La réutilisation des eaux usées traitées (REUT) constitue une ressource alternative pérenne et à fort potentiel notamment pour les régions soumises à un stress hydrique. L’objectif général de cette thèse est de définir les conditions nécessaires pour garantir la fiabilité d’une filière de traitement tertiaire pour la réutilisation. La première partie s’intéresse aux limites des méthodes de dénombrement des microorganismes indicateurs couramment employées, notamment en lien avec la contamination particulaire des effluents. Les résultats indiquent qu’il existe un risque de sous-estimation par ces méthodes pour de fortes charges en matières en suspension.La désinfection par rayonnement ultraviolet (UV) est souvent employée pour garantir la qualité sanitaire de l’eau distribuée. La deuxième partie de cette thèse vise à comprendre les mécanismes pouvant affecter l’efficacité des UV. Une corrélation linéaire a pu être mise en évidence entre la contamination particulaire des effluents à traiter et la baisse d’efficacité de la désinfection UV, caractérisée d’une part par la diminution de la constante d’inactivation des microorganismes exposés aux UV et d’autre part par le risque d’apparition d’un effet de traîne (fraction de microorganismes insensibles aux UV).La mise en place d’un prétraitement par filtration s’avère donc nécessaire en amont de la désinfection UV. La troisième partie de cette thèse a permis de définir les paramètres opératoires les plus adaptés à l’effluent. Enfin, le contrôle de la qualité sur l’ensemble de la filière est envisagé, avec notamment la démonstration de faisabilité d’un système de surveillance en continu basé sur la spectrométrie UV/Visible. / Wastewater reclamation is an ongoing and promising alternative resource in a context of water stress. In particular, this is a major issue in the Mediterranean region, and its effects tend to be intensified by global warming. The main objective of this PhD thesis is to define the conditions for ensuring the reliability of a tertiary treatment chain for wastewater reclamation. The first part deals with the limits of the methods used in routine for the enumeration of indicator microorganisms, in relation with particulate contamination. The results indicate that there is a risk of underestimation by these methods for high loads of suspended matter.Ultraviolet (UV) disinfection has been used for years to ensure the biological safety of reclaimed water. The second part of this work aims to understand the mechanisms which may affect the efficiency of UV disinfection. A linear relationship has been observed between the particulate contamination of the effluents to be treated and the disinfection efficiency loss, featured on one hand by the decrease of the inactivation constant of the microorganisms and on the other hand by the risk of tailing (UV-resistant fraction among the microorganisms).The implementation of a pre-filtration is thus necessary before UV disinfection. The third part of this work enabled to identify the filtration parameters suited for the effluents to be treated. Finally, quality control on the whole chain is considered, in particular with the demonstration of feasibility of a continuous control system based on UV/Visible spectrometry.

Les bassins de retenue des eaux pluviales constituent des éléments importants de gestion des rejets urbains de temps de pluie (RUTP). De nombreuses études montrent que, lorsqu’ils sont bien conçus, ils permettent de lutter contre les inondations et de décanter efficacement la pollution métallique et les hydrocarbures fortement fixés aux matières en suspension (MES). Le travail se propose d’étudier les performances de ce type de système afin d’en mesurer et d’en modéliser leur efficacité en termes d’abattement de micropolluants à une échelle évènementielle. Pour cela, il a été développé un suivi expérimental d’un bassin en service sec et étanche de grande taille localisé à l’exutoire d’un bassin versant drainé par un réseau d’assainissement séparatif pluvial faisant partie de l’Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine (OTHU). Ainsi un total de 100 micropolluants (MP) a–t-il été suivi : 22 éléments traces métalliques (ETM), 16 hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), 2 alkylphénols (AP), 5 alkylphénols éthoxylates (APEO), Bisphénol A, 9 polybromodiphényléthers (PBDE) et 45 pesticides. Dans les eaux, ils ont été analysés en phase dissoute et particulaire en entrée et en sortie. 