Dans une problématique de réduction des volumes de déchet, l’électro-compression (ou électro-déshydratation) apparaît être une technique efficace pour éliminer une grande partie de l’eau des boues résiduaires urbaines. Cette thèse de doctorat présente différentes contributions à l’étude de ce procédé appliqué à ce type de boues. Un lien entre les données cinétiques et énergétiques est établi par une étude expérimentale à l’échelle du laboratoire. D’autre part, un nouveau modèle relativement simple est proposé pour l’étude et la simulation de l’électro-compression et permet de mettre en avant les phénomènes prépondérants. Enfin, un protocole d’analyse ionique des filtrats et des tranches de gâteaux de boue a permis une étude de la migration des espèces chimiques au cours de l’électro-déshydratation. / In the purpose to reduce waste amount, the electro-dewatering process is a promising technique to efficiently withdraw a large part of the water included in wastewater sludge. This PhD thesis contributes in various ways to the study of this technique. Lab-scale experiments showed correlations between dewatering kinetics and energy consumption of the process. Moreover, a new model, relatively simple, is proposed to study and simulate the process. This model highlights the main phenomena involved in the electro-dewatering. Finally, a study of the migration of chemical species during the dewatering process is carried out thanks to an analytical protocol measuring ions in filtrates and sludge slices.1

Parmi les différentes technologies pour produire un effluent conforme aux normes de rejet en vigueur, les Procédés par Boues Activées sont largement utilisés en tant que traitement biologique du fait de leur faible coût et de leur facilité d’implémentation. Ces procédés réalisent l’abattement des polluants en deux étapes : (1) la biodégradation par des microorganismes dans un bassin d’aération et (2) la séparation de la biomasse par décantation. Les paramètres opératoires peuvent agir sur l’efficacité du procédé, notamment en modifiant les propriétés des boues . L’objectif de ce travail est d’apporter un nouvel éclairage sur cette relation triangulaire en mettant en perspectives les propriétés de taille et de forme des flocs de boues et les performances du procédé de traitement. La première étape pour parvenir à cet objectif a consisté à développer une méthodologie de caractérisation des flocs de boues par analyse d’images à l’aide du microscope automatisé Morphologi G3 de Malvern Instruments. Le protocole de mesure proposé repose sur le choix de la cellule d’analyse, du facteur de dilution, du grossissement, du seuil de niveau de gris mis en œuvre pour la binarisation des images et du nombre total de particules analysées. Des boues provenant de plusieurs stations d’épuration ont été étudiées afin d’évaluer la robustesse de la méthodologie. Des différences en termes de propriétés de taille et forme - Diamètre équivalent (Deq), Circularité (C), Convexité (Cx), Solidité (S) et Rapport d’Aspect (RA) - entre les différentes boues sont clairement apparues. Le protocole de caractérisation de la morphologie étant établi et validé, deux campagnes expérimentales ont été mises en œuvre en utilisant un système à boues activées à l’échelle pilote alimenté par un effluent synthétique. Les descripteurs morphologiques ont été mesurés sur des échantillons d’environ 100 000 flocs permettant d’atteindre une statistique fiable aussi bien sur la taille que sur la forme des agrégats. La performance du procédé a été évaluée en suivant des indicateurs physicochimiques classiquement associés au traitement des eaux usées : Matières en Suspension (MES), Indice de Boue (IB), taux d’abattement de la Demande Chimique d’Oxygène (DCO) et de l’Azote (N). Cette stratégie a permis d’identifier des relations entre les performances d’épuration, la morphologie des agrégats et les paramètres opératoires. Pendant la première campagne, trois valeurs différentes de l’âge de boue ont été imposées : 15, 20 et 30 jours. Lors d’un changement d’âge de boue, la taille et la circularité des flocs biologiques augmentent temporairement avant de se stabiliser à nouveau à leurs valeurs initiales. Ainsi, en régime permanent, les distributions en taille et en circularité semblent indépendantes de l’âge de boue. Lors de la deuxième campagne, trois paramètres opératoires ont été modifiés : la charge organique, le taux de recirculation et le rapport DCO:N. Une charge organique élevée a provoqué une forte augmentation de la taille des flocs et une diminution de leur solidité. Ce résultat