Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός μεθοδολογικού σχήματος που συνίσταται από τον CLEAN αλγόριθμο, και την παραγοντική ανάλυση, για τη μελετη χρονοσειρων παραμετρων βιολογικου καθαρισμου βιομηχανιας. Ο CLEAN αλγόριθμος χρησιμοποιείται για την πλήρωση κενών στα αρχικά δεδομένα ώστε να προκύψουν συνεχείς χρονοσειρές, ενώ η παραγοντική ανάλυση ανιχνεύει τις σχέσεις μεταξύ των αρχικών μεταβλητών. Η ανάπλαση των χρονοσειρών αναδεικνύει τις σημαντικότερες πληροφορίες όσον αφορά τη χρονική διακύμανση των κυρίαρχων διεργασιών του βιολογικού καθαρισμού – τα αποτελέσματα ενισχύονται με την εφαρμογή της παραγοντικής ανάλυσης. Η παρούσα εργασία προτείνει ένα σχετικά απλό και αποτελεσματικό μεθοδολογικό σχήμα για τη καλύτερη παρακολούθηση της λειτουργίας μονάδων βιολογικού καθαρισμού. Αναλύθηκαν και μελετήθηκαν δεκατρείς παράμετροι, οι οποίες συλλέχθηκαν σε περίοδο οχτώ ετών. Με την εφαρμογή της CLEAN φασματικής ανάλυσης και της παραγοντικής ανάλυσης επεξεργάστηκαν συνολικά 37.960 δεδομένα. Αρχικά, ο CLEAN αλγόριθμος λειτούργησε με μεγάλη επιτυχία και συμπλήρωσε όλα τα κενά των αρχικών ανεπεξέργαστων δεδομένων και στη συνέχεια με την εφαρμογή της παραγοντικής ανάλυσης φάνηκε ότι επτά διεργασίες ελέγχουν διαχρονικά τη λειτουργία του βιολογικού καθαρισμού. Η CLEAN φασματική ανάλυση σε συνδυασμό με την πολυδιάστατη στατιστική παραγοντική ανάλυση αποτελούν ένα αποτελεσματικό και εξαιρετικά χρήσιμο εργαλείο για την μελέτη περιβαλλοντικών δεδομένων. / The scope of the study is the development of a methodology based on CLEAN algorithm and factor analysis for the study of the time series of parameters from a waste water treatment unit. CLEAN algorithm is used to cover missing data and measurements in order to create a time series without gaps, while factor analysis is used to detect relations and connection between the different parameters. Filling in the gaps in the time series, points out the most important information about frequency and repeatability of the basic procedures in the waste water treatment – those results are further supported by application of the factor analysis. This study suggests a simple and efficient approach for the supervision of waste water treatment units. Thirteen parameters, recorded for an eight years period were analyzed using the suggested methodology. 37.960 data in total were analyzed and processed. CLEAN algorithm was successfully applied to fill the gaps in the data. Factor analysis was used to point out 7 procedures as the key – factors controlling the waste water treatment operation for the whole time period. CLEAN algorithm in combination with the multiparameter statistical factor analysis compose a useful and effective tool for the study of complex environmental systems, like waste water units.

