Les procédés d'osmose inverse (OI) permettent la production d'eau recyclée de très haute qualité grâce à l'élimination de contaminants organiques et inorganiques et de micro-organismes. Le suivi du bon fonctionnement de ce procédé est nécessaire pour valider la rétention des virus pathogènes afin de protéger la santé des usagers. La présence de minéraux et matières organiques dans les effluents rend inévitable le colmatage des membranes lors de leur fonctionnement et diminue ainsi leur performance. Afin d'éviter et d'éliminer ces colmatages, les stations de traitements des eaux utilisent des produits chimiques. Ces derniers vont modifier les performances globales des membranes en polyamide comme par exemple la diminution de la perméabilité à l'eau, et plus particulièrement les performances de rétention des virus, or l'ensemble de ces perturbations n'est que très peu compris et donc peu maitrisé. L'abattement des virus par l'OI sur des membranes intègres ou modifiées (ex : colmatage) ont donc été déterminés en mesurant la rétention d'un virus modèle de type phage MS2 et de substituts comme les sels (mesurés par conductivité), la rhodamine-WT (R-WT) ou les sulfates. La conductivité est, en effet, la technique de contrôle standard dans les stations de traitement des eaux (échelle industrielle).Le premier objectif de ce travail est d'évaluer l'utilisation d'un autre paramètre, les matières organiques dissoutes (DOM) comme nouveau substitut de virus et de déterminer l'impact du dysfonctionnement des procédés d'OI sur l'abattement des DOM et des sels à l'échelle industrielle. Les DOM peuvent en effet également être utilisées comme indicateur de qualité des eaux en fonction de leurs compositions et de leurs concentrations. L'abattement des DOM est donc testé comme nouvelle technique de surveillance afin de distinguer les fuites des changements de performance des membranes. Il est conclu que les DOM peuvent être utilisées comme nouvelle technique de contrôle. De plus, une variation de l'abattement des DOM peut aider à identifier des fuites de manière plus robuste que par l'abattement des sels. Le deuxième objectif est de déterminer l'effet des défauts membranaires sur les abattements d'un virus modèle (phage MS2) et de quatre substituts (R-WT, DOM, sulfate et sels) à l'échelle de systèmes de laboratoire. Deux systèmes à flux longitudinal est utilisés : une membrane plane et un module à spirale. Dans un premier temps, l'effet du colmatage sur les abattements de ces différents virus et substituts est étudié. Le colmatage organique, créé en utilisant un mélange de matières organiques, a pour effet d'augmenter de plus de 0,1 log les abattements de la R-WT, des sels et des DOM. Cette augmentation générale peut être due au blocage des cavités de la membrane et/ou par la sorption des substituts sur les matières organiques.Le colmatage inorganique, créé en utilisant un mélange de sels, n'a pas d'effet sur le rejet des substituts sauf pour les sels qui montre un comportement différent entre les deux systèmes. Dans le système à membrane plane, la couche inorganique permet d'augmenter le passage des sels à travers la membrane. Par opposition, il n'y a pas d'effet sur leur abattement avec le module à spirale. Cette variation entre les deux systèmes peut être causée par la différence de configuration (module à spirale contre membrane plane). Dans un deuxième temps, l'effet du chlore (modes passif et actif) sur la rétention de ces cinq composés est mesuré. Après un contact de 9000 ppm.h de NaOCl à pH 7, la surface membranaire change chimiquement. La formation de liaison Cl dans la couche en polyamide et la rupture des liaisons NH provoquent l'augmentation de la perméabilité à l'eau et diminuent l'abattement de l'ensemble des substituts. Malgré une forte diminution de 1,2 log de l'abattement en sel, l'abattement minimum du phage MS2 reste de 3 log. / One of the major applications of reverse osmosis (RO) process is the production of high quality recycled water by providing a barrier to remove organic and inorganic contaminants as well as pathogens including viruses. In order to protect public health, validation and monitoring of the RO process integrity are necessary to ensure its correct operation. During operation a certain degree of fouling is inevitable and can reduce RO membrane performance. Thus, chemicals are often used in water treatment plants to prevent or remove the membrane fouling. However, these chemicals can modify the integrity of the polyamide layer on RO membrane overtime. Up-to-date, the impact of membrane's physical change on its virus removal efficiency cause by the chemical use during operation is still not well understood.A minimum virus removal efficiency of intact and impaired (e.g. by fouling) RO membranes can be ascertained by measuring the rejection of MS2 phage and virus surrogates such as salt as measured by conductivity, rhodamine-WT (R-WT) or sulphate. However, conductivity measurement is the only full-scale standard monitoring technique. The removal of dissolved organic matter (DOM), which has been used as an indicator of water quality, can