peut être expliqué par la croissance de bactéries filamenteuses qui impacte fortement la morphologie des flocs et la performance du procédé. L’augmentation du taux de recirculation et la diminution du rapport DCO:N ont, en outre, induit une légère réduction de la taille des flocs et une évolution peu significative des valeurs de circularité et convexité. L’analyse des distributions en 3 Dimensions couplant les données de taille et de forme s’est révélée un outil prometteur, permettant de proposer des mécanismes responsables de l’évolution des propriétés morphologiques des boues. Enfin, une autre approche a été développée sur la base de deux dimensions fractales reliant l’aire et le périmètre des flocs (Dpf) ou l’aire et la longueur maximale (D2). De brusques variations de Dpf et D2 ont été corrélées avec les phénomènes liés au développement de bactéries filamenteuses. / Among the different technologies dealing with the strict regulations concerning wastewater treatment, the Activated Sludge Process remains extensively applied as a biological treatment because of its low cost and its convenience of implementation. This straightforward technique achieves good levels of organic matter removal combining biodegradation in an aerated tank with solid-liquid separation through a subsequent clarifier. The impact of the operational parameters on process efficiency is presumably correlated to the sludge activity and hence to the flocs properties. In this context, the aim of this work is to bring new insights into this relationship in characterizing the size and the shape of sludge flocs and put the operating conditions and the process performance in perspective. To achieve this objective, a methodology was established first for the morphological characterization of sludge flocs by image analysis thanks to the automated microscope Morphologi G3 from Malvern Instruments Ltd. The steps involved in this methodology consisted in defining some analysis settings including the selection of the sample carrier, the dilution factor, the magnification, the threshold needed for the image binarization and the total number of analysed particles. Analyses were performed on various types of sludge allowing an evaluation of the methodology robustness. Differences clearly appeared in terms of size and shape properties – Circular Equivalent Diameter (CED), Circularity (C), Convexity (Cx), Solidity (S), and Aspect Ratio (AR) between the different types of sludge. The image analysis protocol having been established and validated, two experimental campaigns were run using a lab-scale activated sludge system fed with synthetic wastewater. The morphological descriptors were defined on the base of about 100,000 sludge flocs per sample allowing to reach reliable statistics for both size and shape properties. Process performance was assessed measuring physicochemical parameters commonly associated with wastewater treatment: Total Suspended Solids (TSS), Sludge Volume Index (SVI), Chemical Oxygen Demand (COD) and Nitrogen (N) removal. This strategy has mostly enabled to identify relationships between the treatment performance, the floc morphology and the operating conditions. During the first campaign, three values of solids retention time (SRT) were tested: 15, 20 and 30 days. Increasing the SRT, the size and the circularity of the flocs increased temporarily before recovering their initial values. Under steady state conditions, the size and circularity distributions seem thus to be independent of the SRT. In the second campaign, three operating conditions were modified in turn: the Organic Load Rate (OLR), the recycle rate and the COD:N ratio. A high OLR has promoted a strong increase of flocs size and the decrease of their solidity. This result can be explained by the development of filamentous bacteria that highly impacts the aggregates morphology and hence the process performance. An increase of the recycle rate or a decrease of the COD:N ratio induced a slight reduction of floc sizes and an insignificant evolution of circularity and convexity values. The analysis of the volume-based 3D-distributions crossing size and shape data appeared as a smart tool allowing to propose mechanisms responsible of the changes of the morphological properties of biological flocs. Finally, another approach was developed, based on the estimation of two 2D fractal dimensions linking the area and the perimeter of flocs (Dpf) or the area and the maximum length (D2). Sudden changes of Dpf and D2 were correlated to phenomena related to the presence of filamentous bacteria.

