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The effluents loaded with synthetic and natural dyes are difficult to remove; therefore it becomes necessary to find alternative methods to treat dyes that are recalcitrant to conventional treatments. Nowadays, Advanced Oxidation Processes (AOPs) are increasingly used and Fenton process is one of these technologies. In this work, the discoloration of Naphtol Blue Black (NBB) by Fenton process was studied. The Effects of operating parameters such as the nature of the acid and pH, the concentrations of hydrogen peroxide, iron and dye, temperature and stirring speed, the presence of salts, anions, metallic cations and the influence of real matrices, were examined. For a initial concentration of NBB equal to 30 mg/L, an efficiency of 98 % was obtained under pH = 3, SS = 250 rpm and [H2O2] = 55 mg/L. Les effluents chargés de colorants synthétiques et naturels sont difficiles à éliminer. Il devient donc nécessaire de trouver d'autres méthodes pour traiter les colorants qui sont récalcitrants aux traitements conventionnels. De nos jours, les procédés d'oxydation avancés (POA) sont en plein essor et le procédé Fenton est l'une de ces technologies. Dans ce travail, on a étudié la décoloration du Naphtol Blue Black (NBB) par le procédé Fenton. Les effets des paramètres opératoires tels que la nature de l'acide et du pH, les concentrations de peroxyde d'hydrogène, de fer et de colorant, la température et la vitesse de rotation, la présence de sels, d'anions, des cations métalliques et l'influence de matrices réelles ont été examinés. Dans les meilleures conditions opératoires, pH = 3, vitesse d’agitation = 250 rpm, [H2O2] = 55 mg/L, une efficacité de 98% a été obtenue.

The present work reports the immobilization of different photocatalysts generally synthesized in a powder form into a polymer matrix via a photopolymerization process. The obtained materials are more technologically advanced and more easily recoverable and regenerable, avoiding than the usual time-consuming and expensive recycling methods. The targeted photocatalysts materials used in this work are green, stable and low-cost materials such as POMs, MOFs and Perovskites.The synthesized composites were fully characterized by various characterization techniques such as SEM, TEM, EDX, DRX, FIR, ATG / ATD, DMA, AFM, RPE… In addition, several organic pollutants were photodegraded in the presence of these materials including Bisphenol-A, Ibuprofen, Acid Black… The contaminants decomposition kinetics were monitored by UV-Visible spectrometry and the identification of degradation mechanisms was based on mass spectrometry analyzes bibliographic data.The last part of this work was devoted to a comparative study between the photocatalytic efficiencies, the mechanical rigidities, the thermal stabilities as well as the reuse of the various synthesized photocomposites. The difference in efficiency was subsequently explained based on the gap energies and fluorescence intensities of the different developed photocomposites., Le présent travail porte sur l’immobilisation de différents photocatalyseurs généralement synthétisés sous une forme poudreuse dans une matrice polymère via un processus de photopolymérisation. Les matériaux obtenus sont plus aboutis technologiquement et plus facilement récupérables et régénérables ce qui permet d’éviter les méthodes usuelles de recyclage chronophages et coûteuses. Les matériaux ciblés dans le cadre de cette thèse sont des matériaux verts, stables et à faible coût tels que les POMs, les MOFs et les Pérovskites. Les composites synthétisés ont été caractérisés d’une manière complète par diverses techniques de caractérisation telles que le MEB, TEM, EDX, DRX, FIR, ATG/ATD, DMA, AFM, RPE…En outre, plusieurs polluants organiques ont été photodégradé en présence de ces matériaux tels que le Bisphénol-A, l’Ibuprofène, l’Acid Black…Le suivi de cinétique de décomposition a été réalisé par spectrométrie UV-Visible et l’identification des mécanismes de dégradation a été basé sur des analyses de spectrométrie de masse accompagnée d’une recherche bibliographique approfondie. La dernière partie de ces travaux de thèse a été consacrée à une étude comparative entre les efficacités photocatalytique, les rigidités mécaniques, les stabilités thermiques ainsi que les durabilités des différents photocomposites synthétisés. La différence d’efficacité était par la suite expliquée en se basant sur les énergies de gap et les intensités de fluorescence des différents systèmes développés.

Les décharges en phase gazeuse couplées avec les liquides est une branche relativement nouvelle de la physique des plasmas. Le développement des applications technologiques basées sur les plasmas-liquides dans des domaines tels que la médecine, le traitement de matériaux, la remédiation environnementale, etc., est très prometteur. Cependant, la compréhension de la nature de l’interaction plasma-liquide est indispensable pour pouvoir développer les applications. Dans ce mémoire, composé de trois sections, nous avons étudié l’interaction d’un plasma d’air, généré par une décharge à courant alternatif (AC), et couplé directement avec l’eau. Tout d’abord, une présentation générale des systèmes plasmas-liquides et ses applications pour le traitement des eaux est faite dans le Chapitre 1. Chapitre 2, un article publié dans Journal of Physics D: Applied Physics, est une étude de la dynamique spatio-temporelle d’un plasma d’air produit par une décharge AC entre une électrode pointe et la surface de l’eau. Chapitre 3, un article publié dans Plasma Chemistry and Plasma Processing, représente une investigation sur les différents modes de décharges AC en contact avec l’eau et sur l’efficacité de chaque mode pour dégrader un polluant organique modèle (bleue de méthylène)., Gas phase discharges in contact with liquids is a relatively novel research field in plasma physics. Plasma-liquid systems are very promising for various technological applications, such as medicine, solid-state physics, and environmental remediation. However, further development of the applications requires understanding of plasma-liquid interactions. In this thesis, interaction between an air plasma directly coupled in contact with water is studied. This thesis includes three chapters. Chapter 1 presents a general introduction of the plasma-liquid interactions and their applications in water treatment. Chapter 2, an article published in Journal of Physics D: Applied Physics, is an investigation of the spatial and temporal dynamics of an air plasma produced by AC discharge between a pin electrode and water. Chapter 3, an article published in Plasma Chemistry and Plasma Processing, is an investigation of the various modes produced by an AC-driven air discharge in contact with water. The electrical characteristics of each discharge mode are presented in detail, and variations in water properties (namely water acidity and conductivity) are also discussed. The efficiency of each discharge mode on the degradation rate of methylene blue, a standard pollutant, is also reported.

Increased consciousness for protecting the urban environment has prompted a search for alternative techniques for the removal of toxic metal ions from road runoff, which have been found efficient and inexpensive. Biosorption is one of the most attractive and promising techniques to remove dissolved micropolluants, due to its use of organic and ecological products, as well as its high efficiency. This research project consists of evaluating the adsorption capacity of flax byproducts produced in Normandy, in order to examine the best conditions for full-scale testing of a filtration device of urban runoff. The choice of this material is due to its great availability in the Normandy region and aims to promote local products. The study carried out consists first of all in investigating the phenomenon of competition between the three ions of zinc, copper and lead by carrying out adsorption tests on flax fibers in two types of solutions, ternary and monometal solutions. Then, the phenomenon of desorption of these ions by flax fibers is studied under various conditions using different desorbing agents. The study is afterwards oriented towards the use of an activated carbon from flax shives to improve the purification performance of flax. Finally, adsorption at low concentrations, equivalent to those of road runoff, is analyzed and behaviors at low and high concentrations are compared., L’urgence de protéger l’environnement urbain des inondations incite le développement de nouvelles techniques pour dépolluer les eaux de ruissellement, qui se doivent d’être efficaces et peu coûteuses. La biosorption est l’une des techniques les plus attractives et prometteuses pour éliminer les micropolluants dissous, en raison de son recours à des produits biologiques et écologiques, ainsi que sa grande efficacité. Ce projet de recherche consiste à évaluer la capacité d’adsorption des coproduits de lin produites en Normandie, dans l’objectif d’examiner les meilleures conditions pour tester en vraie grandeur un dispositif de filtration des eaux de ruissellement urbaines. Le choix de ce matériau revient à sa grande disponibilité dans la région de la Normandie et vise la valorisation des produits locaux. L’étude réalisée consiste dans un premier temps à investiguer le phénomène de compétition entre les trois ions de zinc, cuivre et plomb en menant des essais d’adsorption sur les fibres de lin dans deux types de solutions, trimétallique et monométalliques. Ensuite, lephénomène de désorption de ces ions par les fibres de lin est étudié dans divers conditions en utilisant différents agents de désorption. L’étude est également orientée vers l’emploi d’un charbon actif d’anas de lin en vue d’améliorer la performance épuratoire du lin. Enfin, l’adsorption à faibles concentrations, équivalentes à celles des eaux de ruissellement, est analysée et les comportements à faibles et fortes concentrations sont comparés.

In 2013, SIAAP (the interdepartmental association for sewage disposal for the Paris conurbation) launched a program to upgrade the Seine Aval (SAV) plant, the largest wastewater treatment plant in Europe. This upgrade program, which is scheduled to be finalized in 2022, aims to adapt the plant to the urbanization of the Paris region and to regulatory requirements. After the upgrade, the wastewater treatment will be realized by two parallel treatment lines: (i) the biofiltration line and (ii) the membrane bioreactor line (MBR). The configuration of the treatment after the upgrade of the station will be complex, which provides several local and global operation choices to realize the wastewater treatment. To evaluate the economic and environmental impacts of these operation choices and identify the best choices based on treatment needs, support tools such as models simulating the performance of treatment processes are required. This thesis presents the modelling work for the biofiltration line of the Seine Aval plant after its upgrade in 2022. The modelled line is composed of a primary settling process, three stages of biofiltration and a tertiary clarification process. Considering the progress of the upgrade program, a modelling strategy for the biofiltration line is first proposed. This strategy defines the order of modelling for the treatment steps of the biofiltration line and the control rules to be integrated in the biofiltration line model. Then, the SimBio model and SimDec model, which respectively simulate the treatment performance of biofiltration and physico-chemical settling process, are modified and improved in order to build process models for each treatment step of the biofiltration line. The process models are calibrated and validated with data from the plants of SIAAP. After calibration and validation, the models are connected in order to build the model for the biofiltration line. Control rules and evaluations of treatment costs and environmental impacts are integrated in the biofiltration line model. Finally, to evaluate the potential for using the biofiltration line model as a tool for treatment optimization, several operation scenarios are tested and analysed. According to the results obtained, in general, the performance of each treatment step modelled can be well predicted by the process models. The built biofiltration line model is able to indicate the advantages and disadvantages of the operation scenarios and help to identify the optimum operation choice. It therefore has the potential to be used as a tool to help optimize the biofiltration line of the Seine Aval plant., En 2013, le SIAAP a lancé un programme pour moderniser la station Seine Aval, la plus grande STEP en Europe. Après la modernisation, la configuration de traitement de la station sera complexe. Pour évaluer les impacts économiques et environnementaux des choix d’exploitation et identifier les meilleurs choix en fonction des besoins de traitement, les outils de support, comme les modèles mathématiques des procédés de traitement sont demandés. Cette thèse présente la modélisation de la filière biofiltration de la station Seine Aval après sa modernisation. La filière est composée d’un procédé de décantation primaire, de trois étages de biofiltration et d’un procédé de clarification tertiaire. Une stratégie de modélisation est d’abord proposée. Ensuite, les modèles SimBio et SimDec, qui simulent respectivement le fonctionnement de la biofiltration et de la décantation lamellaire physico-chimique sont améliorés afin de construire les modèles de procédés individuels de la filière. Après la calibration-validation, les modèles sont assemblés afin de construire le modèle de la filière biofiltration. Les règles de commandes et les évaluations des coûts et des impacts environnementaux sont intégrées. Enfin, pour évaluer le potentiel d’application du modèle filière comme un outil d’optimisation, des scénarios d’exploitation sont testés et analysés. Selon les résultats, la performance de traitement de chaque procédé modélisé peut être bien prédite par les modèles de procédés individuels. Le modèle de la filière biofiltration construit est capable d’indiquer les avantages et les inconvénients des scénarios d’exploitation et d’aider à identifier le choix d’exploitation optimum.