Les travaux présentés dans ce mémoire sont principalement consacrés à l’étude des processus d’adsorption des ions phosphate par des matériaux naturels de Côte d’Ivoire : le schiste ardoisier; le grès et la latérite. L’objectif final est une application de ces matériaux comme massifs filtrants de marais artificiels pour la déphosphatation des ERU (Eaux Résiduaires Urbaines (ERU)). Dans un premier temps, la réactivité des ions phosphate a été abordée vis-à-vis du schiste en réacteurs « batch » et colonne. L’influence de différents paramètres physicochimiques a été caractérisée. La capacité d’adsorption diminue avec la dose de schiste qui augmente. Elle dépend du pH et diminue lorsque celui-ci augmente dans la gamme 2-11 puis ré-augmente au-delà. Une corrélation entre concentration aqueuse en ions calcium, magnésium, aluminium et fer issus de la dissolution du schiste et concentration en ions phosphate en solution a été établie. Une cinétique de pseudo-second ordre a été mise en évidence et les isothermes ont été décrites à partir du modèle de Langmuir. Les expériences réalisées en réacteur colonne, pour une concentration initiale en ions phosphate de 25 mg L-1 et à un débit de 0,23 ml min-1 présentent une percée à V/Vp = 17 correspondant à une capacité de sorption de 0,2 mg g-1en accord avec les expériences en réacteur « batch ». Un réacteur micro-pilote de type marais artificiel à écoulement vertical saturé garni de schiste ardoisier a été développé et les performances vis-à-vis des ions phosphates, de l’azote, des MES (Matières En Suspension) et de la matière organique ont été évaluées. L’influence de la granulométrie du massif filtrant et de la densité de culture du panicum maximum sur la performance de ce micro-pilote a été établie. Le filtre de schiste de granulométrie la plus fine présente une performance épuratoire légèrement supérieure. Le débit d’infiltration dans les filtres diminue après traitement de l’ERU et le taux de colmatage est moins élevé pour les filtres plantés. La densité de culture la plus élevée conduit à une performance épuratoire légèrement plus favorable. La capacité d’adsorption des ions phosphates liée aux plantes seules est faible, confirmant l’importance du choix du massif filtrant. La réactivité des ions phosphate a été finalement étudiée vis-à-vis du grès et de la latérite en réacteurs « batch » et colonne. Le statut du fer, en substitution dans des argiles pour le schiste et sous forme d’hématite et goethite dans la latérite et le grès influence la réactivité du matériau. L’ordre d’efficacité des adsorbants a été établi comme suit : latérite ≥ grès ≥ schiste. Ces trois matériaux offrent des perspectives intéressantes en tant que massifs filtrants de marais à flux vertical saturé / This thesis is devoted to the study of phosphate ions adsorption processes by natural minerals of Ivory Coast, i.e. shale, sandstone and laterite mainly. Phosphate sorption by shale was first investigated in batch and column experiments. Batch experiments allowed the assessment of the influence of initial phosphate concentration, sorbent dosage, contact time, and pH on phosphate removal. The phosphate removal efficiency increased with increasing shale dosage while phosphate uptake decreased. Phosphate uptake strongly depended on pH, decreasing first with increasing pH in the range of 2-11 and then increasing at the highest pH value of 12. A correlation between aqueous Ca, Mg, Al, and Fe concentrations and phosphate uptake was observed. The kinetics was well described using the pseudo-second order model and isotherms with Langmuir sorption model. Column experiments with a flow rate of 1 ml min-1 and 25 mg L-1 initial phosphate concentration showed a breakthrough point at V/Vp of ~17 corresponding to a phosphate uptake of 0.2 mg g-1 in agreement with batch experiments. The performance of shale was evaluated as filter material in (Vertical Flow Constructed Wetland) VFCW in removal of phosphate ions, nitrogen, suspended solids, and organic compounds, using municipal wastewater. The influence of both shale granulometry and plants density was evaluated. The shale with the finest particle size offers a slightly higher efficiency. The flow rate decreased after wastewater treatment and the fooling is less pronounced for planted VFCW. The filter with the highest plant density offers only slightly higher efficiency towards phosphate and nitrate removal. The phosphate sorption capacity of the plants is negligible confirming the importance in the choice of the filter medium. Finally, phosphate removal by shale was compared to sandstone and laterite in both batch and column experiments. The different chemical compositions of the materials influence strongly the reactivity towards phosphate ions. It is supposed that the status of iron in the material, i.e. in substitution in clays in shale and occurring as hematite and goethite in laterite and sandstone, explained the differences of reactivity. Both batch and column experiments revealed that phosphate uptake decreased in the following ranking order laterite > sandstone > shale. These three materials appear as promising filter materials in VFCW