Ce sujet de recherche revêt, d'une part, un caractère théorique puisqu'il aborde le problème d'estimation des systèmes singuliers linéaires et non linéaires à temps discret pour lesquels très peu de résultats sont disponibles et, d'autre part, un aspect pratique, car le modèle utilisé est d'une station d'épuration des eaux usées à boues activées. Dans la partie théorique, nous nous sommes intéressés, dans un premier temps, à l'estimation d'état des systèmes singuliers linéaires en utilisant l'approche d'estimation à horizon glissant. Deux estimateurs optimaux, au sens des moindres carrés et au sens de la variance minimale, ont été présentés. L'analyse de la convergence et de la stabilité de ces estimateurs est traités. Ensuite, nous avons présenté une approche pour l'observation de la classe des systèmes non linéaires lipschitziens à temps discret. En supposant que la partie linéaire de cette classe de systèmes est variante dans le temps, le problème de l'estimation d'état d'un système non linéaire est transformé en un problème d'estimation d'état d'un système LPV. La condition de stabilité de l'observateur proposé est exprimée en terme d'inégalités matricielles linéaires (LMI). Enfin, dans la partie pratique, les résultats obtenus sont validés par une application à un modèle d'une station d'épuration des eaux usées à boues activées.

Le foisonnement filamenteux est un problème récurant dans de nombreuses stations d'épuration à boues activées. L'objectif de ces travaux est d'améliorer la compréhension des mécanismes physiologiques et moléculaires impliqués dans la filamentation des microorganismes, afin de pouvoir orienter de futures stratégies de lutte contre le phénomène de bulking. Sphaerotilus natans, qui peut croître réversiblement sous forme monocellulaire ou filamenteuse, a été utilisée comme bactérie modèle pour cette étude. Différents types de cultures, ainsi que des suivis par cytométrie en flux et marquage au cFDA/SE, ont montré que les diverses souches de S. natans adoptent des morphologies différentes et que les filaments croissent par divisions cellulaires successives et non par un chaînage des bactéries. Une analyse par RT-QPCR a mis en évidence que l'expression du gène sthA augmente fortement après induction de la filamentation et reste ensuite à un niveau élevé. Une comparaison de l'expression protéique des formes monocellulaire et filamenteuse, par LC-MS-MS, a permis d'identifier des protéines impliquées dans la filamentation, et notamment dans la synthèse de la gaine. La concentration intracellulaire en ARNr, mesurée par RT-QPCR, varie durant la croissance de S. natans et d'autres microorganismes, entraînant une diminution importante de l'intensité du marquage FISH, mesurée par cytométrie en flux. L'utilisation de la technique FISH pour quantifier des microorganismes est donc remise en question, d'autant plus dans des matrices aussi complexes que les boues activées. Ces observations mettent également en doute l'hypothèse, émise en utilisant ce mode de quantification, d'une déstructuration des filaments consécutive à un retour à des conditions de culture plus favorables.

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 effectuées sur le système. Cette approche a été développé au travers de deux cas d’étude, correspondant à deux domaines d’application industrielle. La 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 introduisant 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-tine and/or indirect. ln 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 eftïciency ofthe 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 principaux points de dispersion des composés pharmaceutiques dans l’environnement sont les stations d’épuration des eaux usées. A partir de l’analyse de la base de données constituée au cours de ce travail, les quantités de ces composés trouvées dans ces installations peuvent être directement liées à celles de médicaments consommés. La situation, quant à leur élimination de la phase liquide, est contrastée. Ainsi certaines hormones sont éliminées avec des rendements importants mais d’autres ne le sont pas du tout. Les produits radio-contrastants à base d’halogènes et notamment d’iode, soupçonnés d’être cancérogènes, sont majoritairement non biodégradables. Les effets d’antibiotiques sur les boues activées ont été plus particulièrement étudiés du fait de leur consommation, de leur présence dans les milieux aquatiques et de leur action spécifique sur les bactéries. Des expériences permettant d’évaluer la toxicité de ces principes actifs ont été conduites sur des boues activées en réacteur discontinu, avec un suivi de la morphologie des flocs par analyse d’images de microscopie optique. Il a été ainsi observé que, selon la concentration utilisée, l’érythromycine et la tylosine, macrolides largement utilisés respectivement en médecine humaine et vétérinaire, inhibent l’élimination de la pollution organique et dégradent l’ensemble de la biomasse. Ces antibiotiques ont également un effet néfaste sur le métabolisme de l’azote, qu’il