possibly be used for this purpose.The first objective of this work was to assess the suitability of DOM as a virus surrogate and to determine the impact of process failure on salt and DOM rejection in full-scale plants. A change of the conductivity does not necessarily mean that the membrane integrity has been breached. Thus, DOM monitoring has been tested and combined with the conductivity monitoring in order to distinguish between leaks and changes in membrane performances. It was concluded that DOM could be used as new monitoring technique. Moreover, a variation of DOM rejection can help identifying leaks better than just conductivity profiling alone.The second objective was to determine the effect of membrane impairments on the rejection of one model virus (MS2 phage) and four virus surrogates (R-WT, DOM, sulphate and salt) using lab-scale RO set-ups. To this aim, two different cross-flow set-ups were used: a flat-sheet and a single 2.5” spiral-wound module.Firstly, the effects of organic fouling and scaling on the rejection of model virus and virus surrogates were studied separately. Organic fouling was created using a mix of organic foulants. The result of this study showed an increase of the rejection by more than 0.1 log for R-WT, salt and DOM. The general increase of the surrogates' rejection might be due to the blocking of cavities of the polyamide membrane and/or to the sorption of surrogates to the fouling layer, which was observed by different autopsy techniques.Scaling was created using a mix of inorganic salts in order to reconstitute the composition of a RO feed water and avoiding the presence of organic foulants. Scaling was found to have no impact on the rejection of all tested virus surrogates except for salt. Salt rejection showed a change of behaviour between different set-ups: with the 2.5” module set-up the inorganic layer led to a stabilisation of the salt rejection, whereas the salt rejection increased with the flat-sheet set-up. This could be explained by the variations of the systems configuration (i.e. spiral module versus flat-sheet, feed spacer height, etc.).Secondly, the long-term impact of membrane ageing by exposure to chlorine, either active under filtration or passive by soaking, on the rejection of the model virus and four surrogates was studied. After a contact time of 9000 ppm∙h NaOCl at pH 7, the membrane surface chemistry changed. The introduction of chlorine in the membrane chemistry and the breakage of amide bonds caused an increase of the water permeability and a decrease of the model virus and virus surrogates rejection.

Le développement de l’énergie nucléaire durant les dernières années nécessite de trouver des solutions pour le stockage et le confinement des déchets radioactifs. Une solution envisagée est l’enfouissement dans les formations argileuses peu perméables comme les argilites. Dans cette perspective, l’Andra a mis l’accent sur l’étude du comportement à court et à long terme de l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx), considérée comme une roche hôte potentielle en France. Dans le cadre de ce projet, une étude expérimentale microscopique et macroscopique sur le comportement thermo-hydro-mécanique de l’argilite du COx a été réalisée. Dans un premier temps, une investigation microstructurale des propriétés de rétention d’eau a été réalisée. L’étude de la courbe de rétention d’eau déterminée par la technique de contrôle de succion par phase vapeur et incluant les changements de volume et de degré de saturation en fonction de la succion le long des chemins de séchage et humidification a été complétée par une étude microstructurale basées sur des mesures porosimétriques par intrusion de mercure sur éprouvettes lyophilisées. On observe que les concepts régissant l’hydratation des smectites peuvent être utilisés pour une meilleure compréhension des effets de changement de teneur en eau sur la microstructure de l’argilite. Le comportement en compression-gonflement avec un aspect microstructural a été étudié par la réalisation d’un programme d’essai oedométriques haute pression et l’utilisation conjointe de la porosimétrie au mercure et le microscope électronique à balayage. Les résultats obtenus ont montré que le potentiel du gonflement était lié à la densité de fissuration engendrée lors de la compression. Le comportement thermo-mécanique de l’argilite du COx saturée a été étudié à partir d’essais de cisaillement et de chauffage en condition drainée réalisés à l’aide d’une cellule triaxiale cylindre creux à faible chemin de drainage. Les essais de cisaillement à 25°Cmontrent des résistances au cisaillement plus faible pour des éprouvettes de plus forte porosité. Les essais triaxiaux à 80°C montrent un comportement plus ductile, une résistance au cisaillement moins importante et pas d’effet significatif sur les paramètres élastiques de l’argilite. L’analyse des résultats des essais de chauffage drainée confirme un comportement plastique contractant, similaire aux argiles normalement consolidées, pour l’argilite du COx. La possibilité de réactivation d’un plan de cisaillement lors d’un