Les Résidus de Médicaments (RM) sont des molécules biologiquement actives et leur présence dans l'environnement peut induire des effets sur les écosystèmes. Afin de caractériser l'impact écotoxicologique lié à l'utilisation de ces molécules dans la région toulousaine, 26 RM ont été recherchés dans les eaux usées de deux Stations de Traitement des Eaux Usées (STEU) de la ville de Toulouse et dans le milieu récepteur de leurs rejets, la Garonne. Dans la Garonne, les prélèvements ont été réalisés en amont et en aval des effluents des STEU afin d'étudier l'impact de ces effluents sur le risque associé à la présence de ces RM dans le fleuve. Le risque écotoxicologique potentiel a été évalué en comparant, pour chacun des RM étudiés, les concentrations mesurées in situ (exposition) et les concentrations écotoxiques (danger). Ces comparaisons ont permis la définition de quotient de risque (RQ) en fonction du temps et de l'espace. Les résultats des analyses ont montré que, malgré le fait que la plupart des molécules soient détectées dans la Garonne en amont des rejets des STEU, certains RM ont présenté des concentrations significativement plus importantes dans la Garonne en aval des rejets. Ces résultats soulignent l'impact des effluents toulousains sur le risque associé à la la présence de RM dans la Garonne. Dans le cadre de ces travaux de recherches une base de données (BDD) a été développée qui intègre 1/ des données d'écotoxicité issues de la littérature scientifique (1237 données issues de bio-essais, modélisations et bio-marqueurs et 382 Predicted No Effect Concentrations (PNEC)) ; 2/ des données d'exposition à l'échelle de l'agglomération toulousaine (125 échantillons récoltés). L'étude des RQ, à partir des plus basses PNEC actuellement disponibles dans la BDD, a montré des risques écotoxicologiques potentiels liés à la présence de 7 RM dans la Garonne sur les 26 recherchés. Ces 7 RM sont, dans l'ordre décroissant des pourcentages d'occurrence des risques associés, Carbamazépine (anti-épileptique) (100%), Clarithromycine (100%), Diclofénac (anti-inflammatoires non stéroïdiens (AINS)) (100%), Estrone (hormone sexuelles) (100%), Ofloxacine (antibiotiques) (93%), Ibuprofène (AINS) (62%) et Propranolol (cardiovasculaire) (31%). L'étude des concentrations écotoxiques inclues dans la BDD ont montré des variabilités intramoléculaires importantes. Pour l'évaluation des risques environnementaux (ERE), la réglementation européenne recommande d'utiliser une seule donnée d'écotoxicité pour définir le seuil toxique requis pour l'ERE (PNEC). Ces variabilités intramoléculaires démontrent que le déploiement de la démarche proposée par la réglementation pour l'ERE peut générer une sous-estimation des risques écotoxicologiques. De plus, la variabilité temporelle des données d'exposition engendre, pour les 7 RM identifiés comme potentiellement dangereux, 1/ l'alternance des périodes à risque et à non risque pour le Ibuprofène, Ofloxacine et Propranolol; 2/ des risques avérés quelle que soit la période considérée pour la Carbamazépine, Clarithromycine, Diclofénac et Estrone. Ces résultats suggèrent que, la variabilité des concentrations, qu'elles soient prédites (PEC) ou mesurées (MEC), doit être prise en compte pour mesurer l'impact de la présence de RM sur les écosystèmes aquatiques. Avec un meilleur accès aux soins de santé et une population vieillissante menant à une poly-médication, la production, l'utilisation et l'élimination des produits pharmaceutiques devraient augmenter. De par le rôle des médicaments dans la santé publique et les impacts potentiels sur les écosystèmes, cette problématique associée à la présence de RM dans les milieux aquatiques doit être prise en charge par une action concertée afin de prévenir, réduire et gérer l'introduction des RM dans l'environnement. / Drug residues (DR) are biologically active molecules and their environmental occurrence can produce negatives effects on the ecosystems. In order to identify the ecotoxicological impact linked to their use in the Toulouse area, 26 DR were searched in two waste water treatment plant (WWTP) of Toulouse, inlet and outlet, and into the natural water receiving the WWTP releases, the Garonne river. In the Garonne river, sampling were carried out upstream and downstream of WWTP outlets in order to study impact of their releases on the ecotoxicological risks linked to the DR occurrence in the river. Ecotoxicological risks were estimated with the ratio between measured environmental concentrations (exposure) and environmental hazard threshold (hazard) for each drug. These ratios allowed to define hazard quotients (HQ) according to time and space. Despite the fact that most of DR were detected in the Garonne upstream of WWTP releases, some of them showed significant greater concentrations downstream the WWTP releases. For these last ones, results highlight that WWTP releases are responsible for the ecotoxicological risks linked to the presence of DR in the Garonne river. As part of this study, a database was made, including 1/ ecotoxicity data coming from scientific literature (1237 data provided from bioassays, modellings and biomarkers and 382 Predicted No Effect Concentrations (PNEC)); 2/ exposition data from Toulouse city (125 collected samplings). Since the lowest PNEC available in the database, the HQ study showed ecotoxicological risks linked to the occurrence of 7 DR in the Garonne among the 26 searched. In the decreasing order of the risks percentage occurrence, these 7 DR are Carbamazepine (antiepileptic) (100%), Clarithromycin (antibiotic) (100%), Diclofenac (non-steroidal anti-inflammatory drug (NSAID)) (100%), Estrone (sexual hormone) (100%), Ofloxacin (antibiotic) (93%), Ibuprofen (NSAID) (62%) and Propranolol (cardiovascular) (31%). The ecotoxicity concentrations integrated in the database showed important intra-molecular variabilities. For environmental risk assessment (ERA), european regulation recommends to use only one ecotoxicity data to define the environmental threshold required for the ERA (PNEC). These intra-molecular variabilities demonstrate that implementation of the ERA process proposed by regulation could create under-estimations of the ecotoxicological risks. Moreover, exposure data temporel variability for the 7 DR identified as potentially hazardous causes 1/ alternation of risked and non-risked periods for Ibuprofen, Ofloxacin and Propranolol; 2/ proven risks whatever the considered period for Carbamazepine, Clarithromycin, Diclofenac and Estrone. These results suggest that concentrations variability, whether predicted (PEC) or measured (MEC), should be taken into account to assess the DR impact on the aquatics ecosystems. With better access to health care and an ageing population leading to a multiple medication, the production, the use and the pharmaceuticals elimination should increase. Because of their role in the public health and their potential impact on the ecosystems, the presence of DR in the aquatic environments is an issue that should be taken in hand by a concerted action in order to prevent, reduce and manage DR release in the environment.