s’agisse de l’ammonification, de la nitritation et de la nitratation / The main sources of dispersion of pharmaceutical substances in environment are wastewater treatment plants. Based on the analysis of the database built during this project, the amounts of pharmaceutical substances found in plants can be directly related to the amount consumed. Regarding their elimination from the liquid phase, the situation is very disparate. The elimination yield of hormones can be null or very large. Halogen-based X-ray contrast media (or AOX) are mainly non biodegradable. The effects of antibiotics on activated sludge have been especially investigated due to their consumption, presence in aquatic environment and specific action on bacteria. Batch tests have been performed to evaluate the toxicity of these active pharmaceutical ingredients on activated sludge. Sludge morphology was monitored by analysis of light microscopy images. Depending upon the applied dose, erythromycin and tylosin, two macrolides widely used for human and animal health care, inhibit the elimination of organic pollution and damage biomass. These antibiotics have a deleterious effect on ammonification, nitritation and nitratation

Cette thèse étudie l'interaction entre les stations d’épuration (STEP) et le changement climatique: soit en premier lieu la production ainsi que les émissions de gaz à effet de serre (GES), en particulier le protoxyde d’azote (N2O), généré à la STEP et en second lieu l’effet des pluies plus intenses dues aux changements climatiques sur la STEP. Des campagnes de mesure sur le terrain et la modélisation à échelle réelle ont été utilisées conjointement dans cette recherche. Une campagne de mesure d'une durée d’un mois a été réalisée dans une STEP traitant les eaux usées de 750,000 équivalents habitants, soit la STEP d’Eindhoven aux Pays-Bas. Des capteurs en ligne ont été installés dans la zone d'aération du bioréacteur. Une usine virtuelle de grande échelle, soit la STEP décrit par le Benchmark Simulation Model No.2 (BSM2), ainsi qu’une usine réelle de grande échelle, soit la STEP d’Eindhoven aux Pays-Bas, étaient incluses dans cette étude. Dans les deux cas, les modèles ont été modifiés afin de prendre en compte les GES, en particulier la production de N2O. Deux modèles de boues activées (ASM) ont été développés, soit l’ASMG1 et l’ASMG2d. En plus de la conversion de N2O par les bactéries hétérotrophes, les deux modèles sont en mesure de simuler la production de N2O par la dénitrification catalysée par les bactéries oxydant l'ammoniac (AOB). Les modèles décrivent aussi l'effet de l’oxygène dissous (OD) sur la cinétique de production de N2O par les AOB grâce à une modification de la cinétique d’Haldane. Les résultats montrent que les AOB produisent beaucoup de N2O tandis que les hétérotrophes en consomment considérablement. Les émissions de N2O augmentent lorsque les concentrations de NH4+ sont élevées et que les concentrations d’OD sont modérées (jusqu’à 2.5 mg O2/l dans cette étude). Ces conditions peuvent avoir été créées par le contrôle en cascade de NH4+-OD qui vise à réduire la consommation d'énergie en diminuant les concentrations d'OD lorsque la concentration de NH4+ est suffisamment faible. En outre, ce contrôleur en cascade est une stratégie de rétroaction à gain faible. C'est-à-dire, un retard significatif se produit entre la détection d'une augmentation de NH4+ et l'accroissement de l'aération. Toutes ces propriétés produisent des conditions favorables à la production de N2O par les bactéries AOB. Différents scénarios alternatifs ainsi que des stratégies de contrôle ont été comparés selon la qualité de l'effluent, le coût d’opération et les émissions de GES. Dans le cadre de BSM2, un bon équilibre entre la qualité de l'effluent, le coût d’opération et les émissions de GES a été obtenu avec à la mise en œuvre d'un contrôleur rétroactif pur de l’OD sur la première zone d'aération et d’un contrôleur en cascade de NH4+-DO sur les deux zones d'aération suivantes et en utilisant soit une stratégie d'alimentation étagée ou le contrôle du recyclage des boues afin de gérer les pics de débits. Mots-clés: Traitement des eaux usées par boues activées, contrôle de procédé, campagne de mesures en terrain, modélisation mathématique à échelle grandeur réelle, gaz à effet de serre, protoxyde d’azote, temps de pluie. / This PhD thesis studied the interaction between wastewater treatment plants (WWTPs) and climate change, i.e. the production and emission of greenhouse gases (GHGs), especially nitrous oxide (N2O), from WWTPs and the effect of the climate change induced more intense rain events on WWTPs. Both field measurements and full-scale modelling were pursued in this research. A one-month measurement campaign was performed by installing on-line sensors at the aeration zone of the bioreactor of a 750,000 person equivalents WWTP, i.e. the Eindhoven WWTP in the Netherlands. The models of a full-scale virtual plant, i.e. the Benchmark Simulation Model No.2 (BSM2), and a full-scale real plant, i.e. the