essai de chauffage non drainé d’un échantillon de l’argilite du COx est mise en évidence. Les résultats obtenus montrent que la pressurisation thermique du fluide interstitiel peut, du fait du relâchement de contrainte induit, réactiver une fissure de cisaillement existante. Les propriétés d’auto-colmatage de l’argilite du Callovo-Oxfordien, dans une gamme de température de 25-80°C, ont été étudiées par la réalisation d’essais de perméabilité sur un échantillon endommagé par un chargement déviatorique. Les résultats montrent que la présence des plans de cisaillement n’affecte pas la perméabilité, ce qui confirme la bonne capacité d’auto-colmatage de l’argilite du COx / The development of nuclear energy in recent years requires safe solutions for the storage of radioactive waste. A solution proposed for high activity radioactive waste is the storage indeep low permeability geological formations such as claystones. In this perspective, Andra, the French agency for the management of radioactive wastes, supported investigations on theshort and long term behaviour of the Callovo-Oxfordian (COx) claystone, considered as apotential host rock in France. In this framework, a microscopic and macroscopic experimental study on the thermo-hydro-mechanical behaviour of COx claystone was carried out. In this work, a microstructure investigation of the water retention properties of the Cox claystone was performed. The water retention properties were determined by controlling suction through the vapour phase, with also the monitoring of volume changes and changes indegree of saturation as a function of suction along the drying and wetting paths. The study was completed by a microstructure investigation based on the use of mercury intrusion porosimetry on freeze-dried specimens. It was observed that the concepts governing the hydration of smectites appeared useful to better understand the effects of changes in water content and suction on the microstructure of COx claystone. In a second step, the compression-swelling behaviour of the COx claystone was related to micro structure features by performing high pressure oedometer compression tests and byrunning mercury intrusion porosimetry tests and scanning electron microscope observationson specimens submitted to compression and stress release. The results obtained showed that the potential of swelling was linked to the density of cracks generated during compression. The thermo-mechanical behaviour of fully saturated COx claystone specimens was investigated from shear and drained heating tests using a hollow cylinder triaxial device specially developed for low permeability materials. The shear tests at 25°C evidenced lowershear strength on specimens with higher porosity. The preliminary results obtained at 80°Cevidenced a more ductile response, with slightly smaller shear strength and little changes of the elastic parameters at elevated temperature. Drained isotropic heating tests confirmed thecontracting volumetric plastic behaviour of the COx argillite, similar to normally consolidated clays. The effect of thermal pressurisation of the pore water on a specimen with a pre-existingshear plan was investigated. The results showed that undrained heating under shear stress decreased the effective stress, bringing back the sheared specimen to failure. The self-sealing properties of COx claystone at 25 and 80°C were investigated by conducting steady state permeability tests on sheared specimens at various stages. The results showed that the overall permeability of the sheared specimen at 25 and 80°C was comparable to that before shearing, confirming the good self-sealing properties of COx claystone

L’électrodialyse (ED) est principalement basée sur l’action spécifique des membranes échangeuses d’ions (MEIs) et est largement répandue en industrie agroalimentaire pour la stabilisation tartrique des vins, la désacidification et le traitement des jus de fruits, la déminéralisation du lactosérum ou l’élimination et le fractionnement des protéines du lait. Le colmatage organique, accentué par la complexité de composition des effluents alimentaires et leur richesse en composés phénoliques, représente un facteur majeur de limitation de l’efficacité des procédés et des performances des MEIs. Ce phénomène provoque une diminution de la sélectivité de membranes, une augmentation de leur résistance électrique et réduit le rendement énergétique du procédé conduisant à des pertes économiques en industrie. Cette étude consiste principalement à étudier le décolmatage de MEIs par procédés chimiques et biologiques. Des lots de membranes échangeuses de cations (MECs) et d’anions (MEAs) neuves (1 lot de MEC et 1 lot de MEA) et usées (3 lots de MECs et 2 lots de MEAs) à différentes durées d’utilisation en ED dans l’industrie agroalimentaire –application confidentielle- ont été étudiés. L’ensemble des échantillons ont préalablement été caractérisés pour détermination des paramètres physicochimiques (capacité d’échange (CE), épaisseur (Tm), conductivité électrique (km), angle de contact (θ), teneur en eau (WC) ainsi que la fraction volumique de la