67 % des MP recherchés ont été détectés au moins une fois en entrée ou en sortie. Les concentrations moyennes évènementielles à l’exutoire du bassin versant alimentant l’ouvrage sont comparables aux données de la littérature quand elles existent et montrent une grande variabilité. L’efficacité massique évènementielle (EME) de piégeage des MP a été évaluée selon différentes méthodes, prenant en compte les incertitudes totales. L’efficacité est avérée pour la majorité des ETM et HAP, sur un nombre limité de campagnes pour les PBDE et les APEO, très limité pour le 4-Tert-Octylphénol et le 4-Nonyphénol (1 sur 5). Les performances de l’ouvrage ont été mises en avant pour 7 pesticides (sur 15 détectés) mais des efficacités négatives témoignent d’un relargage possible des polluants. L’étude des sédiments accumulés dans le bassin depuis 6 ans montre qu’ils sont assez chargés tant en métaux, HAPs qu’en 4-Nonylphénol, BDE209 et Diuron. Enfin, nous avons expérimenté 3 niveaux de modèles afin d’identifier des pistes pertinentes pour la suite des travaux dans ce domaine. / Detention basins are at stake in urban stormwater discharges (USWD) management strategies. If well designed, they are not only used to mitigate stormwater flood impacts but also to trap metals and hydrocarbon compounds strongly bounded to total suspended solids (TSS). An experimental monitoring, in the framework the Field Observatory on Urban Hydrology (OTHU), was developed on a large dry detention basin located at the outlet of a catchment drained by a separate stormwater system. This basin presents a rather classical and current configuration.A sum of 100 substances was studied: 22 metals (ETM), 16 polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), 2 alkylphenols (AP), 5 ethoxylate alkylphenols (APEO), Bisphénol A, 9 polybromodiphenylethers (PBDE) and 45 pesticides. They were analyzed in both dissolved and particulate phases in water at the inlet and outlet of the device. 67% of MP studied was detected at least once at the inlet or outlet. Event mean concentrations were in the same range as literature data when available and showed an important variability.Event mass efficiency (EME) in trapping MP was assessed by different methods taking account for global uncertainties. Acceptable efficiency was found for most of ETM and PAH and in a lesser extent for PBDE and APEO on a limited number of campaign. The detention basin had only a positive impact on alkylphenols (4-Tert-Octylphenol and 4-Nonylphenol) for one campaign out 5. Negative values for 7 pesticides (among 15 detected) indicated possible pollutant release. Accumulated sediments study showed high MP concentrations in particular for metals, PAH, 4-Nonylphenol, BDE209 and Diuron. Lastly, different levels of models were tested to try to identify relevant ones for further work.

Au Burkina Faso, l’un des soucis majeurs demeure la gestion des eaux usées et excréta. Dans l’optique de trouver une alternative à l’assainissement autonome (assainissement non collectif), des technologies biologiques rustiques par cultures fixées sur supports fins, destinées aux petites et moyennes collectivités ont été expérimentées. Le premier volet du travail expérimental à consister à évaluer les performances comparées du sable et des fibres de coco en traitement d’eaux résiduaires urbaines après un processus anaérobie par lagunage. Dans une deuxième étape, ont été évaluées les performances épuratoires de filtres plantés de Andropogon gayanus Kunth et Chrysopogon nigritana (Benth) Veldkamp deux poaceae des zones tropicales. Les abattements moyens d’élimination de la pollution biodégradable sont respectivement de 99% et 98% à la sortie du filtre à sable et de celui de substrat de coco. Cependant, il y a une DCO ajoutée due à l’extraction de composés phénoliques du substrat de coco qui occulte les performances réelles de ce support de culture. Toutefois, en l’absence d’une bonne nitrification au sein du massif de substrat de coco, contrairement au sable, nous avons relevé une élimination de l’azote sous forme d’ammonium avec un rendement de 75%. Par ailleurs, ce matériau végétal par sa structure très poreuse a montré une plus grande capacité à éliminer les sels minéraux comparativement au sable. Quant aux filtres plantés de Andropogon gayanus et Chrysopogon nigritana, si les deux pilotes ont assuré des abattements de plus de 97% de la DBO5, le premier a assuré un prélèvement plus important des nutriments (N et P). / In Burkina Faso, wastewater and excreta management in the urban and rural areas remains a big concern. In order to find an alternative to on-site sanitation by the exclusive use of excreta collecting system without treatment, extensive biological processes of wastewater treatment have been experimented. At first, the comparative performances of two materials (sand and coconut fibers) were evaluated in wastewater treatment. An anaerobic pond served as the primary