1. Les métaux : des substances polluantes Parmi les substances chimiques qui présentent un danger reconnu pour l’homme et l’environnement, les métaux et leurs composés (organométalliques ou organiques) occupent une place importante. Plusieurs métaux et métalloïdes sont naturellement présents dans la croûte terrestre comme le plomb (minerai la galène), le zinc (blende), l’arsenic (mispickel), ou encore le chrome (chromite). Ces substances font également partie de notre quotidien car elles entr...

1. Introduction Les rejets des activités industrielles dans les milieux aquatiques sont à l’origine de préoccupations environnementales et sanitaires car ils sont susceptibles de dégrader fortement et durablement la qualité de ces milieux, qui constituent des ressources essentielles. En effet, les rejets industriels contiennent fréquemment des contaminants et polluants multiples, dont il est nécessaire d’évaluer les dangers et les risques préalablement à leur libération dans les écosystèmes a...

1. Introduction Parmi les sources potentielles de pollution, le secteur industriel, a entrepris depuis de nombreuses années, des efforts importants afin de réduire et de surveiller les volumes de polluants rejetés dans le milieu aquatique (Eckenfelder, 2001 ; Cox et al., 2006 ; Crini et Badot, 2007). En effet, à partir des années 1970, des investissements ont été, par exemple, réalisés pour mettre en œuvre des technologies de traitement des eaux usées via l’installation sur site de stations d...

Cet ouvrage, composé de quinze contributions et rédigé par trente-huit spécialistes, fait le point sur la contamination des eaux industrielles. Les trois premiers chapitres traitent de la politique française de l’eau, des agences de l’eau et de la réglementation des substances chimiques. Les quatre chapitres suivants sont consacrés aux paramètres chimiques et biologiques utilisés pour évaluer la qualité des milieux et des eaux. Les huit derniers chapitres abordent, quant à eux, les méthodes conventionnelles et les procédés innovants utilisés dans le traitement des eaux (chitosane, exopolysaccharides marins, cyclodextrine, chanvre, oxydation avancée, charbons et nanofiltration).

1. Introduction L’eau est indispensable à notre vie quotidienne et plus généralement à toute forme de vie, à notre santé, à nos loisirs, mais aussi à nos activités économiques, avec des besoins de plus en plus croissants. C’est l’une des raisons pour lesquelles, aujourd’hui, l’eau est au cœur des politiques de tous les pays au monde, qu’ils soient développés, émergents ou en développement. Cependant, tout le monde est également d’accord sur le fait qu’il est devenu urgent de relever un double...

1. Introduction Les procédés de traitement des effluents industriels et urbains (contenant des charges minérales et/ou organiques) mettent en jeu différentes stratégies en fonction de la nature des contaminants (ions métalliques, colorants, composés pharmaceutiques, etc.), l’intérêt à les recycler (et/ou à valoriser les sous-produits du traitement), et leur toxicité. Les procédés de précipitation sont fréquemment employés mais se heurtent régulièrement à des limitations techniques (pour attei...

1. Introduction Dans le domaine du traitement des eaux polycontaminées à la fois par des substances minérales (dont les métaux) et/ou organiques, une des méthodes couramment employées dans l’industrie consiste à utiliser des matériaux dits filtrants et/ou adsorbants capables de retenir ces polluants. Les matériaux commerciaux les plus utilisés sont le charbon actif, les résines organiques et des systèmes filtrants comme le sable, les alumines ou encore les zéolites. Généralement, pour amélior...

1. Introduction Le suivi de la pollution toxique dans l’environnement due aux rejets issus d’une station d’épuration industrielle (STEP) ou urbaine (STEU) se fait essentiellement au moyen de mesures analytiques de plusieurs paramètres chimiques et physiques de suivi de l’eau et de concentration de certaines substances chimiques appelés micropolluants, et par des tests biologiques de toxicité aiguë (comme par exemple le bioessai sur daphnies imposé, de plus en plus, à certaines installations d...

1. Introduction Les substances chimiques sont intimement liées à la vie moderne. Elles sont utilisées dans de multiples applications comme les produits alimentaires, pharmaceutiques, cosmétiques, détergents, phytopharmaceutiques, biocides, etc. Elles constituent ainsi un facteur essentiel de prospérité économique et de bien-être social en termes d’échanges commerciaux et d’emplois (CCE, 2001). La base de données des Chemical Abstracts compte aujourd’hui plus de 92 millions de substances. La p...

1. Introduction À la base des processus vitaux, les membranes semi-perméables sont aujourd’hui utilisées dans de nombreux domaines et applications industrielles comme par exemple le dessalement de l’eau de mer et des eaux saumâtres, la concentration de jus de fruits, l’adoucissement d’eaux souterraines ou de surface, la déminéralisation des lactosérums, le traitement d’effluents des industries du papier, du bois et de la teinture, la clarification-désinfection des eaux potables, la concentrat...

1. Introduction L’industrialisation, l’urbanisation, l’agriculture intensive et leurs cortèges de produits chimiques (éléments traces métalliques, hydrocarbures, pesticides, médicaments, etc.) ont accru la contamination des eaux continentales de surface et souterraines de manière chronique ou aiguë. Aujourd’hui, plus de 67 millions de substances chimiques sont connues dont environ 100 000 sont considérées d’utilisation courante. Véhiculées par les pluies, les eaux de lessivage des sols, rejet...

1. Introduction En Europe, depuis le début des années 2000 et la mise en place de la directive-cadre sur l’eau (DCE, 2000), la nécessité de mieux dépolluer les eaux contaminées a conduit au développement de nouvelles technologies de traitement faisant appel à des méthodes de décontamination plus écologiques et moins énergivores (Crini et Badot, 2007). Ces technologies sont également nées d’une demande de plus en plus croissante du public en matière de techniques et de produits ayant peu ou pa...

1. Introduction Les eaux usées d’origine industrielle ou domestique contiennent généralement des composés organiques et/ou inorganiques en concentrations élevées qui peuvent être toxiques. Dans certains cas, elles peuvent aussi contenir des micro-organismes pathogènes. Aussi, ces eaux doivent être traitées par des techniques appropriées avant rejet (Singh et al., 2011). Les méthodes généralement utilisées pour le traitement des eaux usées peuvent impliquer des procédés physiques (décantation,...

1. Introduction Les stations d’épuration des eaux urbaines et/ou communales (STEU) n’ont pas été conçues pour éliminer les micropolluants organiques. En effet, le traitement biologique, technique largement appliquée pour la décontamination des eaux en zones urbaines, permet de traiter la matière organique biodégradable (DBO) et les pollutions azotée et phosphatée (Crini et Badot, 2007). Néanmoins, il est connu qu’une partie des micropolluants présents dans les effluents d’entrée station est é...

1. Introduction La protection de l’environnement est un problème majeur pour notre qualité de vie et c’est aussi, et surtout, un problème de santé humaine. Malheureusement, les pollutions de toute nature font partie de notre quotidien : matériaux plastiques non dégradables, utilisation abusive de pesticides, herbicides, fongicides et autres contaminants organiques, contaminations accidentelles de nappes phréatiques, sols, sédiments, milieux aquatiques et effluents industriels par des produits...

La légionellose est une infection respiratoire opportuniste grave, due à l’inhalation d’aérosols contaminés par Legionella pneumophila, dont le réservoir préférentiel est le réseau d’eau chaude sanitaire (ECS). Objectif. Afin de contrôler le risque d’exposition en établissement de santé, la réglementation impose la recherche et le dénombrement des légionelles une fois par an. Disposant de peu de données concernant la variabilité temporelle de la contamination d’un point d’eau ou d’un réseau, un point d’eau a été choisi pour un suivi hebdomadaire de la contamination et quatre bâtiments pavillonnaires ont été suivis régulièrement entre 2015 et 2018. Matériel et méthodes. La recherche et le dénombrement des légionelles ont été réalisés selon la norme française (NF) T90-431. Résultats. Le suivi hebdomadaire a montré de fortes variations temporelles non expliquées par les actions sur le réseau, et le suivi des contaminations à l’échelle d’un bâtiment a montré une contamination localisée et persistante malgré les traitements réalisés sur le réseau. Trois bâtiments de même configuration architecturale présentent des profils de contamination contrastés. La confrontation des données aux caractéristiques des réseaux d’ECS de chaque bâtiment n’est pas explicative. Conclusion. La surveillance lourde, mais limitée au dénombrement des légionelles, ne donne que peu d’éléments explicatifs permettant la prise en charge raisonnée des contaminations de l’ECS dans un hôpital. Des approches intégrées d’écologie microbienne sont certainement nécessaires.

National audience; Electrical resistance tomography is adapted and applied to characterize gas dispersion in a semi-industrial pilot for membrane filtration. The developed methodology, based on numerical investigation, allows to study the impact of insufflated air flow rate and mixed liquor concentration on gas dispersion into filtration modules.; La tomographie de résistivité électrique est adaptée et mise en oeuvre pour la caractérisation de la distribution de gaz dans un pilote semi-industriel de filtration membranaire. La méthodologie développée, en s'appuyant sur une étude numérique, a permis de mettre en évidence l'impact du débit d'air et de la concentration en matière en suspension sur cette distribution au sein des modules de filtration.

Biofloculants represent a sustainable alternative to metal salts and to synthetic polymers for water treatment by coagulation flocculation (CF). The optimal parameters of biomatrerials applicated in CF were mainly described by literature data. Opuntia ficus indica, known for its flocculating properties and olive mill waste (OMW), which its reuse not deeply examined, were chosen in our study. A methodology was proposed in order to determine the nature of the active molecules and to better understand the involving mechanism in CF. The experiment was conducted on a synthetic water based on kaolinite. The optimal conditions of CF were determined by jar test coupled with zeta potential and microscopy. For OMW, the optimum conditions are obtained for a pH of 11 and an extract dose of 62.5 mg L-1. The removal of OMW colors requires the use of 50 mg L-1 of a metal coagulant (Al2 (SO4)3). Afterwards, our study was based on a comparative approach of different water-soluble fractions as function of pH. The active molecules showed a maximum solubility at the optimal pH of CF, in both cases. The characterization of the raw materials by pKa, colorimetric assays (proteins, sugars, polyphenols and tannins) and the infrared analysis allowed to determine the molecules involved in CF (In both cases, tannins / flavonoids and sugars). CF experiments performed after enzymatic approach confirm the identification of molecules involved in the mechanism and suggest that the two materials operate through an adsorption and bridging mechanism. The efficiency of wastewater treatment (textile industry, landfill leachate) by Opuntia ficus indica extracts has been validated. Tannins/ flavonoids and especially quercetin for cactus promotes a colloidal material destabilization (coagulant) through anion exchanges and bridges; otherwise, the starch (cactus) or cellulose (OMW) forms a large cross-linked polymeric network responsible for bridging.; Les biofloculants sont une alternative durable aux sels métalliques et aux polymères de synthèse pour le traitement des eaux par coagulation floculation (CF). La littérature a surtout décrit les paramètres optimaux pour l’application des matériaux biosourcés en CF. En étudiant deux exemples, Opuntia ficus indica, connu pour ses propriétés coagulantes et les margines, un déchet peu valorisable issu de la trituration des olives, nous proposons une méthodologie pour déterminer la nature des molécules actives et appréhender le mécanisme de CF impliqué. L’expérimentation a été menée sur un effluent synthétique à base de kaolinite. Les conditions optimales de CF, ont été déterminées par la méthode classique du jar test couplée à de la zétamètrie et de la microscopie. Pour les margines, les conditions optimales sont obtenues pour un pH de 11 et une dose d’extrait de 62.5 mg L-1. La couleur des margines impose néanmoins l’utilisation de 50 mg L-1 de coagulant métallique (Al2 (SO4)3). Nous avons ensuite basé notre étude sur une approche comparative de différentes fractions hydrosolubles en fonction du pH, dans les deux cas les molécules actives ont montré une solubilité maximale au pH optimal de CF. La détermination des pKa, la réalisation de dosages colorimétriques (protéine, sucres, polyphénols, tanin) et l’analyse infrarouge du matériel brut a permis d’envisager les familles de molécules impliquées (dans les deux cas, les tanins / flavonoïdes et les sucres). Des expériences de CF effectuées après digestions enzymatiques permet de confirmer l’identification des molécules impliquées dans le mécanisme. Ainsi la CF se fait par adsorption et pontage pour les deux matériaux. La faisabilité du traitement d’eaux résiduaires (industrie textile, lixiviat de décharge) par des extraits d’Opuntia ficus indica a été validé. Les tanins/ flavonoïdes et particulièrement la quercétine pour le cactus, s’adsorbent sur les colloïdes de l’effluent puis un polymère d’amidon (cactus) ou de cellulose (margine) permet la floculation par adsorption et pontage.