Eindhoven WWTP in the Netherlands, were extended with respect to GHG emissions, especially the pathways involving N2O. Two types of extended Activated Sludge Models (ASM) were developed, i.e. ASMG1 for COD/N removal and ASMG2d for COD/N/P removal. Besides heterotrophic N2O production, both proposed models include N2O production by nitrite denitrification by ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and describe the DO effect on AOB N2O production by a modified Haldane kinetics term. Results showed that AOB are the major producer of N2O while the heterotrophs consume N2O considerably. The high N2O emissions occurred under high NH4+ and intermediate DO concentrations (up to 2.5 mg O2/l in this work). Such conditions can be created by NH4+-DO cascade control which aims at reducing energy consumption by lowering the DO concentrations when the NH4+ concentration is sufficiently low. Moreover, this cascade controller is a low-gain feedback control strategy, i.e. a significant delay will occur between the detection of a NH4+ increase and the increase in aeration. All these properties lead to conditions favourable to N2O production by AOB. Different alternative scenarios and control strategies were compared in terms of effluent quality, operational cost and GHG emissions. In the framework of BSM2, a good balance among effluent quality, operational cost and GHG emissions was realized by implementing a pure DO feedback controller in the first aeration zone and a NH4+-DO cascade controller in the following two aeration zones and using either step feed or sludge recycling control to deal with hydraulic shocks. Keywords: Activated sludge, wastewater treatment, process control, field measurements, full-scale mathematical modelling, greenhouse gases, nitrous oxide, wet weather conditions.

L'épandage des boues d'épuration est un mode de valorisation à la fois écologique et économique pour autant que l'on maitrise leur qualité et notamment la concentration des métaux lourds mobilisables. Le cuivre est une molécule très répandue, naturelle dans l'environnement, largement utilisée dans l'industrie et l'agriculture. En conséquence, les quantités de cuivre dans l'environnement ont augmenté, de sorte que ce dernier a été choisi dans cette étude comme représentant de la pollution anthropique pour évaluer sa mobilité en fonction de la qualité des boues épandues et des sols. 9 boues classiques et 2 sols (Sol d’herbe (de France) et sol de riz (du Vietnam)) ont été étudiés ainsi que des boues granulaires. Une méthodologie est proposée pour évaluer l'effet de la boue et de l'origine du sol sur la capacité de lessivage du cuivre lors de l'épandage des boues pour les activités agricoles. Les essais de désorption dans les colonnes de sol amendé par des boues ont montré que: a) quelle que soit l'origine du sol amendé, les boues de lit de roseaux (LR), séchées (BCD), centrifugées (BC) ont présenté une libération de Cu inférieure à 2% tandis que les boues de filtre-presse (BFP), digérées (BD), épaissies (BE) et calcaires (BCh) ont amélioré la disponibilité de Cu dans le sol; b) La lixiviation du cuivre dans le sol d’herbe (du France) amendé par des boues granulaires était supérieure à celle mesurée pour les échantillons classiquesde boues; c) Dans le sol de riz (de Vietnam), l'épandage des boues granulaires a limité la désorption de cuivre par rapport aux échantillons de boue (BCh), de filtre-presse (BFP), digérée (BD) ou centrifugée (BC). Quatre mécanismes sont proposés pour expliquer le devenir du Cu dans les sols: 1) le contrôle; 2) le groupe de Cp1, Cp2, BC, LR and BCD; 3) le groupe de BCh, BD, BE, BFP et 4) le groupe de boue granulaire. Il est constaté que pour le sol de riz contenant une faible teneur en matière organique, l'application de boues granulaires ou d'autres types de boue tels que les boues compostées ou séchées peut non seulement augmenter la teneur en éléments nutritifs, mais aussi réduire la capacité de lixiviation du cuivre. / The spreading of sewage sludge is both ecological and economical in sofar as their quality is controlled and in particular the low level of the heavy metals available. Copper is a very common substance, naturally occurring in the environment, widely used in industry and agriculture. As a result, quantities of copper in the environment have increased, so it has been selected in this study as representing human-induced pollution to assess its mobility in relation to the quality of sludge and soil. 9 different sludges and 2 soils (grass soil from France and paddy soil from Vietnam) were studied as well as granular sludge. A methodology was developed to evaluate the effect of sludge and soil origin on copper leaching ability during sludge application for agricultural activities. Desorption tests in soil-amended sludge columns showed that: a) Whateverthe origin of soil, the centri-dried (BCD), centrifuged (BC), reed-bed (LR) sludges presented a Cu release lower than 2% while filter-pressed (BFP), digested (BD), thickened (BE) and limed (BCh) sludge