solution inter-gel (f2) résultant de l’exploitation du modèle microhétérogène), de structure et morphologiques par spectroscopie IR-TF, microscopie optique, microscopie électronique à balayage et mécaniques par essais de traction. Les effets directs et indirects (causés par les opérations de lavage régulières en industrie) du colmatage ainsi que l’anisotropie des propriétés mécaniques de membrane ont été mis en évidence. Des méthodes de nettoyage non agressives et respectueuses de l’environnement ont été expérimentées en mode statique en ex-situ : Solutions salines (NaCl à 35 g.L-1 et eau de mer reconstituée), solution hydro-alcoolique (mélange eau-éthanol 12%, pH=3,5) et solutions biologique utilisant 3 catégories d’agents enzymatiques (Rohalase BX-BXL, β-glucanase / Corolase 7089, endo-peptidase / Tyrosinase, polyphenol-oxydase) dont les conditions opératoires d’activité enzymatiques optimale ont été déterminées. L’évolution de CE, km, θ et f2 ont été suivis en fonction de la durée de nettoyage. Les solutions salines ont un effet négligeable sur le nettoyage en profondeur mais restent efficaces pour le nettoyage de surface. Cependant, l’application de la solution hydro-alcoolique et des solutions d’enzymes se sont avérées être efficaces pour le décolmatage interne et externe et parviennent à rétablir significativement les paramètres suivis. Il a été démontré que les composés phénoliques, principaux constituants des effluents traités, sont en majeure partie responsables du colmatage des MEIs. Ceux-ci forment des nanoparticules colloïdales denses, non perméables aux ions dans les méso- et macropores des MEIs et ne pénètrent pas dans ses micropores. Une modification du modèle microhétérogène selon cette hypothèse a permis de fournir une interprétation adéquate du km et de modéliser la modification structurale de la phase inter-gel engendrée par les mécanismes de colmatages de polyphénols et expliquer les raisons de diminution du facteur f2app. Une méthode d’extraction utilisant un mélange de solvants (25%V/V, acétone/méthanol/isopropanol/eau) a été mise au point et a permis d’extraire certains composés phénoliques de différents lots de MECs et MEAs usées et ont été identifiés par chromatographie liquide à haute performance. Il a été démontré que les interactions entre les composés phénoliques et la matrice polymère étaient principalement régies par l’empilement des cycles aromatiques et des interactions électrostatiques du type CH-pi et pi-pi ainsi que les liaisons hydrogènes / Conventional electrodialysis (ED) is mainly based on the specific action of ion exchange membranes (IEMs) and is widely used in food industry for tartaric stabilization of wines, deacidification and treatment of fruit juices, demineralization of whey or elimination and fractionation of milk proteins. The organic fouling, accentuated by the complex composition of the food effluents and their richness in phenolic compounds, represents a major limitative factor of the process efficiency and the IEMs performance. This phenomenon causes a decrease in the selectivity of membranes, an increase in their electrical resistance and reduces the energy efficiency of the process leading to economic losses in industry. This study mainly consists in studying the IEMs cleaning by chemical and biological methods. Two batches of new membranes (cation- (CEMs) and anion-exchange membranes (AEMs)) and five batches of used ones (3 CEMs and 2 AEM) with different durations of use in ED units in food industry -confidential application- have been studied. All the samples have been previously characterized to determine their physicochemical parameters (ion-exchange capacity (IEC), thickness (Tm), electrical conductivity (km), contact angle (θ), water content (WC) and the volume fraction of the inter-gel solution (f2) resulting from the study of the micro heterogeneous model), structure and morphology by FTIR spectroscopy, optical microscopy, scanning electron microscopy and mechanical by tensile strength tests. The direct and indirect effects (caused by the regular cleaning operations in industry) of fouling as well as the anisotropy of the membranes mechanical properties have been highlighted. Non-aggressive and environmentally friendly cleaning methods have been experimentally tested in ex-situ static mode: Saline solutions (35 g.L-1 NaCl and reconstituted seawater), hydro-alcoholic solution (12% water-ethanol mixture, pH = 3,5) and biological solutions using 3 categories of enzymatic agents (Rohalase BX-BXL, β-glucanase / Corolase 7089, endo-peptidase / Tyrosinase, polyphenol oxidase) whose operating conditions of optimal enzymatic activity have been determined. The evolution of IEC, km, θ and f2 were followed in function of the cleaning duration. Saline solutions have a negligible effect on intern cleaning but remain efficient for extern cleaning. However, the application of the hydro-alcoholic solution and enzyme solutions have been found to be efficient for both intern and extern cleaning and led to significant recoveries of the studied parameters. It has been shown that phenolic compounds, the principal