Water scarcity has become one of the key issues to solve, and efficient water treatment is paramount to treat water sources. In recent decades membrane technology has become one of the promising solutions for water treatment. Nevertheless, membranes are prone to fouling phenomena - the deposition, adsorption, and absorption of particles in the membrane structure -, which hinders their life-span and productivity, and raise operative costs. One approach to minimize this issue is to modify the already mechanically and chemically stable hydrophobic membranes with amphiphilic materials. The main aim of this work is to characterise the anti-fouling properties of PVDF (Polyvinylidene fluoride) membranes modified with different types of PS-PEGMA (Polystyrene - Poly(ethylene glycol) methacrylate) copolymers, firstly by using classical techniques, and then, by developing and/or adapting new ones: microfluidic devices coupled with fluorescence microscopy, and the use of Fourier Transform Infrared microspectroscopy (FTIR mapping). FTIR mapping allowed the local detection of the coating layer and showed its heterogeneous distribution on the surface of the membrane. These maps, that represent the importance of the coating on the membrane, were correlated with the deposit of proteins on the surface. Microfluidic systems were also developed to characterise the adsorption of fluorescent proteins on the membrane under a fluorescent microscope in the presence of a flow. This study allowed the in-situ and dynamic follow-up of the adsorption - during filtration cycles - and of the desorption - during rinsing cycles - of the proteins on the membrane. These local measurements were compared against permeability measurements during the filtration/rinsing cycles evidencing the anti-fouling role of the copolymers used for the modification of the membranes, particularly for the triblock and random copolymers.; La pénurie d'eau est devenue un des problèmes clés à résoudre, et pour y faire face, il est nécessaire de disposer d'unités de traitement de l'eau efficaces. Au cours des dernières décennies la technologie des membranes est devenue l'une des techniques les plus prometteuses pour le traitement de l'eau. Néanmoins, les membranes ont une durée de vie limitée et sont, par ailleurs, sujettes à des phénomènes de colmatage - le dépôt, l'adsorption et l'absorption de particules dans la structure de la membrane -, ce qui réduit leur productivité, et augmente les coûts opérationnels. Une approche pour minimiser ce problème consiste à modifier des membranes hydrophobes, mécaniquement et chimiquement stables, en y greffant des matériaux amphiphiles afin de réduire le colmatage. L'objectif principal de ce travail est de caractériser les propriétés anti-colmatage des membranes de PVDF (Polyvinylidene fluoride) modifiées avec différents types de copolymères PS-PEGMA (Polystyrene - Poly(ethylene glycol) methacrylate), tout d'abord par l'utilisation de techniques classiques, puis, par le développement et / ou l'adaptation de techniques microfluidiques couplés à la microscopie à fluorescence et l'utilisation de la cartographie par microspectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF). La cartographie IRTF a permis de quantifier localement le greffage et de mettre en évidence l'hétérogénéité du greffage sur la membrane. Ces cartes, représentant l'importance du greffage sur la membrane, ont par ailleurs été corrélées au dépôt de protéines sur la surface. Des systèmes microfluidiques ont également été développés pour caractériser sous microscope à fluorescence l'adsorption de protéines fluorescentes sur une membrane en présence d'un débit. Cette étude permet de suivre in situ et en dynamique l'adsorption (lors de cycles de filtration) et la désorption (lors de cycles de rinçage) de protéines sur la membrane. Ces mesures locales ont été mises en regard avec des mesures de permeabilité lors de cycles filtrations/rinçage mettant en évidence un rôle anti-fouling en particulier pour les copolymères tri-blocs ou pour les copolymères à enchaînement aléatoire.

Water is an indispensable resource for the survival of every human being; it’s essential for the health and a fundamental human right. So, in order to provide enough quality water to populations whatever the context, researchers are now further focusing on innovative procedures of easy and cheap exploitation allowing access to enough quality water at the user end. Therefore, one of the innovative techniques used in various area in science is three-dimensional (3D) printing. Thus for this study, a 3D printer, “Ultimaker 1”, initially designed for plastic printing has been tailored for the confection of ceramic filters. These filters can treat the water to be consumed at the user end. From this experience we can notice that this innovative concept, could very soon become a reliable alternative in the provision of enough and quality water in developing countries., L’eau est une ressource indispensable à la survie de tout être vivant, essentiel pour la santé, et constitue un droit fondamental pour tout homme. Ainsi, afin de fournir de l’eau de qualité en quantité suffisante aux populations quels que soient les contextes, les recherches scientifiques s’orientent actuellement vers le développement de procédés novateurs, d’exploitation facile et peu coûteux. L’objectif étant de permettre l’accès à de l’eau de qualité en quantité suffisante au point d’utilisation. À cet effet, une des techniques novatrices qui aujourd’hui retrouve son application dans divers domaines de la science est l’impression tridimensionnelle (3D). Ainsi au cours de cette étude une imprimante 3D, l’ «Ultimaker 1» destinée initialement à l’impression à base de matière plastique a été adaptée afin de servir à la fabrication de filtres en céramiques. Ces filtres pourront retrouver des applications en traitement de l’eau destinée à la consommation au point d’utilisation. Il ressort de cette expérience que ce concept novateur, pourrait devenir dans un avenir proche, une alternative viable à la fourniture d’eau potable en quantité et qualité suffisante dans les Pays en Développement.

This work is part of an overall project to develop an innovative process for targeted treatment of invasive aquatic plants in a lentic water body. One of the challenges is to optimize the concentration of active substance required to remove the target plants without creating potential ecological damage. A methodology based on a bottom-up modeling approach was applied using Computational Fluid Dynamics (CFD) in order to define optimal conditions for effective treatment. This modeling approach was used for the flow and the dispersion of active substance simulations from a 1 m3 pilot to lentic water bodies fed by surface water or groundwater. Five turbulence models were preselected in order to assess their influence on the simulation results. The RNG k-[epsilon] model was selected after final validation by tracer experiments at pilot scale mimicking the hydrodynamics of a real lentic water bodies. Experimental measurements on pilot and numerical simulations carried out on scale thereof with four configurations of lentic water bodies have allowed to evaluate the impact of several hydrodynamic parameters (water flow, number of inlets and outlets, type of water supply, …) and external forcing (wind, temperature) on maintaining of algaecide concentration during the treatment. The wind mainly acts as a natural diffuser causing 95% of diluting the algaecide concentration. Taking account of the rate of chemical reaction of the active substance in water also indicates a decrease of the local concentration of active substance. The optimal treatment is not only based to the control of injected concentration but it is also related to a good understanding of the local water flow, Ce travail se situe dans le cadre d’un projet global visant à développer un procédé innovant pour un traitement ciblé de plantes aquatiques invasives dans une masse d’eau lentique. L’un des enjeux est d’optimiser la concentration de substance active nécessaire pour éliminer les plantes ciblées sans créer de potentiels dommages écologiques. Une méthodologie basée sur une approche de modélisation ascendante a été appliquée en utilisant la Mécanique des Fluides Numérique (MFN) afin de pouvoir définir des conditions optimales pour un traitement efficace. Cette approche de modélisation a été appliquée pour la simulation de l’écoulement et la dispersion des substances actives de l’échelle d’un pilote de 1m3 à celle de plans d’eau alimentés en surface et par le fond. Cinq modèles de turbulence ont été présélectionnés afin d’évaluer leur influence sur les résultats de simulation. Le modèle RNG k-[epsilon] a été choisi définitivement après sa validation par des traçages expérimentaux à l’échelle du pilote mimant le fonctionnement hydrodynamique d’un plan d’eau réel. Des mesures expérimentales sur pilote et des simulations numériques réalisées à l’échelle de celui-ci et sur quatre configurations de plans d’eau ont permis d’évaluer l’impact de plusieurs paramètres hydrodynamiques (débit, nombre d’entrées et sorties, type d’alimentation en eau, …) et des forçages extérieurs (vent, température) sur le maintien de la concentration algicide au cours du traitement. Le vent joue principalement le rôle d'un diffuseur naturel provoquant 95% de la dilution de la concentration algicide. La prise en compte de la vitesse de réaction chimique de la substance active dans l’eau indique également une diminution de la concentration locale de substance active. Le traitement optimal ne serait donc pas seulement lié à la maîtrise de la concentration à injecter mais à une bonne compréhension de l’écoulement local

Depuis plus de 15 ans, la Direction de la Recherche et du Développement du Syndicat Interdépartemental pour l’Assainissement de l’Agglomération Parisienne (SIAAP) étudie le procédé de biofiltration des eaux résiduaires urbaines. Les différents travaux de recherche et développement, menés à l’échelle industrielle et semi-industrielle (stations d’épuration/ prototypes/pilotes) ont permis au SIAAP d’acquérir une réelle expérience sur ce procédé de traitement. L’objectif de cet article de synthèse est d’extraire de ces 15 années de travail des informations clés sur les performances et les limites des biofiltres (charges éliminées et influence des conditions d’exploitation sur l’élimination de la pollution) ainsi que sur les mécanismes de colonisation et d’encrassement des massifs filtrants., For more than 15 years, the interdepartmental association for sewage disposal in Paris conurbation (SIAAP) research center has studied wastewater treatment by biofiltration. Such studies, carried out at industrial and semi-industrial scales (wastewater treatment plants/pilot and prototype units), have allowed SIAAP to expand its knowledge of this wastewater treatment technology. This paper aims to review the available information on the performance and limits of these immersed biological systems (purification performances and effects of the operating conditions on the pollution abatement efficiencies) and about the mechanisms of colonization of filter media by bacteria populations.