amended soils increased Cu availability in soil; b) the copper leaching of granular sludge amended grass soil was higher than those measured for conventional sludge samples; c) in paddy soil, landspreading of granular sludge limited the Cu desorption compared to limed (BCh), filter-press (BFP), digested (BD) and centrifuged (BC) sludge samples. Four mechanisms groups are proposed to explain the fate of Cu in soils: 1) the control; 2) the group of Cp1, Cp2, BC, LR and BCD; 3) the group of BCh BD BE and BFP, and 4) the group of granular sludge. It is found that paddy soil containing low organic matter, application of granular sludge orother types such as composted or dried sludge can not only increase the nutrient content but also reduce the leaching capacity of copper.

La bio-augmentation des stations d’épuration est parfois envisagée pour faire face à des situations transitoires au cours desquelles la capacité nitrifiante des boues activées est insuffisante pour traiter efficacement la charge reçue par l’installation. Le succès de cettestratégie repose sur l’activité nitrifiante de la biomasse ajoutée ainsi que sur sa capacitéd’adaptation et de maintien dans les boues activées en place.L’objectif de ce travail était d’évaluer la possibilité d’adaptation des micro-organismes d’une solution commerciale nitrifiante dans une station d’épuration municipale à très faible charge.Les populations nitrifiantes composant la solution étudiée ont été comparées à celles des boues activées de treize stations d’épurations, échantillonnées en été et en hiver. Une démarche couplant des outils de la biologie moléculaire et du génie des procédés a été mise en oeuvre afin d’analyser et de comparer ces populations selon trois axes : diversité, abondance et activité. Cette comparaison a été complétée par une expérience de bio-augmentation en réacteur fermé. D’après les profils obtenus en DGGE, les communautés nitrosantes des stations d’épuration à très faible charge sont généralement dominées par une même espèce appartenant au groupe Nitrosomonas oligotropha.Les biomasses nitrosantes et nitratantes ont été chacune estimées entre 0,5 et 3,5 % de la biomasse totale des boues activées par marquage FISH. La solution commerciale comporteune seule espèce nitrosante, du groupe N. europaea, qui représente 45 % de sa biomasse.Les analyses cinétiques, réalisées par suivi direct des vitesses de réaction (analyses chimiques) et/ou par respirométrie, indiquent que N. europaea adopte une stratégie de type –r contrairement aux bactéries autochtones des boues activées (stratégie de type –K). Ces résultats expérimentaux laissent supposer une faible capacité d’adaptation de la biomasse nitrifiante de cette solution commerciale aux conditions environnementales des stationsd’épuration à très faible charge. En revanche, l’expérience de bio-augmentation a montré sa capacité d’intégration aux flocs, et le maintien de son activité lors de son mélange à des boues activées. / Bio-augmentation is sometimes proposed to cope with transient situations in wastewatertreatment plants, when the nitrifying capacity of the autochthonous biomass is insufficient totreat the nitrogen load.The success of such a strategy is conditioned by the nitrifying activity of the added biomass,its adaptation to local conditions and its residence time in the system.This work aimed at evaluating the adaptation of nitrifying microorganisms from a commercialsolution in very low loaded municipal wastewater treatment plant. Nitrifying populations ofthe studied solution were compared to those of thirteen wastewater treatment plants (activatedsludge), observed in summer and in winter. The analysis and the comparison of the biomasseswere performed using tools from two disciplines: molecular biology and processengineering. Three points were especially characterised: the diversity, abundance and activityof the biomasses. A bio-augmentation experiment performed in a batch reactor completed thecomparison. DGGE profiles showed that Ammonia Oxidising Bacteria (AOB) communities from lowloaded wastewater treatment plants are mostly dominated by the same species related to theNitrosomonas oligotropha.The abundance of ammonia oxidising bacteria and of nitrite oxidising bacteria, estimatedusing the FISH technique, was almost similar, ranging from 0.5 to 3.5 % of the total biomass.The AOB species present in the commercial solution is identified as Nitrosomonas europaea,and represents 45 % of the solution’s total biomass.Kinetic analyses carried out by chemical analysis and/or by respirometry indicate that N.europaea behave as –r strategist, whereas activated sludge’s bacteria are –K strategist. These results suggest a slight adaptation capacity of the commercial solution’s nitrifyingbiomass to environmental conditions prevailing in low loaded municipal wastewater treatmentplants. On the other hand, bio-augmentation experiment showed the capacity of the addedmicroorganisms to integrate the activated sludge flocs and to maintain its activity when addedto activated sludge.