constituents of treated effluents, are mainly responsible for MEIs fouling. Apparently, they form dense colloidal nanoparticles not permeable for ions within membrane meso- and macropores, not penetrating into micropores. A modification of the micro heterogeneous model under this assumption allowed an adequate interpretation of km and the modelization of structural modifications of the inter-gel phase generated by the fouling mechanisms by polyphenols and explained the reasons why the f2app decreases. An extraction method using a mixture of solvents (25% V/V, acetone/methanol/ isopropanol/water) was developed and made it possible to extract certain phenolic compounds from different batches of used CEMs and AEMs that were identified by high performance liquid chromatography. It has also been demonstrated that the interactions between the phenolic compounds and the polymer matrix are mainly governed by the stacking of aromatic rings and electrostatic interactions of the CH-pi and pi-pi type as well as the hydrogen bonds

Cette étude présente les travaux réalisés pour comprendre l'effet de l'aération sur le milieu biologique et sur la filtration dans les bioréacteurs à membranes immergées pour une gamme de paramètres opératoires proche de celles utilisées sur stations réelles. Notre démarche fait le lien entre paramètres opératoires (débit d'aération), hydrodynamique à l'échelle macroscopique (tailles et vitesses de bulles), hydrodynamique à l'échelle locale (contraintes de cisaillement) et propriétés du milieu biologique (taille de flocs et substances polymériques extracellulaires solubles). De moins bonnes performances de filtration à plus forte aération pourraient être expliquées par une plus grande déstructuration des boues sur le court terme. Par ailleurs tout effet d'évolution des boues sur le long terme en fonction des conditions d'aération a été écarté. / This work contributes to the knowledge on aeration for fouling prevention in submerged membrane bioreactors, which represents a great part of energy consumption of the process. More precisely it aims at estimating the impact of aeration on mixed liquor properties for operational parameters range close to those used in full scale plants. Our study links operational parameters (airflow rate), hydrodynamics at macroscopic scale (bubble sizeand velocity), hydrodynamics at local scale (shear stresses), biological media properties (floc size and soluble extracellular polymeric substances), and filtration performance (transmembrane pressure variations). Hydrodynamics characterisation of two phase flow in membrane module enabled to highlight differences between air/water and air/sludge hydrodynamics with 15-25 % lower bubble velocities in sludge but one order of magnitude higher shear stress (maximal values of 10 Pa). Controlled breakdown of biological media was performed by imposing constant shear stress (range 0,1-10 Pa) to mixed liquor samples. Increase of shear induced a decrease of floc size, and soluble extracellular polymeric substances release. The comparison with shear value obtained by simulation showed that stresses induced by aeration were in the range of mixed liquor destructuration. A pilot campaign showed that wastewater had a stronger impact on the long term on mixed liquor properties, and thus filtration performances, than aeration. However higher transmembrane pressure increase rate observed on pilot for higher airflow at similar wastewater quality could be explained by stronger breakage of biological agregates on short term

La lixiviation en tas est une méthode industrielle utilisée pour traiter des minerais à basse teneur consistant en la percolation d’une solution de lixiviation à travers un tas de 6 à 9 mètres de haut afin d’en extraire l’élément d’intérêt. Cependant, la présence de nombreuses fines particules et d’argiles au sein du minerai peuvent causer l’apparition de phénomènes de colmatage dans les tas, diminuant l’efficacité de la lixiviation. Afin de résoudre ce problème, les industries du nickel, du cuivre ou encore de l’uranium agglomèrent le minerai, augmentant ainsi sa granulométrie par le rassemblement des fines particules. Néanmoins, l’agglomération de minerais uranifères ainsi que l’impact de la structure des agglomérats sur la lixiviation reste peu étudiée. Cette thèse a permis de caractériser l’évolution structurale et pétro physique des agglomérats de minerais d’uranium au cours de la lixiviation, d’étudier l’influence des conditions d’agglomération sur la structure des agglomérats résultants et enfin d’étudier la lixiviation des agglomérats à l’échelle du tas, par le biais d’essais en colonnes métriques. De plus, les causes de colmatage ont pu être identifiées comme provenant d’une dégradation mécanique des agglomérats entrainant une réduction de la perméabilité et de la porosité du tas / Heap leaching allows processing low grade ores. Basically, this industrial mining process consists in percolating a leaching solution slowly down through an ore heap of 6 to 9 meters high to extract the metals of interest. However, fine particles and clays are often the