Access to clean water is one of the most important problems that is encountered worldwide even in countries as water-rich. For instance, the Mekong Delta (MD)’s coastal provinces have to face up to alternated flooding and drought periods. Moreover, climate changes inducing less rainfall and salt water intrusion water severely affect the water quality of the area. The main sources of pollution come from the human and farming wastes including fish, livestock and poultry. Pesticide pollution can also be a serious problem in some areas. The deterioration of water quality in the MD and the lack of access to clean water via safe supply systems in the rural communes entail an increase of waterborne diseases related to the salinity, the presence of microorganism and organic pollutants. The study is aimed at investigating the membrane technology to treat surface water in the MD region in order to produce good drinking water. The study was focused on brackish waters containing pesticides. Two synthetic model water samples were chosen as representative of surface waters found in the Mekong Delta. Desalination and pollutant removal were performed using nanofiltration (NF) integrated with electrodialysis. The Nanoflux® software was used to explain the experimental performance of two NF membranes (NF90 and 270). On the other hand, energy consumption of the two coupled processes was also estimated depending on the quality of water feed. All the data obtained should be used in the future to design a demonstrator pilot for the family-sized production of drinking water., L’accès à l’eau potable est un des plus importants problèmes que l’on rencontre partout dans le monde même dans les pays riches en eau. Par exemple, les provinces côtières du Delta du Mékong (DM) subissent des périodes alternées d’inondations et de sécheresse. De plus, le changement climatique à l’origine d’une diminution de la pluviométrie et d’intrusion d’eau salée affecte gravement la qualité des eaux de la région. Les principales sources de pollution proviennent des déchets humains et des rejets des élevages de poissons, bétail et volaille. La pollution aux pesticides peut s’avérer un problème sérieux dans certaines zones. La détérioration de la qualité des eaux dans le DM et l’absence d’accès à l’eau potable dans les communes rurales via des systèmes d’approvisionnement sûrs entraine une augmentation des maladies d’origine hydrique liées à la salinité, la présence de microorganismes et de polluants organiques. L’objectif de ce travail a consisté à examiner dans quelle mesure la technologie membranaire peut permettre de produire de l’eau potable de qualité. L’étude a porté sur les eaux saumâtres contenant des pesticides. Deux solutions modèles synthétiques ont été choisies pour représenter les eaux de surface du DM. Le dessalement et l’élimination des pesticides ont été réalisés en utilisant la nanofiltration (NF) couplée à l’électrodialyse. Le logiciel Nanoflux® a été utilisé pour interpréter les performances de deux membranes de NF (NF90 et NF270). Par ailleurs, la consommation d’énergie des deux procédés couplés a été estimée en fonction de la qualité de l’eau d’alimentation. Toutes ces données seront utilisées pour concevoir un démonstrateur pour la production familiale d’eau potable.

Constructed wetlands for combined sewer overflow treatment (CSO CWs) are vertical flow filters in France. They effectively remove pollutants and mitigate hydraulic peaks, which protects natural waters. They receive unsettled flows with stochastic return periods, volumes and concentrations, making design optimization difficult. In the presented work, design is targeted from two sides. First, the scientific basis is laid down for the design-support software Orage. The tool is model-based and as such, it considers the stochasticity of CSOs site-specifically. Its core model has been calibrated and then verified by a range of tests. Simulations fit to measured data from a full-scale CSO site (Marcy l’Etoile). The goodness of fit is evaluated visually and statistically. Model robustness has been confirmed by a sensitivity analysis (Morris method). After this, the iterative shell has been parameterized and tested (the software element doing automatic optimization). The design proposals of the tool have been found realistic. The other approach to target optimization has been a detailed field research at Marcy l’Etoile. The site at Marcy l’Etoile has been monitored for three years, using automatic samplers and online probes. The filling of the porous media at event start proves and explains shortcutting behaviour. Adsorption capacities have been quantified for pozzolana and a sand and zeolite mixture. A temperature-dependent equation is calibrated to calculate nitrification rate. System efficiency is high for target pollutants (TSS, COD, NH4-N). Design, operational and environmental factors have been analysed to seek potential effects on removal performances and sludge accumulation. Additionally, PAHs and metals are indicated for a few selected events. The field results were essential to calibrate Orage and to see options for design improvements. The understanding of CSO CWs and the development of Orage was promoted also by simulating lab-scale columns using the process-based model package HYDRUS / CW2D., En France les filtres plantés à écoulement vertical sont utilisés pour le traitement des surverses de déversoir d’orage (CSO en anglais). Ils sont efficaces pour le traitement des polluants ainsi que pour assurer un rôle de tampon hydraulique permettant de protéger les milieux hydriques superficiels. Ils ont la particularité de recevoir des effluents bruts dont la fréquence, l’intensité, la durée et les concentrations sont stochastiques. En conséquence de quoi l’optimisation du dimensionnement est particulièrement délicate. Dans ce travail, le dimensionnement est abordé suivant deux approches. D’une part en définissant les processus clefs pour une optimisation du dimensionnement et, d’autre part, en construisant un modèle dynamique simplifié (Orage)permettant de prendre en compte, sur le long terme, le caractère stochastique des évènements et les contraintes locales. Le cœur du modèle a été calibré et validé sur une large gamme d’évènements mesurées sur un site en taille réelle (site de Marcy l’Etoile). La qualité de la calibration a été validé aussi bien visuellement que statistiquement et la robustesse du modèle étudiée par une analyse de sensibilité (méthode de Morris). L’optimisation automatique du dimensionnement a nécessité la réalisation d’une boucle itérative également paramétrée et testée dans le cadre du site de Marcy l’Etoile et pour des cas théoriques. Les dimensionnements proposés ont été estimés réalistes. La définition des processus clefs du système de traitement, et le développement du modèle simplifié, a également été possible grâce à la simulation d’expérimentations sur colonnes par un modèle mécaniste (HYDRUS / CW2D). La paramétrisation des processus du modèle simplifié a été réalisée sur la base d’expérimentations détaillées sur le site de Marcy l’Etoile. Le site a été suivi pendant trois ans aussi bien par des prélèvements automatiques, des traçages, que des mesures en lignes (hydraulique, azote, teneur en eau). Parmi les processus calibrés, nous retiendrons i) l’importance du niveau de saturation de la base du filtre au début d’un évènement vis-à-vis des court circuits hydrauliques, ii) la définition des capacités d’adsorption de l’azote ammoniacale de différents matériaux (pouzzolane, mélange de sable et de zéolite) et iii), la définition des cinétiques de nitrification suivant la température et quantité d’azote ammoniacal adsorbé. Si les performances de l’ouvrage sont hautes pour les paramètres majeurs (MES, DCO, N-NH4), l’impact du dimensionnement, de la gestion et des facteurs environnementaux sur les performances et l’accumulation de boue a été étudié. De plus, quelques suivis ont été réalisés sur les métaux et les HAP. Ces mesures ont permis non seulement de calibrer le logiciel Orage mais aussi de proposer des modifications pour l’amélioration du dimensionnement.

Cet article présente les résultats d'une étude menée sur le traitement d'effluents fortement chargés (DCO > 1,5 kg.m-3) par un procédé à boues activées. L'objectif principal de ce travail est de montrer qu'une alimentation séquentielle d'un réacteur parfaitement agité avec maintien permanent du recyclage des boues et de l'oxygénation permet d'obtenir une bonne épuration tant du point de vue de l'élimination de la pollution carbonée que de la maîtrise de la décantabilité des flocs microbiens. Les essais sont menés sur un pilote de laboratoire constitué d'une colonne à bulles et d'un décanteur, alimenté avec un substrat synthétique. Contrairement à une alimentation continue, la mise en place de cycles d'alimentation permet d'obtenir des flocs de bonne décantabilité de manière constante dans le temps. Ainsi une concentration élevée en biomasse peut être maintenue dans le réacteur. De plus, le suivi d'un cycle 1 h/1 h confirme que la mise en œuvre d'un cycle court n'entraîne pas de variations importantes des performances d'épuration. Par ailleurs, le suivi d'un long cycle (24 h/24 h) montre des variations significatives des concentrations en DCO, polysaccharides dans la phase liquide et exopolysaccharides dans les flocs microbiens. Ceci semble indiquer que des produits microbiens sont relargués des flocs vers la phase liquide pendant l'arrêt de l'alimentation et que des exopolysaccharides sont produits dans les flocs pendant l'alimentation., The overall efficiency of an activated sludge wastewater treatment system depends both on the ability of the activated sludge culture to remove the soluble organic pollution and on the efficiency of the separation of the treated water from the biomass. In the treatment of a high-strength wastewater (COD > 1.5 kg .m-3), ultrafiltration or crossflow filtration systems can sometimes substitute for the final clarifier, the separation of the sludge from the effluent water being very good regardless of changes in sludge settleability. Because of the high pollutant concentrations, the biomass must be more concentrated in the bioreactor than in the usual aerobic processes (10 to 20 kg.m-3 rather than 4 kg.m-3), whatever the separation system (settler or filtration system). Thus, with this biomass concentration, the volumetric loading rate can be increased while the organic loading rate is maintained at a low level.The use of a clarifier is preferable because it is cheaper than ultrafiltration or crossflow filtration systems, which have very high investment and operation costs, on the other hand, and some fouling problems, on the other hand. However, its use requires a very good biomass settleability. Results from the literature show that there is no general relation between sludge settleability and such wastewater treatment operating parameters as dissolved oxygen concentration in the aeration basin, organic loading rates, pH, or low relative influent nitrogen and phosphorus contents. On the other hand, the separation ability of the clarifier depends on the hydraulic configuration of the aerated reactor: biomass settleability can be controlled by completely stirred reactors in series, plug-flow reactors or intermittently-fed systems. Indeed, this spatial or temporal staggering should allow microorganisms to consume their accumulated substrate and thus restore their accumulation capacity. In the case of high-strength wastewater treatment, temporal staggering is better than spatial staggering. Indeed, higher organic loading rates require a higher number of reactors. Thus, the COD concentration significantly increases in the first reactors of the cascade and some toxic or inhibitory problems could appear. For this reason, a temporal staggering was chosen.Biomass settleability is linked to the extracellular polymers that are the third component of the sludge flocs, after the cells and the water. These polymers are composed largely of microbial exopolysaccharides. Measurements of exopolysaccharides could be used to characterize sludge settleability. A too low level of exopolysaccharides indicates a sludge defloculation problem, whereas a too high level of exopolysaccharides means that sludge settleability could be hindered because of an excessive growth of filamentous organisms.The purpose of the present work is to show that the use of only one completely stirred reactor, fed in a cyclic way with permanent oxygenation and return sludge flow, leads to good sludge settleability and effluent quality. The experiments have been performed with a laboratory pilot-plant composed of a 11.3 litre bubble column, which is a completely stirred reactor, and a secondary settling tank of 14.8 litres. The reactor is fed with an equilibrated synthetic substrate consisting mainly of meat extract, saccharose and ethanol (COD:N:P=100:5:1 and 1 kg COD=1 kg meat extract + 0.444 kg saccharose + 0.2 kg ethanol). The feeding cycle is a set of consecutive periods of feeding and starvation. For example, during a 1h/2h feeding cycle, the substrate feeding is continuous during 1 hour and stopped during 2 hours.The sludge comes from the Nancy-Maxéville wastewater treatment plant and its acclimation to the synthetic substrate begins with an aeration without feeding during 12 hours. Afterwards, the experimental system is fed during 1 hour every 2 hours with the substrate (first concentration of COD=0.1 kg.m-3). Then, the inlet COD is increased by steps of 0.1 kg.m-3 every day until the required concentration is reached. Once the biomass is acclimated to the influent and sufficiently concentrated, the experiment can begin.In order to show the positive influence of cyclic feeding on wastewater treatment quality, we have carried out one experiment with continuous feeding and two experiments with cyclic feeding (see Table 1). For these experiments, the volumetric loading rate is about 4 kg COD.m-3.d-1. With an appropriate feeding cycle, the settleability of the sludge and the effluent quality remain good: the diluted sludge volume index is 56 cm3.g-1 and 96% of the inlet COD is removed. Thus, the biomass concentration remains high in the reactor (19 kg.m-3). This is not the case with a continuous feeding where the biomass settleability rapidly deteriorates. The principal advantage of sequential feeding is the maintenance of good sludge settleability and a high biomass concentration in the aeration basin. Moreover, during the short feeding cycles, the variations of the concentrations of COD, polysaccharides in the bulk phase and extracellular polysaccharides in the microbial aggregates are very low. This augurs well for system stability.In contrast, monitoring of a long cycle (24 h of feeding and 24 h of starvation) shows great variations in the concentrations of COD, polysaccharides and extracellular polysaccharides in the system. When the feeding is stopped, the COD and polysaccharide concentrations in the bulk phase increase whereas the exopolysaccharide concentration in sludge flocs decreases. Reciprocally, after the feeding is begun, the COD and polysaccharide concentrations in the bulk phase decrease, and then remain constant, whereas the exopolysaccharide concentration increases. As 1 kg of measured polysaccharides represents 0.9 kg COD, and as in the bulk phase the COD concentration is equivalent to 4 times the polysaccharide concentration, it seems that microbial products other than polysaccharides are released in the bulk phase during starvation, these products being slowly biodegradable. Extracellular polysaccharides in the microbial aggregates are formed during the feeding phase.