Le traitement de boues de station d'épuration (Boues activées de Marrakech) en mélange avec déchets verts (Palmier dattier) selon deux mélanges dont les proportions : A (1/3 Boues + 2/3 Déchets de palmier) et B (1/2 Boues + 1/2 Déchets de palmier), a été effectué par la filière du compostage, pendant six mois. Au cours du co-compostage, l’intense activité microbienne s’est traduite par une augmentation de température (autour 65 C°) au cours des premières semaines (phase thermophile) et un taux de décomposition final de l’ordre de 40%. Après six mois de co-compostage, le compost final est caractérisé par un rapport C/N voisin de 10, un rapport de NH4+/NO3- < 1, un pH autour de la neutralité signe de maturité des composts. L’analyse FTIR a montré une diminution de l'absorbance des bandes aliphatiques et l'augmentation de la structure de bandes d'absorbance aromatiques reflètent l'état d'avancement du processus d'humification. Le taux d’abattement des lipides totaux est de l’ordre de 43%. Les esters méthyliques d’acide gras (FAMEs) des Gram-positif (i,C15 :0) ont augmenté durant la phase thermophile. Les FAMEs d’origine non spécifique (C6 :0, C14 :0) ont connu une intense diminution, les FAMEs de bactéries non spécifiques représentent une grande teneur durant la phase thermophile. L’indice CPI a augmenté à la fin du co-compostage indiquant l’enrichissement du compost en FAMEs d’origine végétale. Les principaux composés ligneux identifiés, au cours du co-compostage, par Py-GC-MS, sont classés en deux groupes. Le premier est constitué de 7 composés dont la teneur diminue au cours du co-compostage, parmi lesquels : Toluène, 2,4-diméthylbenzène, éthylbenzène, Styrène, 1-éthyl-2-méthylbenzène, 4-méthylphénol et 2-méthylnaphthalène. Le deuxième groupe est constitué de 4 composés qui augmentent au cours du co-compostage : phénol, benzofuran, éthylméthoxyphénol et diméthoxyphénol. Les principaux stéroïdes identifiés sont les C27-C29 sterènes, stanols, 5β-cholesta-3-one, cholesta-3,5-diène et 2 thiostéranes. A l’exception des thiosteranes et quelques composés de C27-C29 cholestenes la concentration relative des stéroides diminue au cours du processus suit à leur attaque microbien. L’abattement total de la teneur des stéroïdes est corrélé positivement avec les indicateurs de maturité du compost (C/N et NH4+/NO3-) ce qui ouvre la voie à une éventuelle utilisation des stéroïdes comme indicateur de dépollution et de maturité de compost. 12 isolats d’actinomycètes ayant une activité antimicrobienne vis-à-vis d’un large spectre des germes pathogènes ont été isolés sur le milieu sélectif CTEA. Le degré d’hygiénisation est confirmé par la diminution de la concentration des coliformes fécaux et totaux, et l’abattement des œufs d’helminthes identifiés (Ascaris sp., Capillaria sp., et Trichuris sp.) vers la fin du co-compostage. La phytotoxicité, déterminée par l’effet des extraits hydrosolubles à différents stades de co-compostage sur la germination et la croissance des radicules (Navet, Cresson, Laitue, Luzerne), a diminué et l’indice de germination dépasse 100%, après six mois de co-compostage. La génotoxicité du chrome hexavalent (Cr(VI)) du substrat de co-compostage est corrélée positivement avec la fréquence des micronoyaux (MN). Après six mois de co-compostage le taux des MN diminue avec un taux d’abattement de 70,4% et 77,2% avec l’abattement de la concentration du Cr(VI) avec 58 et 58,6% respectivement pour le mélange A et B. Ceci ouvrira la voie d’utilisation de cet indice comme un indice de maturité des composts. La diminution de la phytotoxicité et la génotoxicté au cours du co-compostage confirme l’état de stabilisation et de la maturité des co-composts, ce qui pemettra l’épandage de ces composts en tant