Les travaux effectués au cours de ce doctorat, en collaboration étroite avec la Direction du Développement et de la Prospective (DDP) du Syndicat Interdépartemental pour l’Assainissement de l’Agglomération Parisienne (SIAAP), s’inscrivent dans le cadre du programme de recherche MOCOPEE (Modélisation, Contrôle et Optimisation des Procédés d’Epuration des Eaux) et s’intéressent aux potentielles applications de la spectrofluorimétrie 3D pour caractériser les quantités et qualités de la matière organique dissoute (MOD) dans les eaux de station d’épuration des eaux usées (STEU) et dans les eaux du milieu naturel. La première partie de ce manuscrit est dédié aux applications de la spectrofluorescence 3D pour caractériser la MOD des eaux de STEU. Une méthodologie de traitement des spectres de fluorescence reposant sur l’utilisation d’un algorithme de déconvolution nommée PARAFAC, a été appliquée pour les eaux usées de la STEU « Seine Centre ». Un fractionnement par hydrophobicité ainsi qu’une étude de biodégradabilité ont permis d’apporter de nouvelles informations sur les propriétés des fluorophores de la MOD des eaux usées de STEU. Des relations entre des indicateurs de fluorescence et les mesures de demandes biologiques en Oxygène (DBO5) soluble ainsi qu’avec les mesures de demande chimiques en oxygène (DCO) soluble ont été mises en évidence pour les eaux usées d’entrée de 6 STEU (n=83) de la région parisienne (SIAAP). Ces modèles de prédiction pourront être utilisés pour optimiser la gestion des filières de traitements épuratoires des eaux usées (ex : ajouts de réactifs). Enfin, les fluorophores identifiés ont été utilisés pour suivre l’évolution de la MOD le long des filières épuratoires des STEU de « Seine Centre » et « Seine Grésillons ». La deuxième partie traite des potentiels d’applications de cette méthodologie dans les eaux du milieu naturel. Grâce au réseau de suivi MeSeine (Mesure en Seine), 373 prélèvements ont été réalisés par le SIAAP, lors d’un suivi hebdomadaire de Juillet 2015 à Juin 2016, dans le bassin versant de la Seine. Ce suivi intègre 12 points de prélèvements de l’amont vers l’aval de Paris et deux des principaux affluents de la Seine (Marne et Oise). De ce suivi, un modèle PARAFAC de 10 composantes a été mis en évidence. Des variations spatio-temporelles de qualité de MOD ont été observées entre les différents cours d’eau étudiés. L’impact de la pression urbaine (rejets de STEU) sur la qualité de la MOD entre l’amont et l’aval de l’agglomération parisienne a également pu être observé. Ainsi, une caractérisation physico-chimique rapide de la MOD et de ses sources en milieu aquatique urbain, peut être effectuée par spectrofluorescence 3D. La mise en place de ce type de suivi in situ apportera des informations rapides sur la qualité et quantité de MOD des milieux aquatiques naturels pour les gestionnaires de stations de potabilisations qui pourront connaitre la qualité de la MOD des eaux de prélèvements et anticiper la formation de sous-produits de désinfections. Les gestionnaires des milieux aquatiques pourront également anticiper la survenue d’épisodes de pollution des eaux de surface. Enfin, un modèle de prédiction de la concentration en carbone organique dissoute par spectrofluorescence 3D combiné à la spectrométrie d’absorbance a été mis en évidence. Les conclusions mises en évidence par ce travail contribueront à une meilleure compréhension de la MOD fluorescente des eaux usées de STEU (optimisation des filières de traitement biologique) et des milieux aquatiques. Ainsi, ce type de travail ne se limite pas à la communauté scientifique, mais s’étend aux gestionnaires et opérationnels du domaine de l’eau / The work carried out during this PhD, in close collaboration with the Development and Prospective Development Department (DDP) of the Interdepartmental Syndicate for the Sanitation of the Paris Metropolitan Area (SIAAP), is part of the research program MOCOPEE (Research Modeling, Control and Optimization of Water Treatment Processes) and are interested in the potential applications of 3D spectrofluorimetry to characterize dissolved organic matter (DOM) quantity and quality in wastewater treatment plant (WWTP) and in natural middle. The first part of this manuscript is devoted to the potential applications of 3D fluorescence spectroscopy to characterize wastewater DOM quality and quality. A methodology for the treatment of 3D fluorescence spectra based on the use of a deconvolution algorithm named PARAFAC has been applied to wastewater from the Seine Center WWTP. Specific MOD fluorophores were observed, allowing a finer approach to the fluorescence characteristics of MOD. Resin fractionation and a biodegradability study yielded new information on raw sewage DOM fluorophores. Relationships between DOM fluorescence indicators and soluble Biological Oxygen Demand (BOD5) measurements as well as soluble Chemical Oxygen Demand (COD) measurements have been demonstrated in raw sewage from 6 Parisian WWTP (SIAAP). Prediction models of soluble BOD5 and soluble COD by 3D spectrofluorimetry can be used to anticipate variations of raw sewage quality and quantity, and to optimize biological treatment processes (eg reagent additions). Finally, DOM fluorescence was analyzed along "Seine Center" and "Seine Grésillons" WWTPs. The second part deals with applications potential of 3D fluorescence spectroscopy in natural middles. Thanks to the MeSeine monitoring network (Mesure en Seine), a total of 373 samples were taken during a weekly monitoring from July 2015 to June 2016 in the Seine catchment area and include 12 sampling points from upstream to downstream of Paris and two of its main tributaries (Marne river and Oise river). From this monitoring, a PARAFAC model with 10 components was highlighted. Variations in DOM quality were observed between the different streams studied. The impact of urban pressure on DOM quality was also observed by fluorescence, between the upstream and downstream of the Parisian agglomeration. We have also been able to monitor WWTP effluent impacts on the Seine during a maintenance operation for its treatment processes. Variations in the quality of MOD between low and high water periods were also observed. Thus, 3D spectrofluorimetry help to provide a rapid physicochemical characterization of DOM and its sources in urban aquatic environments. Theses information will help drinking water plants managers to rapidly know DOM quality to anticipate formation of disinfections by-products. Managers of aquatic environments will also be able to anticipate occurrence of surface water pollution episodes. Finally, 3D fluorescence spectroscopy and absorbance spectroscopy were combined to develop a dissolved organic carbon concentration prediction model. The findings highlighted by this work will contribute, on their scale, to a better understanding of DOM fluorescence in raw sewage water (optimization of biological treatment channels) and in aquatic environments. In this sense, the usefulness of this type of work is not limited to the scientific community, but extends to managers and the operational fields