cause of clogging within heaps, leading to a decrease of leaching efficiency. To solve this problem, copper, nickel and uranium industry uses agglomeration of the ore particles. This process allows adjusting the particle size distribution by gathering fine particles. However uranium-ore agglomeration and the impact of the agglomerates structure on heap leaching remains poorly understood. The current thesis allowed characterizing structural and petrophysical properties of agglomerates and its evolution during leaching, studying the influence of agglomeration conditions on agglomerates structures and finally upscaling there results at the heap scale, using meter scale columns. Clogging phenomena were especially due to the mechanical degradation of agglomerates, causing a decrease of both heap porosity and permeability

Nitrogen is the major component of biosphere. Paradoxically, nitrogen pollution is the concern globally. Ammonia pollution is due to its unceasing rejection into nature such as groundwater, current water and the atmosphere. This phenomenon constitutes a threat for the humanity, land and aquatic flora, and consequently disturbs the balance of natural ecosystem. Recently, that situation has lead to develop various techniques and/or technologies for ammonia removal from municipal and industrial wastewaters. Particularly in the environmental biotechnology area, two main objectives were recently aimed in many research activities: the development of new configurations of competitive bioreactors and the monitoring of partial nitrification process, which are the fundamental basis of this thesis project. In this study, the partial ammonium oxidation process, also called nitrite route, was studied in a 60 litre jet-loop submerged membrane bioreactor pilot plant. The research was organized around six chapters. An exhaustive literature review of the state-of- art of the biological nitrification process and the membrane technologies was performed. The materials and measurement methods were presented. The colorimetric method, the chromatography analysis, the biomass estimation by the suspended solids (SS), the aggregates size measurement, the gas holdup, the gas-liquid mass transfer, the bubbles gas diameter determination, the medium rheology aspects, etc., and the complete equipment of the bioreactor were studied in detail. The plant automation functioning was also studied. Membrane module (Mitsubishi Sterapore-L) characterization was carried out and three characteristic parameters were estimated: the membrane intrinsic resistance Rm, the membrane permeability Lp and the membrane porosity εm. Estimations revealed good agreement between experimental results and theoretical methods based on the Darcys law and the Carman-Kozeny law applicable in microfiltration system. Hydrodynamics and aeration aspects were studied. The mixing in the jet-loop system was characterized by the mixing time (tmix) and the circulation time (tc), respectively. The results showed that the characteristic times (tmix and tc) decrease with an increase in input gas flowrate and the circulated liquid flowrate. A model correlation involving the air and the combined liquid effects was proposed to describe the circulation time evolution. The classical non-steady state clean water test was used to determine the gas-liquid mass transfer coefficient (kLa). It was found to be influenced by the combined action of air and recirculated-liquid flowrates and a correlation has been proposed to describe their influence. The interpretation of kLa results and the system mixing data showed that the developed reactor corresponds to a near perfect mixing tank. This criterion was satisfactorily verified by literature data. The gas holdup (εg) was directly measured by the volume expansion method. In the absence of liquid circulation, εg ranged between 1 and 4% for the investigated range of gas liquid superficial velocities. It was found to increase linearly with the air superficial velocity, which corresponds to the bubbly flow regime. However, in the presence of liquid flowrate, εg slightly increased (from 1 to 6%) with increase in the superficial liquid velocity. A model has been proposed to correlate εg and the air and the recirculated-liquid velocities. The average diameter of the bubbles gas (dB) in the system was also estimated by the Leibson theoretical model based on the Reynolds number at the orifice of the gas distributor. Finally, biological aspects were studied. Respirometry measurements were conducted to characterize the process medium. The mass transfer, the gas holdup and the medium viscosity were determined. The obtained data allowed estimating the α factor and the β factor, respectively. The interaction of the growth of microorganisms into the process and the membrane performance was also investigated and a correlation model was proposed to describe membrane fouling with time. The optimal conditions for ammonium partial oxidation were determined using process monitoring and simulation. Dissolved oxygen (DO), temperature (T) and hydraulic retention time (HRT) were selected to achieve a