Environmental bioprocesses are gaining importance in the industrial landscape. Nevertheless, the complexity of mechanisms involved in biological reactions stays an issue for their implementation. Moreover, available measurements of biological activity are often off-line and/or indirect. In this context, phenomenological modeling tools are a solution to link observations of the system to underlying biological reactions, considering the right hypotheses. These methods require a rigorous sensitivity analysis in order to properly process the results. Thus, the models permit to obtain precise knowledge about biological systems thanks to indirect measurement. This approach was developed throughout two cases of study corresponding to two industrial fields of application.Bioremediation is the most ecological method for hydrocarbons contaminated soils remediation. Nevertheless, biodegradation can be long or absent depending on environmental conditions. In order to measure its efficiency, respiration measurement in the gas phase seems to be the easiest observation to implement. Oxygen measurement can be insufficient on its own, that is why a model able to describe the evolution of the apparent respiratory quotient has been developed considering the different steps of biodegradation. This observation alone could give insights on the efficiency of biodegradation.The second part of this work deals with activated sludge wastewater treatment using the theoretical approach developed for soil bioremediation. The efficiency of the process depends on the excess production of sludge, which is linked to the heterotrophic yield of the reaction. This parameter is a key component for modeling and optimization of wastewater treatment plant. Most of the time, its common definition is not sufficient to explain its observed variations. In this context, several phenomenological models derived from the activated sludge models were studied to explain these variations, taking into account the substrate storage process. An experimental study was conducted in order to confront the reactional hypothesis of the models to actual measurements of single substrate degradations in respirometer. The balance between substrate storage and direct growth was proposed as a main component of the yield value. This study resulted in a necessary clarification of the heterotrophic yield definition., Les bioprocédés environnementaux prennent une place de plus en plus importante dans le paysage industriel mondial. La complexité et la diversité des processus impliqués dans les réactions biologiques de dégradation des polluants limitent considérablement la compréhension et l'utilisation de ces procédés. De plus, les mesures disponibles pour le suivi de cette activité sont souvent hors-ligne et/ou indirectes. Dans ce cadre, les outils de modélisation phénoménologique permettent, via le choix d'hypothèses judicieuses, de lier les observations du système aux processus biologiques sous-jacents. Ces méthodes nécessitent néanmoins l'application d'une étude rigoureuse d'identifiabilité afin de pouvoir exploiter correctement les résultats obtenus. Les modèles ainsi développés permettent de capitaliser des connaissances sur la description des processus biologiques grâce aux mesures effectués sur le système. Cette approche a été développée au travers de deux cas d'étude, correspondant à deux domaines d'application industrielleLa bioremédiation des sols contaminés aux hydrocarbures constitue la méthode la plus écologique de traitement des sols. Néanmoins, le processus de biodégradation peut être long voire, inexistant en fonction des conditions environnementales. Afin de mesurer l'efficacité de la dégradation, la mesure de la respiration en phase gaz apparaît comme étant l'observation la plus facile à mettre en œuvre. Le problème est que la simple mesure de la consommation d'oxygène est généralement insuffisante. Pour répondre à cette limite, un modèle capable d'expliquer les évolutions du quotient respiratoire apparent grâce aux différentes étapes de la biodégradation a été développé. Cette mesure pourrait alors donner une indication sur l'efficacité de la biodégradation.La seconde partie de ce travail, plus conséquente, s'intéresse à l'épuration des eaux usées par boues activées, elle reprend et amplifie l'approche méthodologique développée pour la biomédiation des sols. L'efficacité de ce traitement des eaux est grandement liée à la production de boues en excès, exprimée par le rendement hétérotrophe. Ce paramètre difficile à maitriser constitue une information primordiale pour la modélisation et la conduite des stations d'épurations. Il apparaît néanmoins que sa définition usuelle ne suffit pas à expliquer ses variations observées. Dans ce cadre, différents modèles phénoménologiques issus des travaux du groupe de travail ASM (Activated Sludge Modeling) ont été étudiés afin de décrire les variations de ce rendement apparent en introduisants les hypothèses réactionnelles liées au stockage du substrat. Une étude expérimentale en laboratoire a permis de confronter ces hypothèses à des mesures de dégradation de substrats purs par des boues activées en respiromètre. L'équilibre entre le stockage du substrat et la croissance bactérienne a ainsi été proposé comme source d'influence majeure sur la valeur du rendement. Ce travail a abouti à une clarification nécessaire de la définition du rendement hétérotrophe.

Environmental bioprocesses are gaining importance in the industrial landscape. Nevertheless, the complexity of mechanisms involved in biological reactions stays an issue for their implementation. Moreover, available measurements of biological activity are often off-line and/or indirect. In this context, phenomenological modeling tools are a solution to link observations of the system to underlying biological reactions, considering the right hypotheses. These methods require a rigorous sensitivity analysis in order to properly process the results. Thus, the models permit to obtain precise knowledge about biological systems thanks to indirect measurement. This approach was developed throughout two cases of study corresponding to two industrial fields of application.Bioremediation is the most ecological method for hydrocarbons contaminated soils remediation. Nevertheless, biodegradation can be long or absent depending on environmental conditions. In order to measure its efficiency, respiration measurement in the gas phase seems to be the easiest observation to implement. Oxygen measurement can be insufficient on its own, that is why a model able to describe the evolution of the apparent respiratory quotient has been developed considering the different steps of biodegradation. This observation alone could give insights on the efficiency of biodegradation.The second part of this work deals with activated sludge wastewater treatment using the theoretical approach developed for soil bioremediation. The efficiency of the process depends on the excess production of sludge, which is linked to the heterotrophic yield of the reaction. This parameter is a key component for modeling and optimization of wastewater treatment plant. Most of the time, its common definition is not sufficient to explain its observed variations. In this context, several phenomenological models derived from the activated sludge models were studied to explain these variations, taking into account the substrate storage process. An experimental study was conducted in order to confront the reactional hypothesis of the models to actual measurements of single substrate degradations in respirometer. The balance between substrate storage and direct growth was proposed as a main component of the yield value. This study resulted in a necessary clarification of the heterotrophic yield definition., Les bioprocédés environnementaux prennent une place de plus en plus importante dans le paysage industriel mondial. La complexité et la diversité des processus impliqués dans les réactions biologiques de dégradation des polluants limitent considérablement la compréhension et l'utilisation de ces procédés. De plus, les mesures disponibles pour le suivi de cette activité sont souvent hors-ligne et/ou indirectes. Dans ce cadre, les outils de modélisation phénoménologique permettent, via le choix d'hypothèses judicieuses, de lier les observations du système aux processus biologiques sous-jacents. Ces méthodes nécessitent néanmoins l'application d'une étude rigoureuse d'identifiabilité afin de pouvoir exploiter correctement les résultats obtenus. Les modèles ainsi développés permettent de capitaliser des connaissances sur la description des processus biologiques grâce aux mesures effectués sur le système. Cette approche a été développée au travers de deux cas d'étude, correspondant à deux domaines d'application industrielleLa bioremédiation des sols contaminés aux hydrocarbures constitue la méthode la plus écologique de traitement des sols. Néanmoins, le processus de biodégradation peut être long voire, inexistant en fonction des conditions environnementales. Afin de mesurer l'efficacité de la dégradation, la mesure de la respiration en phase gaz apparaît comme étant l'observation la plus facile à mettre en œuvre. Le problème est que la simple mesure de la consommation d'oxygène est généralement insuffisante. Pour répondre à cette limite, un modèle capable d'expliquer les évolutions du quotient respiratoire apparent grâce aux différentes étapes de la biodégradation a été développé. Cette mesure pourrait alors donner une indication sur l'efficacité de la biodégradation.La seconde partie de ce travail, plus conséquente, s'intéresse à l'épuration des eaux usées par boues activées, elle reprend et amplifie l'approche méthodologique développée pour la biomédiation des sols. L'efficacité de ce traitement des eaux est grandement liée à la production de boues en excès, exprimée par le rendement hétérotrophe. Ce paramètre difficile à maitriser constitue une information primordiale pour la modélisation et la conduite des stations d'épurations. Il apparaît néanmoins que sa définition usuelle ne suffit pas à expliquer ses variations observées. Dans ce cadre, différents modèles phénoménologiques issus des travaux du groupe de travail ASM (Activated Sludge Modeling) ont été étudiés afin de décrire les variations de ce rendement apparent en introduisants les hypothèses réactionnelles liées au stockage du substrat. Une étude expérimentale en laboratoire a permis de confronter ces hypothèses à des mesures de dégradation de substrats purs par des boues activées en respiromètre. L'équilibre entre le stockage du substrat et la croissance bactérienne a ainsi été proposé comme source d'influence majeure sur la valeur du rendement. Ce travail a abouti à une clarification nécessaire de la définition du rendement hétérotrophe.