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.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de l'OPUR: "Observatoire des Polluants Urbains en Ile de France". Il s'appuie sur la mise en place d'un dispositif expérimental sur une série de six bassins versants de taille croissante et de d'occupation du sol comparable, allant du bassin du Marais (41 hectares) jusqu'au site de Clichy (2500 hectares) en suivant l'axe du collecteur de Clichy, à Paris. Ce dispositif a permis : - d'étudier la variabilité des flux et de la nature des polluants transférés par temps sec et par temps de pluie, dans les réseaux d'assainissement unitaires, en fonction des caractéristiques et de l'échelle spatiale des bassins versants. Le travail porte notamment sur : - Concentrations moyennes et flux des MES, MVS, DCO, DBO5, COT, NTK et des métaux lourds Cd, Cu, Pb et Zn. - Nature des polluants: répartition dissous-particulaire, teneurs en polluants et vitesses de chute des particules. - de comprendre le fonctionnement hydrologique et hydraulique du réseau d'assainissement des bassins versants OPUR et d'étudier les mécanismes de transfert dans les réseaux unitaires. - d'évaluer la contribution des trois sources "Eaux usées, Eaux de ruissellement et Stocks de dépôt dans le réseau" aux flux polluants de temps de pluie. Cette évaluation a été faite en utilisant une approche de bilan de masse entre l'entrée et la sortie de chaque bassin versant. Les résultats obtenus indiquent d'une part, une relative homogénéité des flux polluants, de leur nature et des processus dominants sur les six bassins versants étudiés. Ils montrent d'autre part une importante contribution de l'érosion des stocks constitués dans le réseau d'assainissement aux flux des matières en suspension, des matières organiques, du cuivre total, quelque soit la taille du bassin versant. Cette contribution varie, en moyenne, selon le site de mesure, entre 49 et 70% pour les MES, et entre 43 et 71% pour le cuivre total. Pour le cadmium, le plomb et le zinc, les eaux de ruissellement s'avèrent être la source principale.

Ce travail est une contribution à la mise au point d'un outil de caractérisation de la biodégradabilité de la matière organique dissoute des eaux. La méthodologie développée vise à être applicable sur tout le continuum aquatique, formé par le réseau d'assainissement, la station d'épuration et le milieu naturel récepteur, dans le but de répondre aux besoins de gestion intégrée de la pollution domestique urbaine. La méthodologie développée résulte du couplage de deux méthodes de caractérisation de la biodégradabilité de la matière organique: la méthode respiromètrique développée par Xu et Hasselblad (1996) qui permet de quantifier la fraction de matière organique rapidement biodégradable et la méthode en batch de Tusseau et al. (2003) qui permet de quantifier les fractions réfractaire et biodégradable. L'interprétation des données expérimentales se fait via l'utilisation d'un modèle mathématique (modèle ASM3 développé par un groupe de travail de l'International Water Assosiation - IWA). Une méthode d'assimilation de données, basée sur la théorie du contrôle optimal, nous a permis de combiner de façon optimale modèle et résultats des deux méthodes afin d'aboutir à un fractionnement de la matière organique en classes de biodégradabilité. Les résultats obtenus lors de la biodégradation d'un substrat rapidement biodégradable (l'acétate), noté SS dans le modèle, ont permis de valider le bon fonctionnement du modèle ASM3 et de développer un modèle dérivé (modèle ASM3z). Par la suite, ce modèle a encore été modifié pour permettre la bonne simulation et l'interprétation des résultats expérimentaux obtenus sur des eaux usées domestiques prélevées en entrée et sortie d'une station d'épuration. Cette modification a consisté à ajouter un compartiment de matière organique dissoute (noté S2) plus lentement biodégradable que SS et ce nouveau modèle est noté ASM3z_S2. Les résultats obtenus sont satisfaisants et montrent qu'il est possible de quantifier S2 et SS, dans des eaux usées domestiques en utilisant des expériences réalisées avec une large gamme de rapports substrat/biomasse bactérienne (S0/X0). Enfin ce modèle a été appliqué, lors d'une même optimisation, sur des eaux usées brutes, des eaux traitées et des eaux de rivière. Ce travail a mis en évidence l'importance de parvenir à une excellente homogénéisation de la biomasse utilisée lors des tests respirométriques.