high nitrite accumulation in the system. The results obtained showed that the selected parameters should be fixed at DO ≈ 2 mgO2.l-1, HRT ≈ 6 7 h and T = 30°C, respectively. The partial nitrification was simulated by the use of the TwoPopNitrification model included into the BioWin 2.2 software. For these simulations, a sequencing ammonia oxidation assumption was adopted: the nitrozation followed by the nitration step, respectively. The corresponding kinetics and stoichiometric constants were estimated by combining literature data and experimental nitrification results. For these estimates, the ammonium oxidation was monitored on several process samples taken at different times. The estimates were also delivered by monitoring the ammonium oxidation on the process operated in the batch mode. The plotting of simulations and experimental results revealed good agreement. In order to investigate the process performance in terms of biological stability, a long time period (≈ 600 days) was simulated. The results showed that a high stable nitrite accumulation (> 95%) could be achieved when the above optimal conditions are imposed to the system. However, after a long time, the accumulated nitrite is converted into nitrate and then the system is disrupted. For the simulated experimental conditions, the process disruption period was located between 180 and 350 days. At this period, a corresponding theoretical purge flowrate was found to range between 0.15 10-3 m3.d-1 and 3.0 10-3 m3.d-1. Simulations also showed that increasing the purge flowrate decreases the sludge retention time and then favours nitrite accumulation into the process. That is an interesting strategy to increase the performance of the biological partial nitrification process.

Les travaux présentés dans ce mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches se situent à la frontière entre la physique de la matière molle et le génie chimique et se nourrissent de la physique pour développer et donner des fondements scientifiques à de nouveaux concepts et outils pour l'ingénieur. Dans le cas de la filtration membranaire de colloïdes qui constitue la plus grand part de ces travaux, l'outil développé est le concept de flux critique qui a permis de définir des conditions opératoires de filtration critiques par rapport à la réversibilité du colmatage. La modélisation développée dans ces études a relié l'apparition de dépôts irréversibles sur les membranes aux phénomènes de transitions de phase dans les dispersions colloïdales contrôlés par la présence d'interactions physico-chimiques inter-particulaires. Les différentes études ont permis de développer à la fois des concepts expérimentaux et pratiques (avec la détermination de conditions critiques en filtration frontale et tangentielle et leur utilisation afin de conduire de façon optimale le procédé) et des concepts théoriques (modélisation des transitions de phase et simulation de l'impact des interactions sur le développement du colmatage dans le procédé). Les concepts théoriques développés, basés sur la description de l'effet des interactions sur l'accumulation de matière, ont permis d'unifier des modèles de description différents (loi de filtration sur gâteau, polarisation de concentration) à partir d'une approche unitaire. La prise en compte de la complexité générée par les interactions physico-chimiques dans le procédé de filtration simplifie au final la description du colmatage. De façon plus large, ces études et les perspectives qui y sont associées devraient contribuer à développer une branche du génie du procédé parallèle au génie de la réaction chimique : le génie des interactions physico-chimiques.

Le but de cette thèse est d'étudier l'influence des propriétés d'une suspension colloïdale sur l'efficacité du procédé d'ultrafiltration appliqué au traitement de l'eau. Pour cela, les expériences, détaillées dans une première partie, sont menées avec une suspension colloïdale d'argile contenant des électrolytes. Les propriétés physico-chimiques d'un tel mélange font l'objet du deuxième chapitre où la stabilité de la suspension est définie à travers la théorie DLVO, c'est à dire en considérant les interactions électrostatiques. Le troisième chapitre analyse l'influence de la stabilité de la suspension sur le colmatage de la membrane. Des modélisations permettent d'expliciter physiquement ces résultats en prenant en compte l'influence des interactions électrostatiques sur les mécanismes de transfert qui régissent l'ultrafiltration: la cinétique de dépôt et la résistance hydraulique du dépôt. L'étape de décolmatage de la membrane après les filtrations est exposée dans un quatrième chapitre. Une cinquième partie présente le rejet de sel engendré par le dépôt de colloïdes. Ce phénomène est décrit par les répulsions électrostatiques entre les ions et les surfaces chargées du colloïde. En conclusion, cette thèse présente donc plus généralement l'influence de la stabilité d'une suspension ou des interactions électrostatiques sur l'ensemble des mécanismes de transfert intervenant lors du colmatage d'une membrane d'ultrafiltration par un colloïde.