This thesis presents physicochemical study devoted to treatment of aqueous solutions contaminated by metal cations using complex coacervation and recovery of reactants. The aim of this research study was to assess the benefits of coacervation with respect to the usual approach that involves the combination of metal complexation with polymers and their removal from solutions by ultrafiltration. The first part was devoted to the state of the art, the second on reports the study concerning the combination of two complementary polyelectrolytes, the polyacrylic acid and polyethyleneimine, in order to optimize the simultaneous removal of mono and divalent cations in a reduced number of steps. The order of addition was of main importance on the quality and the easiness of separation. The most effective separation was obtained when the polyethyleneimine was used to end the charge neutralization of the metal polyacrylate complex. In this conditions, a gravy separation may be carried easily, but the ultrafiltration of supernatant solutions significantly improved the removal of Pb-and colloidal species colloidal species. The third chapter presents the first step of the sludge treatment which aims at encouraging the recycling of metals and reuse of polyelectrolytes. In this part, electrolysis and selective precipitation using iron sulphide were assessed to remove metals. The the most favorable method for metal recycling and polyelectrolyte reuse was electrolysis in moderately acid conditions. The last part reports a study for the separation of polyacrylic acid and poly ethyleneimine from the free metal sludges as it was shown that the removal of metal contamined solutions was much more effective when the polyelectrolytes are added separately. Polyelectrolytes separation was compared using acetone for the polyacrylate precipitation and ultrafiltration.Whereas the former method was effective, but not green, the latter was not found compatible with the selective separation of the polyelectrolytes; Cette thèse présente une étude physico-chimique concernant le traitement d’eaux contaminées par des cations métalliques en utilisant la coacervation complexe et la régénération des réactifs. Cette recherche a été menée afin d’évaluer les bénéfices de la coacervation par rapport à l’approche traditionnelle de la combinaison de la complexion métallique par des polymères avec leur séparation par ultrafiltration. Après un premier chapitre consacré à l’état de l’art, le deuxième concerne l’étude de la combinaison de deux poly-électrolytes complémentaires, l’acide polyacrylique et la poly-éthylèneimine, pour optimiser l’élimination simultanée de cations mono et divalents en un nombre réduit d’étapes. L’ordre d’addition des réactifs s’est avéré primordial sur la qualité et l’aisance de la séparation. L’action de la séparation la plus efficace a été obtenue lorsque la poly-éthylèneimine vient parachever la neutralisation du complexe métal polyacrylate. Cette séparation peut alors être facilement obtenue par voie gravitaire, mais l’ultrafiltration des surnageants améliore significativement l’élimination d’espèces colloïdales du plomb et du cadmium. Le troisième chapitre présente la première partie du traitement des boues métalliques qui vise à favoriser le recyclage des métaux et la réutilisation des poly-électrolytes. Dans cette partie, la séparation des métaux a été étudié par électrolyse et par précipitation sélective à l’aide du sulfure de fer. L’électrolyse en milieu acide, s’est avérée la méthode la plus favorable au recyclage du métal et à la récupération des poly-électrolytes. Le dernier chapitre concerne la séparation des deux poly-électrolytes en vue de leur réutilisation comme réactif de traitement, car il a été démontré que le traitement des métaux dans les solutions contaminées est bien meilleur lorsque les deux poly-électrolytes sont ajoutés de manière espacée. Un traitement par précipitation sélective du polyacrylate de sodium avec l’acétone a été comparé avec la séparation par ultrafiltration. Tandis que le premier s’est avéré efficace, mais polluant, le second n’a pas permis de trouver des conditions favorables à la séparation des deux poly-électrolytes.

Permanent production and use of organic chemicals for many purposes has resulted in their introduction and accumulation in the environment. Depending on their physicochemical properties they can be transported by different ways from the source to very remote regions of the planet. Many organic chemicals are used in agriculture as pesticides for cultures protection or nutrient. Residues of these chemicals can always be found in fields, and under the effect of precipitations they leach and pass in streams and rivers. Pharmaceuticals and personal health care products and other house holding chemicals are continuously introduced in the environment through municipal wastewaters. These substances exhibit, in most of the cases, perturbation effects towards the living organisms, moreover the effect of many of them is not known yet. Despite their concentration in water is low, the exposure of organisms for long periods can lead to negative consequences, but these effects cannot be measured instantly. In order to reduce or avoid the pollution of water with chemicals many water treatment methods has been developed like adsorption of pollutants on adsorbents, membrane filtration, microbiological treatment, chemical oxidation with oxidizing agents and advanced oxidation processes. Most of the methods used in waste water treatment plants (WWTP) do not completely destroy the organic contaminants or they only separate the contaminants from water. Then they have to be deposed somewhere else remaining always a potential source of contamination. Advanced oxidation processes and in particular electrochemical advanced oxidation processes are methods developed later and are proven as more effective as they can completely oxidize the organic matter in water. The subject of this thesis is the use of electro-Fenton, an electrochemical advanced oxidation process for efficient destruction of organic pollutants in aqueous medium. In this method, organic pollutants are eliminated by H hydroxyl radicals (high oxidation power species) which are produced in situ through the Fenton's reagent (H2O2 + Fe2+) itself generated in the solution electrochemically and continuously. In this process, the electrode material is of fundamental importance in order to have an efficient process, so we have studied at large extent the influence of both cathode and anode material in this work. Firstly a systematic study on the oxidation capacity of the process of amoxicillin (AMX) as model pollutant with several anodes materials: BDD, Pt, DSA, PbO2 Carbon felt, Graphite and Carbon fibre was realised. In all cases a stainless steel electrode was used as cathode. The degradation of AMX was followed by HPLC analysis whereas the mineralization efficiency ot the process was measured by total organic carbon analyser (TOC). This revealed that BDD was the most efficient anode for AMX oxidation and DSA was the weakest one. Carbon felt showed a characteristic behaviour; it was very efficient on AMX oxidation but it could not transform AMX to CO2 and H2O. Afterwards four anodes were tested for their influence on electro-Fenton process efficiency namely Pt, BDD, DSA and Carbon felt, the cathode was always carbon felt. Sulfamethazine (SMT) was used as model pollutant. Apparent rate constants have given only moderate values of mineralization for currents lower than 100 mA. Here again the BDD anode was distinguished for its excellent mineralization capacity owing to the additional hydroxyl radicals and other oxidizing species introduced in the system. When electro-Fenton applied good degradation and mineralization results were obtained even with the DSA anode (...); La production ainsi que l'utilisation massive des produits chimiques pour divers usages, a résulté à leur introduction et accumulation dans l'environnement. Ces produits peuvent se transporter par différentes façons de leur source à des régions très lointaines de la planète, ce qui dépend de leur propriété physico-chimiques. Une quantité et variété importante de composés organiques sont utilisées dans l'agriculture comme pesticides, afin de protéger les cultures et augmenter les rendements. Les résidus de ces produits peuvent toujours se trouver dans les champs, puis sous l'effet des précipitations ils passent par lixiviation dans les fleuves et d'autres system aqueux. Les produits pharmaceutiques et les produits de soins personnels sont introduits dans l'environnement de façon continue par les eaux usés municipales. Ces substances manifestent, dans la plus part des cas, des effets perturbants sur les organismes vivants. Malgré leur concentration faible dans les eaux naturelles, le contact permanent des organismes aquatiques peut avoir des conséquences négatives telles que la modification du comportement sexuel observé chez les poissons d'eau douce. Dans le but de réduire ou éliminer la pollution chimique des eaux des nombreuses méthodes ont vu le jour, telles que: l'adsorption des polluants sur des adsorbants, la filtration membranaire, le traitement microbiologique, l'oxydation chimique et les procédés d'oxydation avancée. La plus part des méthodes utilisées dans les stations d'épuration des eaux ne détruisent pas efficacement les contaminants organiques. L'utilisation des méthodes physiques permet de les séparer de l'eau, ce qui nécessite des opérations supplémentaires pour leur élimination. Au contraire, les procédés d'oxydation avancée et en particulier les procédés électrochimiques d'oxydation avancée (méthodes développées récemment) se montrent plus efficace dans l'élimination des polluants toxiques et non-biodégradables, car ces procédés sont capables à conduire jusqu'à minéralisation totale de la matière organique. Le sujet de cette thèse repose donc sur l'application du procédé électro-Fenton qui est un procédé électrochimique d'oxydation avancée pour la destruction des contaminants organiques dans l'eau. Cette méthode fait appel aux radicaux hydroxyles (espèces très oxydantes et extrêmement réactives) pour l'élimination des polluants récalcitrants, qui sont produit in situ à travers le réactif du Fenton (H2O2 + Fe2+). Ce réactif est généré in situ électrochimiquement. . Dans ce procédé la nature du matériau de l'électrode a une importance cruciale. Ainsi nous avons étudié dans ce travail l'influence du matériel de l'anode et de la cathode sur l'efficacité du procédé électro-Fenton. Dans un premier temps nous avons étudié de manière systématique le pouvoir d'oxydation d'anode comme de différentes matériaux d'anodes tels que : BDD, Pt, DSA, PbO2, Feutre de carbone, Graphite et Fibre de carbone dans l'oxydation de l'antibiotique amoxicilline (AMX). Dans tous les cas une électrode d'acier inox a été utilisée comme cathode. La dégradation de AMX a été suivie par l'analyse CLHP alors que la minéralisation de ses solutions par l'analyseur du carbone organique totale (COT). Il s'est avéré que l'anode BDD a était l'anode la plus puissante pour l'oxydation de l'AMX tandis que l'anode DSA a présenté les performances les plus faibles. D'autre part, le feutre de carbone a présenté un comportement caractéristique; il était très efficace sur l'oxydation de l'AMX mais ces performances en minéralisation étaient médiocres. Dans l'étape suivante, quatre anodes (Pt, BDD, DSA and Feutre de carbone) ont été testées pour élucider leur influence sur l'efficacité du procédé électro-Fenton, en utilisant toujours une cathode de feutre de carbone. L'antibiotique sulfamethazine (SMT) a été choisi comme polluant modèle (...)

Detention basins are at stake in urban stormwater discharges (USWD) management strategies. If well designed, they are not only used to mitigate stormwater flood impacts but also to trap metals and hydrocarbon compounds strongly bounded to total suspended solids (TSS). An experimental monitoring, in the framework the Field Observatory on Urban Hydrology (OTHU), was developed on a large dry detention basin located at the outlet of a catchment drained by a separate stormwater system. This basin presents a rather classical and current configuration.A sum of 100 substances was studied: 22 metals (ETM), 16 polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), 2 alkylphenols (AP), 5 ethoxylate alkylphenols (APEO), Bisphénol A, 9 polybromodiphenylethers (PBDE) and 45 pesticides. They were analyzed in both dissolved and particulate phases in water at the inlet and outlet of the device. 67% of MP studied was detected at least once at the inlet or outlet. Event mean concentrations were in the same range as literature data when available and showed an important variability.Event mass efficiency (EME) in trapping MP was assessed by different methods taking account for global uncertainties. Acceptable efficiency was found for most of ETM and PAH and in a lesser extent for PBDE and APEO on a limited number of campaign. The detention basin had only a positive impact on alkylphenols (4-Tert-Octylphenol and 4-Nonylphenol) for one campaign out 5. Negative values for 7 pesticides (among 15 detected) indicated possible pollutant release. Accumulated sediments study showed high MP concentrations in particular for metals, PAH, 4-Nonylphenol, BDE209 and Diuron. Lastly, different levels of models were tested to try to identify relevant ones for further work., Les bassins de retenue des eaux pluviales constituent des éléments importants de gestion des rejets urbains de temps de pluie (RUTP). De nombreuses études montrent que, lorsqu’ils sont bien conçus, ils permettent de lutter contre les inondations et de décanter efficacement la pollution métallique et les hydrocarbures fortement fixés aux matières en suspension (MES). Le travail se propose d’étudier les performances de ce type de système afin d’en mesurer et d’en modéliser leur efficacité en termes d’abattement de micropolluants à une échelle évènementielle. Pour cela, il a été développé un suivi expérimental d’un bassin en service sec et étanche de grande taille localisé à l’exutoire d’un bassin versant drainé par un réseau d’assainissement séparatif pluvial faisant partie de l’Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine (OTHU). Ainsi un total de 100 micropolluants (MP) a–t-il été suivi : 22 éléments traces métalliques (ETM), 16 hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), 2 alkylphénols (AP), 5 alkylphénols éthoxylates (APEO), Bisphénol A, 9 polybromodiphényléthers (PBDE) et 45 pesticides. Dans les eaux, ils ont été analysés en phase dissoute et particulaire en entrée et en sortie. 67 % des MP recherchés ont été détectés au moins une fois en entrée ou en sortie. Les concentrations moyennes évènementielles à l’exutoire du bassin versant alimentant l’ouvrage sont comparables aux données de la littérature quand elles existent et montrent une grande variabilité. L’efficacité massique évènementielle (EME) de piégeage des MP a été évaluée selon différentes méthodes, prenant en compte les incertitudes totales. L’efficacité est avérée pour la majorité des ETM et HAP, sur un nombre limité de campagnes pour les PBDE et les APEO, très limité pour le 4-Tert-Octylphénol et le 4-Nonyphénol (1 sur 5). Les performances de l’ouvrage ont été mises en avant pour 7 pesticides (sur 15 détectés) mais des efficacités négatives témoignent d’un relargage possible des polluants. L’étude des sédiments accumulés dans le bassin depuis 6 ans montre qu’ils sont assez chargés tant en métaux, HAPs qu’en 4-Nonylphénol, BDE209 et Diuron. Enfin, nous avons expérimenté 3 niveaux de modèles afin d’identifier des pistes pertinentes pour la suite des travaux dans ce domaine.