En raison de la complexité des phénomènes se produisant dans chaque sous-système des systèmes d'assainissement urbains--tels que le ruissellement, le transport, le stockage, le traitement et le milieu récepteur--une approche holistique utilisant un modèle mécaniste unique et interconnecté est nécessaire pour décrire adéquatement ces phénomènes. Ces modèles reproduisent les phénomènes observés pour générer des connaissances sur les mécanismes régissant le comportement variable et servent d'outils de prévision. Des progrès significatifs ont été réalisés dans la modélisation des processus au sein des Stations de Récupération des Ressources en Eau (StaRRE) pour décrire la qualité des effluents, mais la modélisation des dynamiques des polluants particulaires dans les réseaux d'égouts reste un défi. Cela est principalement dû à des données de terrain limitées, des problèmes d'échantillonnage complexes et un accès difficile. Les théories du transport des particules s'inspirent généralement de l'hydraulique fluviale, en distinguant les particules lourdes au fond des particules en suspension, avec une interaction des particules souvent corrélée au débit. Les phénomènes clés affectant les particules dans les réseaux d'égouts incluent la vitesse d'écoulement, les contraintes de cisaillement, la sédimentation et la remise en suspension. La distribution des vitesses de chute des particules (DVCP) est un facteur crucial mais sous-étudié. Cette thèse se concentre sur la caractérisation du comportement des polluants dans les réseaux d'égouts, avec pour objectif de combler les lacunes en matière de données, en particulier en ce qui concerne la DVCP. Une étude menée dans le réseau d'égouts de la ville de Québec sur plusieurs années, dans diverses conditions météorologiques, a analysé les flux de polluants particulaires pendant les périodes sèches et humides. Les résultats ont permis d'améliorer la compréhension du comportement des particules et ont conduit à des mises à jour du modèle de qualité de l'eau du réseau d'égout unitaire. Il a été constaté que les particules avec des vitesses de chute plus élevées sont remises en suspension lors des augmentations de débit. Les pics de concentration observés sont causés par cette remise en suspension des particules, et non par le ruissellement urbain ou le lavage des routes. L'émergence de la crise sanitaire liée à la COVID-19 a ouvert de nouvelles perspectives d'application de la caractérisation du signal viral dans les réseaux unitaires, et a dû s'appuyer sur la DVCP étant donné que le signal viral est surtout présent sur les particules. Les tests d'élutriation appliqués sur des échantillons d'eaux usées et de boues primaires ont montré que le signal viral est présent dans chacune des différentes classes de particules, ce qui soutient l'hypothèse d'une distribution homogène des particules virales dans les différentes classes, une distribution qui a pu être décrite et modélisée à l'aide de modèles basés sur la DVCP. En conclusion, cette étude a permis de démontrer l'utilité des modèles DVCP dans la caractérisation et la modélisation des signaux viraux, mettant en évidence l'adaptabilité de ces modèles à divers contextes de gestion des eaux usées. / Due to the complexity of the phenomena occurring in each subsystem of urban wastewater systems--such as runoff, transport, storage, treatment, and the receiving environment--a holistic approach using a single interconnected mechanistic model is necessary to adequately describe these phenomena. These models replicate observed physical phenomena to generate knowledge about the mechanisms governing variable behaviour and serve as forecasting tools. Significant progress has been made in modelling processes within Water Resource Recovery Facilities (WRRFs) to describe effluent quality, but modelling particulate pollutant dynamics in sewer networks remains challenging. This is primarily due to limited field data, sampling issues, and difficult access. Particle transport theories generally draw from fluvial hydraulics, distinguishing between heavy particles at the bottom and suspended ones, with particle interaction often correlated with flowrate. Key phenomena affecting particles in sewer networks include flow velocity, shear stress, settling, and resuspension. The distribution of particle settling velocities (PSVD) is a crucial but under-researched topic. This thesis focuses on characterizing the behaviour of pollutants in sewer networks, aiming to address gaps in data, particularly regarding the PSVD. A study conducted in Quebec City's sewer network over several years, under various weather conditions, analyzed particulate pollutant fluxes during dry and wet periods. The results enhanced understanding of particle behaviour and led to updates in the combined sewer network model. It was found that particles with higher settling velocities are resuspended during flow increases. This resuspension of particles causes these concentration spikes, not the urban runoff or road wash-off. The COVID-19 pandemic has opened new applications for viral signal characterization in sewer systems, using PSVD. Elutriation tests showed that viral signals are present across different particle classes, supporting the idea of a homogeneous distribution of viral particles that can be modelled with PSVD-based models. In conclusion, this study has demonstrated the utility of PSVD models in characterizing and modelling viral signals, highlighting the adaptability of such models to various wastewater management contexts.