La gestion automatisée des réseaux d'assainissement est une innovation technique née dans le département de la Seine Saint-Denis au début des années 1970, dans des conditions locales spécifiques (problèmes aigus de dysfonctionnements de réseau, contexte physique particulier imposant de fortes contraintes techniques, occasion institutionnelle saisie par les élus pour renforcer leur solidarité à la fois technique, financière et politique, techniciens dynamiques). Cette innovation commence à se diffuser en France, dans d'antres contextes urbains. Ce n’est pas la transposition pure et simple du système de gestion automatisée de Seine Saint-Denis qui se manifeste. Néanmoins les divers cas rencontrés peuvent être regroupés dans une typologie simple, prouvant leur appartenance à un même cadre de logique globale dont la Seine Saint-Denis peut être considérée comme le prototype. Les facteurs favorables à l a diffusion de l'innovation sont nombreux. Leur force ne deviendra effective que lorsque l'efficacité de l'innovation aura été démontrée. Néanmoins, une démarche intellectuelle nouvelle face à la gestion des réseaux d’assainissement a été lancée, sans que soit remise en cause la problématique classique de 1'assainissement. Les enjeux que représentent les réseaux d'assainissement sont tels que des solutions du type de la gestion automatisée, certes complexe mais si peu chère en investissement face aux coûts des travaux de génie civil, doivent être tentées. L'amélioration des connaissances apportées par 1a recherche dans ce domaine, aidera à l'application de méthodes d’assainissement plus efficaces d’un point de vue économique et écologique.

aL'objectif de cette recherche est l'analyse de la remise en cause par la diffusion du paradigme environnemental de la pratique de l'épandage des eaux usées urbaines et du système socio-spatial qui lui est associé. L'épandage agricole, mode de traitement intimement lié à la modernisation des villes de la fin du XIX et du début du XX, est devenu objet de controverses, en raison de sa stigmatisation comme activité à risque. Il n'en reste pas moins une pratique généralisée autour des villes en croissance rapide et promue dans le cadre de politique de développement. Cette thèse étudie au niveau global, son émergence et les controverses qu'elle suscite et pour le cas mexicain (en particulier la ville de San Luis Potosi) les relations entre cette pratique, les politiques urbaines et environnementales, et la façon dont les acteurs des territoires façonnés par l'épandage tentent de construire les modalités de leur permanence aux marges des villes.

La digestion anaérobie est efficace pour traiter d'effluents fortement chargés de<br />matière organique. Des bactéries anaérobies transforment les polluants en un biogaz<br />énergétiquement valorisable (composé principalement de méthane et de dioxyde de<br />carbone). Néanmoins, ce bioprocédé est sensible aux variations des conditions opératoires<br />et il contient de variables difficiles à mesurer ce qui impose une grande diversité de<br />sujets de recherche. Dans ce contexte, nous proposons un observateur d'état flou pour<br />l'estimation de variables à accès difficile. Les variables floues utilisés par l'observateur<br />sont choisies à partir d'une analyse en composantes principales. Par ailleurs, les lois<br />de commande pour la digestion anaérobie sont actuellement conçues pour résoudre un<br />problème à la fois. Ainsi, nous élaborons une stratégie de commande intelligente (basée<br />sur la commande floue) qui combine les avantages de différentes actions de commande<br />pour atteindre plusieurs objectifs à la fois. Enfn, nous avons mise en place une étape<br />expérimentale de manière à valider notre démarche.

Ce doctorat s'intègre dans la phase 2 du programme OPUR (Observatoire des Polluants urbains) et a eu pour vocation d'améliorer les connaissances actuelles sur l'introduction et le transfert à différentes échelles spatiales des hydrocarbures aliphatiques et aromatiques polycycliques dans le réseau d'assainissement unitaire parisien. Une partie des travaux est consacrée à l'étude des Voies d'Introduction des hydrocarbures dans le Réseau d'Assainissement (VIRA) par temps sec et par temps de pluie. Ce travail s'attache aussi à mieux cerner l'évolution spatiale de la pollution en hydrocarbures entre l'amont et l'aval d'un grand bassin versant. Quelle que soit la taille des bassins versants considérés (de 42 à 2 581 ha), ces travaux soulignent une relative homogénéité des caractéristiques et des processus de transfert de ces polluants par temps sec et par temps de pluie.