The issue of the removal of excess fluoride ions present in well water for human consumption can be solved using several methods. In this PhD thesis, four processes have been tested: adsorption using cuttlefish bone particles, adsorption on calcite particles with acid acetic addition, nanofiltration and ion exchange. The aim is to optimize the different processes by using model solutions of fluoride ions, and to treat a Tunisian groundwater at these optimal conditions. The limiting concentration given by the WHO is 1,5 mg.L-1. The adsorption using cuttlefish bone, available in Tunisia, is simple to implement and provides treatment at small scale with very competitive costs by using a non-toxic material. Defluorination of groundwater shows that the water treated with cuttlefish bones has a residual fluoride concentration of 1.3 mg L-1 (TR = 61.5%). In the case of precipitation of fluoride ions in the form of fluorite followed by microfiltration, the addition of acetic acid to the particles of calcite (CaCO3) promotes the removal of fluoride. Defluorination groundwater shows that the treated water has a residual fluoride concentration of 1.24 mg L-1 (TR = 53.7 %). Using a ion exchange resin Purolite A520E, defluorination groundwater shows that water treated has a residual fluoride concentration of 1.2 mg L-1 (TR = 54%). Nanofiltration is particularly interesting as it allows the treatment of large volumes. The retention of fluoride ions are again satisfactory (88% and 57%); La problématique de l’élimination de l’excès d’ions fluorure présents dans les eaux de forage destinées à la consommation humaine peut être résolue en utilisant plusieurs méthodes. Dans cette thèse, les procédés testés sont : l’adsorption sur des particules d’os de seiche, l’adsorption sur des particules de calcite en présence d’acide acétique, la nanofiltration et l’échange d’ions. L’objectif est d’optimiser les différents procédés pour des solutions modèles en ions fluorure, puis de réaliser pour ces conditions optimales le traitement d’une eau de forage tunisienne. La concentration limite en ions fluorure imposée par la WHO est de 1.5 mg.L-1. Les essais d’adsorption en utilisant l’os de seiche, disponible en Tunisie, sont simples à mettre en œuvre et permettent des traitements à petite échelle avec des coûts très compétitifs en utilisant un matériau non toxique. La défluoration de l'eau souterraine avec l’os de seiche présente une concentration résiduaire en fluorure de 1,3 mg.L-1 (TR = 61,5%). Dans le cas de la précipitation des ions fluorures sous forme de fluorite suivi de microfiltration, l’addition d’acide acétique aux particules de calcite (CaCO3) favorise l’élimination des ions fluorure. La défluoration de l'eau souterraine montre que l’eau traitée présente une concentration résiduaire en fluorure de 1,24 mg.L-1 (TR = 53,7%). En utilisant une résine échangeuse d’ions Purolite A520E, la défluoration de l'eau souterraine montre que l’eau traitée présente une concentration résiduaire en fluorure de 1,2 mg.L-1 (TR = 54%). La nanofiltration permet de traiter des volumes importants d’eau et les taux de rétention des ions fluorure sont satisfaisants (88% et 57%)

French vertical-flow constructed wetlands (VFCW) directly treating raw wastewater are known to perform well on for SS, COD and nitrification. They are also known to robustly cope with hydraulic overloads during rainfall events. Although numerous systems have been installed in areas equipped with a combined sewer, the limits of stormwater acceptance remain ill-defined and need to be improved. Looking at the various VFCW designs and usages reported in the literature, it is difficult to draw any consensus on their hydraulic limits. Consequently, designing VFCW to accept hydraulic overloads is a complex task, as local context strongly impacts inlet flows produced during rainfall events. Dynamic models appear a requisite for filter design in such cases. Numerical CW models have essentially focused on horizontal flow, with few attempting to study VFCW dynamics which are more commonly tackled via mechanistic models. Although mechanistic models are powerful tools for describing processes within the VFCW, they are generally too complicated to be readily used by designers. The choice between detailed description and easy handling will depend on the modelling aims. If the aim is a global design tool, simplified models offer a good alternative. However, the simplified models geared to studying VFCW dynamics are extremely reduced. They are easy-handling for design and well-adapted to specific purposes (combined sewer overflow -CSO- treatment) but not necessarily to VFCW treating combined sewer wastewater, where long-term infiltration rates vary significantly. Consequently, this PhD thesis work focused on developing a simplified hydraulic model of VFCW to guide designers through the process of adapting VFCW systems to treat domestic wastewater in both dry and rain events. The simplified model makes it possible to link (i) hydraulics, by simulation of ponding time variations, (ii) biological performances, by establishing “dysfunction alerts” based on treatment performance assessment and variations in online N forms effluent from the young VFCW. These “dysfunction alerts” plot the maximal hydraulic load that a filter can accept without compromising its biological activity. The simplified model was used to model long-term hydraulics in the VFCW (i) to analyze the impact of local context and filter design on hydraulic overload acceptance (using “dysfunction alerts” and bypass discharges) and (ii) to propose VFCW designs for accepting hydraulic overload in different contexts. The modelling demonstrates that VFCW can limit days with bypass discharges to less than 20 times per year without jeopardizing filter performances. Moreover, the most problematic scenario on stormwater treatment remains a watershed with high imperviousness coefficient and low slope under a Bretagne-type climate, demonstrating that the filter is more sensitive to periodicity and duration than to intensity of rainfall events., Les filtres plantés de roseaux à écoulement vertical (FPR-V) pour le traitement des eaux usées domestiques sont relativement bien développés en France et permettent de réaliser un traitement poussé de la matière carbonée et la nitrification. La robustesse de cette filière réside également dans sa capacité à accepter des surcharges hydrauliques en temps de pluie. Cependant ces limites d’acceptation hydraulique ne sont pas bien définies et demandent à être optimisées. La conception des FPR-V pour accepter des surcharges hydrauliques est un travail complexe car le contexte local affecte fortement les débits d’eau entrants dans la station lors d’un événement pluvieux. Dans de tels cas, la conception de filtres demande l’utilisation de modèles dynamiques. Ces modèles s’appuient le plus souvent sur une approche mécanistique et sont à l'origine conçus et utilisés pour la recherche. Cependant, si ces modèles sont des outils puissants pour décrire en détail la dynamique du FPR-V, ils sont généralement trop complexes à manipuler pour des utilisateurs non experts. Choisir entre une description détaillée et une manipulation facile dépendra des objectifs de modélisation. Quand des objectifs de dimensionnement global sont visés par les concepteurs, l'utilisation de modèles simplifiés semble une bonne alternative. Les modèles simplifiés sont faciles à utiliser pour la conception de FPR-V mais ils sont peu nombreux. Cependant ils sont adaptés à des configurations spécifiques liées au traitement des surverses de déversoirs d’orage, ce qui n’est pas le cas pour les FPR-V traitant des eaux usées domestiques. En effet, pour ce type de FPR-V les vitesses d’infiltration du système varient considérablement. En conséquence, ce travail de thèse a pour objectif de développer un modèle hydraulique simplifié des FPR-V qui permettra de guider les concepteurs dans le processus d’adaptation des FPR-V pour traiter les eaux usées domestiques des périodes de temps sec et de temps de pluie. Le modèle simplifié permet de relier (i) l’hydraulique du filtre, en simulant le temps de noyage à la surface, et (ii) les performances biologiques, en établissant des «alertes de dysfonctionnement », basées sur l'évaluation des performances épuratoires et sur les variations des formes azotées à la sortie du filtre mesurées en continu. Les «alertes de dysfonctionnement» représentent la charge hydraulique maximale qu'un filtre peut accepter sans compromettre son activité biologique. Le modèle simplifié a été utilisé pour la modélisation hydraulique du FPR-V à long terme (i) pour analyser l’impact du contexte local et la conception du filtre dans l’acceptation de surcharges hydrauliques. Grâce à cet analyse, (ii) on peut proposer les dimensionnements de FPR-V qui arrivent à mieux gérer l’acceptation des surcharges hydrauliques.

Currently, river and lake sediments are contaminated with polychlorinated biphenyls (PCBs), to varying degrees of severity. PCBs are persistent micropollutants in the environment and harmful to health. A research program "PCB-Axelera" is conducted to address this issue and explore solutions to eliminate or decrease the pollution. In France, all prefectural orders (30/10/2002 and 14/06/2000) and the Decree of 18/04/2002 considered contaminated sediments as waste and allow their landfilling in waste storage facility if their PCB concentrations are between 0.68 ppm and 50 ppm. The main objective of this study is to develop a methodology suitable for installation of non-hazardous waste landfill sites. Geomaterials in this storage will be used as a barrier for confinement of contaminated sediment. The study consists of three parts: 1. In the first part, hydro-chemical characterization of sediments contaminated with PCBs is presented. The sediment classification is performed. The mechanical behavior of the sediment is determined using oedometer tests. As for the hydro-mechanical behavior, it is studied using the filter press and the rigid wall permeameter (PPR). This characterization is essential to provide the best implementation of sediment in the storage center. 2. In the second part, the hydraulic performance (permeability) and mechanical (swelling) of various geomaterials in contact with a fluid extracted from the sediment and other synthetic fluids containing PCBs are being explored. The study of swelling of geomaterials is performed on a laboratory scale while studying its water performance was achieved on two centimetric and metric scales. The pilot scale study was conducted on a 1.2 m3 volume tank. The pilot test was equipped with an automatic rain system and an ultrasonic sensor to measure to measure the follow the settlements of the sediment. The permeability of sediments and geomaterials were measured using the pilot test under actual storage conditions . 3. In the third part, a 1D hydraulic model is developed to follow the waterfront in a sediment sample subjected to a hydraulic load representing a PPR experiment. The VER method is used. A water model of the sediment is proposed to reproduce the experimental results. The water retention curve of the sediment is calculated using Durner’s model (1994). The experimental results show that the degree of PCB contamination of the sediments does not affect the hydro-mechanical behavior and therefore the hydro-mechanical performance of the studied geomaterials studied. Numerical simulation results of the hydraulic behavior of sediment are consistent with the experimental results. The solution of landfilling the PCB contaminated sediment is possible since it assure the confinement of the pollution and eliminates the risk of environmental contamination., A l’heure actuelle, des sédiments fluviaux et lacustres se trouvent pollués par les polychlorobiphényles (PCB), à des degrés de gravité divers. Les PCB se présentent comme des micropolluants persistants dans l’environnement et nuisibles à la santé. Un programme de recherche « PCB-Axelera » est conduit afin de pencher sur cette problématique et explorer les solutions de diminution de cette pollution. En France, l'ensemble des arrêtés préfectoraux (30/10/2002 et 14/06/2000) et le décret du 18/04/2002 considèrent les sédiments pollués comme déchets et autorisent leur stockage dans les installations de stockage de déchets si leurs teneurs en PCB sont comprises entre 0,68 ppm et 50 ppm. L’objectif principal de cette étude est de concevoir une méthodologie adaptée pour une installation de déchets non-dangereux ISDND. Les géomatériaux dans ce stockage seront utilisés comme barrière d’étanchéité pour les sédiments pollués. L’étude est composée de trois parties : Dans la première partie la caractérisation hydromécanique chimique des sédiments pollués par les PCB est présentée. La classification des sédiments est effectuée. Le comportement mécanique du sédiment est déterminé à l’aide de l’œdomètre. Quant au comportement hydromécanique il est étudié à l’aide du filtre presse et du perméamètre à paroi rigide (PPR). Cette caractérisation est indispensable pour proposer la meilleure mise en œuvre des sédiments dans le centre de stockage. Dans la deuxième partie, les performances hydraulique (perméabilité) et mécanique (gonflement) des différents géomatériaux en contact avec un fluide extrait du sédiment et d’autres fluides synthétiques contenant des PCB sont explorées. L’étude du gonflement des géomatériaux est réalisée à l’échelle du laboratoire tandis que, l’étude de sa performance hydrique est réalisée sur deux échelles centimétrique et métrique. L’étude menée sur un pilote de 1,2 m3 de volume comprenant un système de pluviation automatique a permis de suivre les tassements à l’aide d’un capteur ultrason et de mesurer la perméabilité des sédiments et des géomatériaux sous conditions réelles de stockage. Dans la troisième partie, un modèle hydraulique 1D est développé afin de suivre le front d’eau au sein d’un échantillon de sédiment soumis à une charge hydraulique représentant l’expérimentation dans un PPR. La méthode VER est utilisée. Les résultats expérimentaux montrent que le degré de contamination en PCB de ces sédiments n’influence pas le comportement hydromécanique et donc la qualité d’étanchéité des géomatériaux étudiés. Les résultats numériques de simulation du comportement hydraulique du sédiment sont en concordance avec les résultats expérimentaux. La solution de stockage hors site des sédiments pollués est alors envisageable puisqu’elle confine la pollution en éliminant le risque de contamination du milieu environnant.