qu’amendement organique des sols sans risque de contamination du système sol-plante. / The co-composting of activated sludge and lignocellulose waste (palm tree waste) was monitored to study the behaviour of two mixtures, referred to as A (1/3 sludge + 2/3 palm waste) and B (1/2 sludge + 1/2 waste palm) for 6 months. The biotransformation was evaluated by physicochemical and spectroscopic analyses. The thermophilic phase is characterized by a rise in temperature, which peaked at 65°C. This is the result of intense microbial activities. The final composts exhibited a higher degree of decomposition than the controls as shown by a decomposition rate of about 40%, decrease of C/N ratio to around 10 and NH4 +/NO3 - ratio below 1. The decrease of aliphatic absorbance bands and the increase of aromatic absorbance bands follow the progress of the humification process. Total extractable lipid was decreased by 43%. The fatty acid methyl esters (FAMEs) from Gram-positive bacteria (i, C15: 0) increased during the thermophilic phase. FAMEs from non-spécific origin (C6 :0, C14 :0) exhibited a decrease toward the end of co-compostin, linear FAMEs from non-specific bacteria underwent a decrease during co-composting. The CPI index thus increased at the end of the composting process, indicating that the final product was proportionally richer in fatty acids of plant origin. Two lignin groups were distinguished by Py-GC-MS. Group 1 contained toluene, 2,4-dimethylbenzene, ethylbenzene, styrene, 1-ethyl-2-methylbenzene, 4-methylphenol and 2-methylnaphthalene; their relative proportions decreased during co-composting. A second group of 4 components showed concentrations that increased with co-composting time: phenol, benzofuran, ethylmethoxyphenol and dimethoxyphenol. The main steroids identified were C27-C29 sterenes and stanols, 5β-cholesta-3-one, cholesta-3,5-diene and 2 thiosteranes. Except for thiosteranes and some of the C27-C29 cholestenes, the relative concentrations decreased during co-composting due to microbial degradation. The changes in steroids during co-composting, was positively correlated with the physico-chemical parameters of mature compost, especially C/N and NH4 +/NO3 - ratios, opening the way for the use of steroids as indicators of pollution and compost maturity. On the selective CTEA medium, 12 active strains of isolated actinobacteria presented a suppressive action against various pathogens. This may justify that a biotic factor is also an important factor contributing to making co-composting substrates hygienic. The degree hygiene reached is confirmed by the reduction in the faecal and total coliforms, and by the abatement of identified helminth eggs (Ascaris sp., Capillaria sp., and Trichuris sp.) towards the end of the process. The phytotoxicity determined by the effect of aqueous extract, at various stages of the co-composting, performed by monitoring the number of germinated seeds and the rootlets growth of turnip, watercress, alfalfa, and lettuce was decreased, and the growth of radicals that have a germination index that exceeds 100% after six months of co-composting. Hexavalent chromium (Cr(VI)) genotoxicity showed a positive correlation with micronucleus (MN) frequency. After six months of co-composting, the MN rate decreased significantly by 70.4 and 77.2% with decreasing Cr(VI) concentration with 58 and 58.6%, for mixtures A and B respectively. That indicates their suitability for use as a maturity index. During co-composting the abatement rate of phytotoxicity and genotoxicity confirme the maturation and stabilization degree of co-composting end products which encourages their recycling in agriculture as a fertilizer for the soil without any contamination of the soil-plant system.