En Lorraine, l’Orne, un affluent de la Moselle, a été affecté par une activité minière et industrielle qui s’est intensifiée depuis le milieu du XIXe siècle et au cours du XXe siècle. Les barrages, créés pour les besoins en eau de l’industrie, ont favorisé l’accumulation de dépôts sédimentaires contaminés en métaux. En effaçant les barrages qui ont perdu leur fonctionnalité première, le cours d’eau devrait retrouver un fonctionnement hydrologique plus naturel, requis par la directive cadre européenne sur l’eau (DCE 2000/60/CE). Les travaux de recherche présentés ont mis en évidence les différents dépôts sédimentaires dans la partie d’aval de l’Orne. Des sédiments ont été prélevés en surface et carottés afin d’être précisément caractérisés d’un point de vue minéralogique et géochimique. Ces analyses ont permis de mettre en évidence le caractère fortement contaminé des dépôts sédimentaires en présents en amont des barrages. De plus, il a été possible, de distinguer les contributions industrielles et naturelles. Ces contributions industrielles mettant en évidence une forte contribution de boues sidérurgiques. L’étude de la minéralogie du fer et de la spéciation du zinc a mis en évidence des marqueurs minéralogiques qui devraient permettre de tracer les sédiments contaminés au sein de la colonne d’eau lors de leur remise en suspension. L’étude de la spéciation chimique du Zn a montré que cet élément était essentiellement stocké sous forme de sulfures. La prédominance de la taille nanométrique à sub-micrométrique de ces sulfures renforce leur probabilité de remobilisation lors d’opérations de réaménagement du cours d’eau ou lors d’évènements hydrologiques intenses (crues) / The Orne River is a tributary of the Moselle River, located northeastern France. During the last two centuries, the Orne watershed was highly industrialized. The introduction of wastes or by-products into the river is highly anticipated. Based on industrial needs, some small dams were built. However, the Directive 2000/60/EC of the European parliament strongly incite the removal of engineered structures (such as dams). This raises the question about the fate of contaminated sediment remobilization. The aims of this work are to identify the different sediment deposits along the Orne River. Surface sediments and sediment cores were collected along the Orne River. The sediments were then analyzed for water content, grain size distribution, pH, major and trace chemical composition using ICP-OES and ICP-MS, respectively, major crystalline minerals (XRD), micrometric (light microscope and SEM) and sub-micrometric (TEM) mineralogy, and Zn speciation at a molecular level (XANES). The chemical and mineralogical composition of the surface sediments revealed lithogenic as well as anthropogenic contributions. Interestingly, the sediment layers of the core collected upstream of the Beth dam showed fingerprints of the former steelmaking facilities. Those deposits were highly enriched in Fe, Zn and Pb, and were fingerprinted by crystalline iron minerals, and by newly formed Fe-aluminosilicates. TEM-EDXS and XANES at the Zn K-edge observations evidenced that Zn was mainly carried as sulfides, and to a lesser extent associated to Fe oxy-hydroxides and Fe-aluminosilicates. The remobilization of the contaminated sediments can then be traced by the unique mineralogical composition

Cette thèse s’inscrit dans l’une des thématiques du «Laboratoire MCEMA», ayant pour projet l’étude physico-chimique des eaux de rivière et l’évaluation de l’influence des activités humaines sur la qualité de l’eau de la rivière LITANI. Ce travail est divisé en trois grandes parties. La 1ère partie a consisté d’étudier les paramètres physico-chimiques (T°, pH, EC, TSS, TDS, ion, etc.) au niveau de l’eau. La 2ème partie s’est concentrée autour de l’analyse des sédiments. Nous avons étudié les sédiments de la rivière de Litani, leurs natures, leurs granulométries, leurs propriétés physico-chimiques (charge et surface spécifique), leurs compositions ainsi que leurs contaminations métalliques. Alors que la troisième a été consacrée à l’étude de l’adsorption de certains polluants présents dans l'eau sur du charbon actif afin d’anticiper sur une étude d’avenir servant à traiter les eaux de cette rivière. Les résultats obtenus entrent dans un projet plus général visant l’étude de méthodes développées pour le traitement des eaux / This thesis is part of one of the focus of research at “MCEMA Laboratory” that concerns the physicochemical study of river water and the evaluation of the possible influence of human activities on the water quality of the Litani River. This work is divided into three principal parts. In the first one, we studied the physicochemical parameters (T, pH, EC, TSS, TDS, ions, etc.) of the water. The second part focuses on the sediment analysis. We studied the sediments of Litani River, their nature, size, composition, physicochemical properties (charge and specific surface area) with the metallic contamination. The third par is devoted the adsorption study of certain pollutants present in water on activated coal in order to anticipate on a future study on the treatment of the water river. The obtained results fall within a broader project on the study of developed methods on the treatment of wastewater