treatment. Then in a second step, Andropogon gayanus Kunth and Chrysopogon nigritana (Benth) Veldkamp, two tropical Poaceae, were used to treat municipal wastewater by constructed wetlands. As results, average yields of eliminating biodegradable pollution were respectively 99% and 98% for the sand filter and the coconut fibers. However, there is an added COD due to the extraction of phenolic compounds contained in the coconut fibers. This masks the real performance of this material on the COD removal. Moreover, without good nitrification in coconut substrate, a removal of nitrogen in ammonium form with a yield of 75% was founded. Thanks to its very porous structure, coconut fibers showed a greater ability to remove minerals compared to sand. The two constructed wetlands have shown good removal efficiencies of organic pollution with values above 97% of BOD5. This was enhanced by the alternating phases of feeding and resting. For nutrients, the filter planted with Andropogon gayanus provided an important removal of N and P. Chrysopogon nigritana showed the drought resistance to evapotranspiration.

Les virus entériques sont l'une des principales causes d'épidémies de gastroentérites chez l'Homme. Ces virus sont essentiellement excrétés dans les selles et sont donc observés en grande quantité au sein des eaux usées. L'abattement viral est très variable en fonction des types de traitements mis en place dans les stations d'épurations (STEP). Malgré ces traitements, la grande majorité des STEP rejettent d'importantes quantités de virus entériques dans l'environnement. L'objectif de ce travail a été d'apporter des éléments de réponse concernant la circulation des virus entériques humains dans un environnement hydrique urbain. Pour cela, des méthodes d'analyse ont été mises au point afin de permettre la détection d'un large panel de virus entériques dans différentes matrices hydriques susceptibles d'être étudiées dans l'environnement. Trois contrôles ont été développés afin de vérifier le bon déroulement de cette méthode et donc de valider les résultats obtenus. Une campagne d'échantillonnage a été réalisée au niveau d'un tronçon de la Seine impacté par les affluents naturels et des effluents de STEP. La prise en compte des débits au niveau des différents points de prélèvement a permis de calculer les flux viraux qui correspondent à la quantité de virus circulant en un point au cours d'une unité de temps. Cette approche a permis de démontrer la contribution majeure des effluents de STEP dans la contamination virale du milieu récepteur. Parmi l'ensemble des virus entériques recherchés, les adénovirus, les norovirus, les astrovirus et les rotavirus présentaient les charges virales les plus importantes dans les effluents de STEP et dans les eaux de surface. Leurs quantités au sein de ces matrices d'eau étaient les plus importantes durant la période hivernale ce qui était cohérent avec les données épidémiologiques. Un lien étroit entre l'état sanitaire de la population humaine reliée au réseau d'assainissement et la concentration en virus entériques des effluents de STEP et des eaux de surface a pu être établi. Sur ces mêmes prélèvements, l'étude de la diversité des astrovirus et des norovirus de génogroupes I et II a été réalisée par pyroséquençage. Cette approche a permis d'établir un profil des différents génotypes circulant dans les effluents de STEP. Au regard des données épidémiologiques recueillies sur la même période par le Centre National de Référence des virus entériques, un grand nombre de génotypes communs ont pu être observés entre ces deux jeux de données. Ce constat met en évidence le caractère informatif de l'analyse des effluents de STEP qui fournit un profil relativement pertinent des virus entériques circulant dans l'environnement mais aussi dans la population humaine. La présence de virus entériques présente dans les eaux de surface, ressources utilisées pour la potabilisation, est un réel problème de santé publique. C'est pourquoi la dernière partie de ce travail s'intéresse à évaluer leur persistance dans l'eau de surface et l'eau destinée à la consommation humaine, mais aussi face à des traitements de désinfection, fréquemment utilisés dans les usines de potabilisation et parfois en sortie de STEP. L'absence de modèle cellulaire pour la plupart de ces virus nous a conduit à développer une approche basée sur l'emploi d'agents intercalants permettant d'évaluer l'intégrité de la capside des particules virales détectées par PCR en temps réel. L'utilisation de ces agents intercalants s'est avérée pertinente à partir du moment où les conditions conduisent à une dégradation des capsides virales. Par conséquent, leur emploi sur des échantillons