The heterogeneity of the unsaturated zone plays an important role in the water and solutes transfer as it accentuates both the development of stagnant zones for water and preferential flow. Therefore, the validation of predictive models requires the development of specific experimental tools to observe and quantify the transport mechanisms involved in a heterogeneous unsaturated system. The aim of this thesis is to describe the combined effect of infiltration, capillary barrier and sloping layered soil on both flow and solute transport processes in a large physical model (1x1x1.6 m3) called LUGH (Lysimeter for Urban Groundwater Hydrology) and a 3D numerical flow model. Sand and a soil composed of a bimodal sand-gravel mixture were placed in the lysimeter represent one of the commun structural and textural elements of the heterogeneity observed in the vadose zone under an infiltration basin of Lyon (France). The soil was compacted in two configurations: a uniform profile and a profile with two layers having a slope of 14°. Water and an inert tracer (KBr) were injected from the top of the lysimeter using a specific water sprinkler system and collected at 15 different outlets at the bottom. The 15 breakthrough curves obtained presented high heterogeneity, emphasising the establishment of a preferential flow resulting from both capillary barrier and soil layer dip effects. Numerical modelling led to better understanding of the mechanisms responsible for these heterogeneous transfers and it was also used to perform a sensitivity analysis of the effects of water velocity (water and solute flux fed by the sprinkler) and the slope interface. The results show that decreasing velocity and increasing the slope of the interface can lead to the development of preferential flows. In addition, the offset of the centre of gravity of the flow distribution at the output increases linearly as a function of the slope angle of the layered soil. This paper allows coupling the hydrodynamic approach with the transfer of pollutants in unsaturated heterogeneous soil and highlighting preferential flow by flow modeling., L’hétérogénéité de la zone non saturée joue un rôle important dans le transfert d’eau et de soluté car elle accentue à la fois le développement des zones de stockage temporelles et les écoulements préférentiels. Par conséquent, la validation des modèles prédictifs nécessite le développement des outils expérimentaux spécifiques afin d’observer et de quantifier les mécanismes de transport impliqués dans un système non saturé hétérogène. Cette thèse vise à étudier l’effet combiné de la vitesse d’infiltration, de la barrière capillaire et l’angle de la pente d’interface entre deux matériaux sur les processus de l’écoulement de l’eau et du transport de soluté dans un modèle physique, le lysimètre de laboratoire 1x1x1.6 m3, nommé LUGH (Lysimeter for Urban Groundwater Hydrology) et un modèle numérique 3D de ce lysimètre. Le lysimètre LUGH est rempli par un sable fin et un mélange bimodal (50 % sable fin et 50 % gravier) en deux configurations: un profil uniforme de matériau bimodal ou un profil avec deux couches avec une pente de 14o. Ces agencements figurent l’hétérogénéité structurale et texturale observée sur un des sites expérimentaux de l’OTHU (Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine) : le bassin d’infiltration d’eaux pluviales Django Reinhardt géré par la ville de Lyon (France). Le lysimètre est alimenté en eau et avec un traceur inerte (bromure de potassium, KBr) sur une partie de la surface par un système d’arrosage automatique. Les effluents ont été recueillis dans quinze sorties différentes en bas du lysimètre. La forte hétérogénéité des flux des sorties et des courbes de percée souligne la mise en place des écoulements préférentiels résultant à la fois de l’effet de barrière capillaire et de l’effet de fond du lysimètre. A partir des résultats expérimentaux, la modélisation numérique à l’aide de logiciel COMSOL MultiphysicsTM a permis de mieux comprendre les mécanismes responsables de ces transferts hétérogènes. Lorsque le modèle numérique validé, un test de sensibilité a été conduit pour étudier les effets de la vitesse d’infiltration et de la pente de l’interface sur l’écoulement. Les résultats montrent que la diminution de la vitesse d’infiltration ou l’augmentation de la pente de l’interface favorisent le développement des écoulements préférentiels. Notre étude a donné également des renseignements pertinents sur le couplage entre les processus hydrodynamiques et le transfert des solutés dans les sols non saturés hétérogènes en soulignant le rôle de la géométrie des interfaces ainsi que celui des conditions aux limites comme des facteurs clés pour la quantification des écoulements préférentiels.

French vertical-flow constructed wetlands (VFCW) directly treating raw wastewater are known to perform well on for SS, COD and nitrification. They are also known to robustly cope with hydraulic overloads during rainfall events. Although numerous systems have been installed in areas equipped with a combined sewer, the limits of stormwater acceptance remain ill-defined and need to be improved. Looking at the various VFCW designs and usages reported in the literature, it is difficult to draw any consensus on their hydraulic limits. Consequently, designing VFCW to accept hydraulic overloads is a complex task, as local context strongly impacts inlet flows produced during rainfall events. Dynamic models appear a requisite for filter design in such cases. Numerical CW models have essentially focused on horizontal flow, with few attempting to study VFCW dynamics which are more commonly tackled via mechanistic models. Although mechanistic models are powerful tools for describing processes within the VFCW, they are generally too complicated to be readily used by designers. The choice between detailed description and easy handling will depend on the modelling aims. If the aim is a global design tool, simplified models offer a good alternative. However, the simplified models geared to studying VFCW dynamics are extremely reduced. They are easy-handling for design and well-adapted to specific purposes (combined sewer overflow -CSO- treatment) but not necessarily to VFCW treating combined sewer wastewater, where long-term infiltration rates vary significantly. Consequently, this PhD thesis work focused on developing a simplified hydraulic model of VFCW to guide designers through the process of adapting VFCW systems to treat domestic wastewater in both dry and rain events. The simplified model makes it possible to link (i) hydraulics, by simulation of ponding time variations, (ii) biological performances, by establishing “dysfunction alerts” based on treatment performance assessment and variations in online N forms effluent from the young VFCW. These “dysfunction alerts” plot the maximal hydraulic load that a filter can accept without compromising its biological activity. The simplified model was used to model long-term hydraulics in the VFCW (i) to analyze the impact of local context and filter design on hydraulic overload acceptance (using “dysfunction alerts” and bypass discharges) and (ii) to propose VFCW designs for accepting hydraulic overload in different contexts. The modelling demonstrates that VFCW can limit days with bypass discharges to less than 20 times per year without jeopardizing filter performances. Moreover, the most problematic scenario on stormwater treatment remains a watershed with high imperviousness coefficient and low slope under a Bretagne-type climate, demonstrating that the filter is more sensitive to periodicity and duration than to intensity of rainfall events., Les filtres plantés de roseaux à écoulement vertical (FPR-V) pour le traitement des eaux usées domestiques sont relativement bien développés en France et permettent de réaliser un traitement poussé de la matière carbonée et la nitrification. La robustesse de cette filière réside également dans sa capacité à accepter des surcharges hydrauliques en temps de pluie. Cependant ces limites d’acceptation hydraulique ne sont pas bien définies et demandent à être optimisées. La conception des FPR-V pour accepter des surcharges hydrauliques est un travail complexe car le contexte local affecte fortement les débits d’eau entrants dans la station lors d’un événement pluvieux. Dans de tels cas, la conception de filtres demande l’utilisation de modèles dynamiques. Ces modèles s’appuient le plus souvent sur une approche mécanistique et sont à l'origine conçus et utilisés pour la recherche. Cependant, si ces modèles sont des outils puissants pour décrire en détail la dynamique du FPR-V, ils sont généralement trop complexes à manipuler pour des utilisateurs non experts. Choisir entre une description détaillée et une manipulation facile dépendra des objectifs de modélisation. Quand des objectifs de dimensionnement global sont visés par les concepteurs, l'utilisation de modèles simplifiés semble une bonne alternative. Les modèles simplifiés sont faciles à utiliser pour la conception de FPR-V mais ils sont peu nombreux. Cependant ils sont adaptés à des configurations spécifiques liées au traitement des surverses de déversoirs d’orage, ce qui n’est pas le cas pour les FPR-V traitant des eaux usées domestiques. En effet, pour ce type de FPR-V les vitesses d’infiltration du système varient considérablement. En conséquence, ce travail de thèse a pour objectif de développer un modèle hydraulique simplifié des FPR-V qui permettra de guider les concepteurs dans le processus d’adaptation des FPR-V pour traiter les eaux usées domestiques des périodes de temps sec et de temps de pluie. Le modèle simplifié permet de relier (i) l’hydraulique du filtre, en simulant le temps de noyage à la surface, et (ii) les performances biologiques, en établissant des «alertes de dysfonctionnement », basées sur l'évaluation des performances épuratoires et sur les variations des formes azotées à la sortie du filtre mesurées en continu. Les «alertes de dysfonctionnement» représentent la charge hydraulique maximale qu'un filtre peut accepter sans compromettre son activité biologique. Le modèle simplifié a été utilisé pour la modélisation hydraulique du FPR-V à long terme (i) pour analyser l’impact du contexte local et la conception du filtre dans l’acceptation de surcharges hydrauliques. Grâce à cet analyse, (ii) on peut proposer les dimensionnements de FPR-V qui arrivent à mieux gérer l’acceptation des surcharges hydrauliques.