems, the integrated modeling approach revealed compensatory mechanisms: the increased water residence times in EW-assisted CWs partially compensated for slower degradation kinetics, leading to overall similar treatment performance. Metagenomic and functional analyses revealed significant shifts in bacterial community structure and composition, together with increased microbial abundance in EW-assisted systems. While changes in nitrogen-related functional pathways were limited, the presence of EWs appeared to stimulate microbial functions involved in the degradation of recalcitrant organic matter. These microbial enhancements translated into slightly improved removal of most pharmaceutical residues studied (Atenolol, Benzoylecgonine, Clarithromycin, Diclofenac, Irbesartan, Metoprolol, Mycophenolic acid, and Sulfamethoxazole) and reduced accumulation within the substrate, along with a decrease in substrate’s abundance of antibiotic resistance genes (Int1 and Sul1). Pathogen removal levels, particularly for E. coli, remained below the thresholds required for safe reuse in fertigation, regardless of the configuration tested. Overall, this work highlights the promising role of EWs as ecosystem engineers capable of enhancing both hydraulic functioning and modifying microbial communities in CWs. It also identifies critical limitations that need to be addressed to fully address and evidence EW-assisted CW potential for wastewater reuse, including design factors (e.g., substrate type, loading rates), experimental challenges (e.g., uncontrolled cross-colonization, limited experimental conditions stability), and unassessed variables (e.g., sludge deposit layer dynamics). |