d'eau potabilisée a permis une meilleure estimation du risque sanitaire associé à la consommation de l'eau produite. En conclusion, ce travail propose des méthodes d'analyse qui ont permis de mettre en exergue les relations existantes entre la circulation des virus entériques dans l'environnement et l'état sanitaire de la population humaine / Enteric viruses are a major cause of gastroenteritis outbreaks in humans. These viruses are mainly excreted in the faeces and are therefore observed in large amounts in wastewater. Depending on the types of treatments, virus removal from effluent may vary from one wastewater treatment plants (WWTP) to another. Despite these treatments, most of the WWTP releases significant quantities of enteric viruses in the environment. The aim of this study was to better understand the circulation of human enteric viruses in urban rivers. For this purpose methods have been developed to enable the detection of a broad panel of enteric viruses in various water matrices that may be collected from the environment. Since there is important inhibition observed in this type of water samples, three controls were developed to verify the success of this method, from the sample concentration to the PCR quantification, and thus to validate the results. A sampling campaign was carried out at the Seine River section (Paris area) affected by its natural tributaries and WWTP effluents. The river and effluent flows at the different sampling points were used to calculate the viral flows as the amount of virus circulating at a point during a time unit. This approach has demonstrated the major implication WWTP effluents in the viral contamination of the Seine River. Among all the targeted enteric viruses, adenoviruses, norovirus, astrovirus and rotavirus showed the most significant viral loads in WWTP effluents and consequently in river waters. Their quantities in WWTP effluents and surface water were the most important during the winter period which was consistent with the epidemiological data from the French Reference Center for enteric viruses. A close connection between the health status of the Parisian population and enteric virus concentration in WWTP effluents and in the Seine River could be established. The study of the diversity of astrovirus and norovirus of genogroups I and II was carried out by pyrosequencing on WWTP effluent and Seine river samples to develop a profile of the different genotypes circulating in the environment. Many common genotypes were observed between the effluent dataset and the epidemiological data collected over the same period by the French Reference Center. These results highlight the complementarity of the two datasets, and the fact that WWTP effluents provide a relevant profile of enteric viruses circulating in the environment but also in the human population. The amount of enteric viruses present in drinking water resources such as surface waters is a real public health problem. Therefore, it is important to evaluate viral persistence in surface waters during tertiary treatment and in drinking water, but also the viral persistence after usual disinfection treatments such chlorination and ultraviolet treatment. The absence of cell model for culture of most enteric viruses, has led us to develop a method using intercalating dyes to assess the capsid integrity of the viral particles quantified by real time PCR. The use of these intercalating agents was relevant when the environmental conditions and disinfection treatments caused a degradation of the viral capsid. Consequently, their use for the analysis of water samples from drinking water plants allowed to prevent an overestimation of the risk of transmission to humans by the consumption of tap water. In conclusion, this work provides development of analysis methods highlighting the relationships between the circulation of infectious enteric viruses in the environment and the health status of the human population

Les stations d’épuration se tournent actuellement vers des installations de récupération d'énergie et des nutriments. Dans le même temps, elles sont soumises à une réglementation de plus en plus stricte en ce qui concerne l'environnement et la santé humaine. Face au défi ambitieux de réduire les coûts d'exploitation et les impacts environnementaux tout en garantissant la robustesse du procédé, il est nécessaire de développer des outils capables de fournir une évaluation intégrée du procédé. L’objectif de ce travail est de développer une plateforme réaliste et prédictive contenant trois aspects: la modélisation rigoureuse et dynamique de l’ensemble de la station d’épuration; l'analyse de cycle de vie aux frontières étendues pour