Les ouvrages d'infiltration sont utilisés aujourd'hui comme alternative au réseau d'assainissement pluvial. Ils réduisent les risques d'inondation, contribuent au piégeage de polluants permettant ainsi de limiter la détérioration des milieux aquatiques superficiels et sont reconnus pour recharger la nappe. Cependant leur fonctionnement est affecté à long terme par le colmatage réduisant leur performance hydraulique. Par ailleurs, lorsque ces systèmes sont munis de surverses, le colmatage limite les capacités d'interception des flux d'eau et des polluants. Le colmatage constitue donc un facteur clé dans le fonctionnement de ces systèmes tant sur un plan hydraulique qu'environnemental. Cette thèse a pour but de mesurer et de comprendre l'évolution spatio-temporelle du colmatage à une échelle mégascopique (l'échelle d'un ouvrage extensif type) et diachronique (sur le moyen terme). Pour cela une approche expérimentale a été menée au sein de l'Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine (OTHU) selon trois niveaux d'investigation sur un même ouvrage en conditions réelles de fonctionnement. Un premier niveau (échelle globale) a consisté à mesurer l'évolution temporelle du système pris dans son ensemble grâce au calage de la résistance hydraulique au sens du modèle de Bouwer. Cette étape a nécessité de mesurer et d'exploiter des données en continu de flux d'eau, de sédiments, de matière organique apportés au système, les facteurs environnementaux comme la température d'air et d'eau, l'ensoleillement, le rythme, la nature des événements pluvieux, la saisonnalité, etc., sur un historique de 8 ans. Cette étape nous a mis en évidence la dynamique d'évolution du colmatage et le rôle bénéfique du développement de la végétation sur le maintien de la capacité d'infiltration globale d'un ouvrage de ce type. Un deuxième niveau (échelle semi globale) nous permettant de distinguer l'évolution temporelle du colmatage du fond et des parois, a montré leur dynamique respective (rapide pour le fond, très lente voire inexistante pour les parois). Un troisième niveau (échelle locale) a tenté d'explorer la répartition spatiale et temporelle du colmatage sur le fond des ouvrages sur des échelles de temps plus courtes. L'approche expérimentale a consisté à caractériser la couche colmatante en terme physico chimique et dans une moindre mesure biologique (conductivité hydraulique à saturation, granulométrie, porosité, masse volumique apparente, masse volumique des particules solides, matière organique, biomasse). Elle a analysé également le rôle de la végétation spontanée sur la capacité d'infiltration vis-à-vis des caractéristiques de l'horizon de surface et la structure aérienne et racinaire des espèces présentes. Enfin des analyses statistiques de l'évolution du colmatage à chaque échelle a mis en évidence la part potentiellement importante du colmatage biologique sur ces systèmes alors que, pour la gestion des eaux pluviales ce facteur est généralement négligé.

Une étude comparative des caractéristiques statiques, dynamiques et structurale a été menée sur 8 membranes échangeuses d'ions (MEIs), 4 neuves (MEIN) et les mêmes usagées (MEIU) après 2 ans de fonctionnement en ED dans l'industrie agroalimentaire. L'objectif essentiel était de mieux connaître les mécanismes de vieillissement in situ. Nous avons donc mesuré pour chacune de ces MEIs la capacité d'échange, la teneur en eau, la perméabilité ionique, la conductivité électrique, le nombre de transport, l'angle de contact, le courant limite, le module d'Young et la résistance à la traction. Aussi, nous avons effectué des analyses d'IRTF, de MEB et d'EDX. Cette étude nous a permis de conclure que (i) la MEC2 est restée presque stable après les 2 ans d'ED, alors que la MEA1 s'est très fortement dégradée. D'une manière générale, les MEAs sont plus sensibles au vieillissement que les MECs, (ii) les sites fonctionnels sulfoniques s'éliminent de la MEC. Nous ne pouvons pas affirmer ce mécanisme dans le cas des MEAs, mais nous soupçonnons un phénomène d'empoisonnement des sites fonctionnels, (iii) les MEAs se colmatent en surfaces avec des ampleurs différentes entre la MEA1 et la MEA2