l'évaluation des scénarios et enfin un outil d'optimisation multi-objectif efficace. La plateforme développée pour l'évaluation environnementale couplée à la modélisation dynamique a d'abord été appliquée à plusieurs cas d’étude. Ainsi des résultats de performance et d’impacts environnementaux ont été obtenus pour la séparation de l’urine à la source, la décantation primaire avancée et le traitement de l'urine par nitritation/ oxydation anaérobie de l’ammonium, et d’autres filières. Compte tenu des importants avantages de la séparation de l’urine établis par les résultats précédents, un générateur d’influents phénoménologique, flexible et dynamique a été adapté afin de fournir des données dynamiques réalistes concernant les flux d'urine et des eaux usées dans les différents scénarios de rétention d'urine. Enfin, comme la combinaison complexe de processus biologiques, chimiques et physiques conduit à un problème lourd en calcul, une étude de faisabilité (temps de calcul et fiabilité) a été réalisée sur l'optimisation multi-objectif. L'obtention d'un ensemble de solutions qui évite toute discrimination préalable entre les coûts, l'environnement et les performances ont permis la discussion des enjeux impliqués. Finalement, la plateforme complète a été appliquée à plusieurs cas d’étude et clarifie les aspects opérationnels des options plus durables en matière de gestion et de traitement des eaux usées. / Wastewater treatment plants are moving towards energy and nutrients recovery facilities. Simultaneously, they are submitted to stricter regulation with respect to environment and human health. Facing the great challenge of reducing operational costs along with the reduction of environmental impacts and the guaranty of plants robustness, tools might be developed in order to provide an integrated assessment. The goal of this work is to develop a reliable and predictive framework containing rigorous dynamic wide-plant modelling, extended boundaries life cycle assessment for scenarios evaluation and an efficient multi-objective optimization tool. The developed framework for environmental evaluation coupled to dynamic modelling was initially applied to several case studies including urine source separation, enhanced primary clarification and urine treatment by nitritation/ anaerobic ammonium oxidation, offering both performance results and environmental hotspots. Given the important benefits of the urine source separation provided by the previous results, a flexible and dynamic phenomenological influent generator was adapted in order to provide realistic dynamic data concerning urine and wastewater streams in different urine retention scenarios. Finally, as the complex combination of biological, chemical and physical processes leads to a computational expensive problem, a feasibility study (computational time and reliability) on the multi-objective optimization was conducted. Obtaining a set of solutions that avoids any prior discrimination among costs, environment and performance allowed thus the discussion of the involved trade-offs. Finally, the complete framework was applied to several case studies lightening on operational aspects of more sustainable options on wastewater management and treatment.

Les estrogènes et les bêtabloquants transitent quotidiennement par les réseaux d’assainissement et les stations d’épuration des eaux résiduaires urbaines. Une première partie de ce travail a consisté à développer des méthodes pour analyser ces micropolluants émergents dans les boues de station d’épuration et les matières en suspension. L’efficacité des traitements épuratoires a ensuite été évaluée vis-à-vis de l’élimination de ces molécules. En règle générale, les 5 estrogènes étudiés (estrone, 17α- et 17β-estradiol, estriol, 17α-éthinylestradiol) sont plutôt bien éliminés par les stations d’épuration avec des efficacités d’élimination généralement supérieures à 90%. Pour les 10bêtabloquants analysés (acébutolol, aténolol, bêtaxolol, bisoprolol, métoprolol, nadolol, oxprénolol,propranolol, sotalol et timolol), des comportements différents ont été observés. Alors que l’acébutololet le nadolol sont éliminés (abattements moyens supérieurs à 80%), d’autres molécules comme lesotalol et le propranolol ne sont que peu impactées par les traitements épuratoires (abattements moyens inférieurs à 20%). Pour les autres bêtabloquants étudiés, des abattements intermédiaires (entre 40 et 70%) sont observés. Excepté le propranolol, qui est le plus hydrophobe des bêtabloquants étudiés, les molécules ciblées dans cette étude s’adsorbent peu sur les matières en suspension (en moyenne 90% des molécules se trouvent dans la phase dissoute) et ne sont pas concentrées dans les boues ; les abattements mesurés correspondent donc, sauf pour le propranolol,à une biodégradation et pas à un transfert des micropolluants vers les boues. Les molécules résiduelles non éliminées par le traitement épuratoire rejoignent le milieu aquatique récepteur. Les rejets de station d’épuration représentent en effet une source de contamination pour les milieux aquatiques et l’impact de ces rejets est visible, notamment en termes d’augmentation des concentrations de micropolluants mesurées dans le milieu. Néanmoins, les faibles concentrations mesurées ne semblent pas individuellement représenter de risque environnemental majeur ; seul le propranolol a présenté sur 4 des 15 sites étudiés un quotient de risque supérieur à 1 ce qui indique un risque environnemental probable. Cependant, même si le risque associé à une molécule est faible,chaque molécule présente dans l’environnement contribue au potentiel toxique global des substances présentes dans l’environnement. / Estrogens and beta blockers are daily excreted by human beings and wastewater treatmentplants are recognised as the main pathway of these emerging micropollutants to the aquaticenvironment. This study aims at analyzing 5 estrogens (estrone, 17α- and 17β-estradiol, estriol, 17α-ethynylestradiol) and 10 beta blockers (acebutolol, atenolol, betaxolol, bisoprolol, metoprolol, nadolol, oxprenolol, propranolol, sotalol et timolol) in urban wastewater treatment plants and surface waters.First of all, methods were developed for the analysis of target molecules in sewage sludge and suspended particulate matters. Then, estrogens and beta blockers were studied in urban wastewater treatment plants. Generally, wastewater treatments are efficients to remove estrogens fromwastewater with mean removal rates above 90%. For beta blockers, acebutolol and nadolol areefficiently removed (mean removal rates of about 80%), while sotalol and propranolol are hardlyimpacted by wastewater treatment (mean removal rates below 20%). Other studied beta blockerspresent intermediate removal rates (between 40 and 70%). Except propranolol which is the lesshydrophilic molecule among the different studied beta blockers, target molecules are not adsorbed onsuspended particulate matters (mean proportion of 90% of the target molecules are present in the dissolved phase) and are not concentrated into sludge. So, calculated removal rates correspond,except for propranolol, to biodegradation and not to transfer into sludge. Residual molecules which are not removed by wastewater treatment reach the aquatic environment. The impact of wastewater treatment plants on the receiving rivers was studied showing a clear increase of target molecules concentrations near the wastewater treatment plants outfall. However, only propranolol presented an environmental risk ratio in the range or above 1 showing a possible environmental risk in 4 studied receiving waters out of 15. Never the less, even if no specific toxic effects are pointed out, each molecule contributes to the overall toxic potential of the substances present in the aquatic environment.

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

Le non traitement et/ou le traitement inadéquat des eaux usées constitue l’une des causes principales de la pollution des ressources en eau. Pour y remédier il importe de mettre en place des infrastructures d’assainissement fonctionnelles et d’optimiser leur performance. Améliorer les stratégies de contrôle est l’action principale de cette optimisation, et la modélisation en est l’un des défis à relever. Pour ce faire, les présents travaux visent à fournir des connaissances spécifiques sur la variabilité des eaux usées urbaines de Cotonou et du Grand-Nancy et de disposer de données expérimentales qui serviront à court ou moyen termes au développement de modèle de génération d’eaux usées virtuelles. Les travaux ont consisté à échantillonner pendant plusieurs mois des eaux usées urbaines de temps sec en entrée de STEP (quartier vie-nouvelle à Cotonou et commune de Maxéville dans le Grand-Nancy) à travers des prélèvements horaires sur 24 h. A Cotonou, des prélèvements ont été aussi faits dans les collecteurs. In-situ ont été prises les mesures du débit. Au laboratoire sont faites sur les échantillons des analyses spécifiques de dosage des polluants. Une simulation des variabilités des eaux usées est également faite au moyen de modèle de génération des eaux usées virtuelles. Des travaux, il ressort les constats ci-après : - les débits en entrée de STEP (Grand-Nancy) présentent une variabilité journalière avec trois pics respectivement vers 10 h, 14 h et 21 h les jours ouvrés et caractérisée pendant les jours de week-end par une diminution de 2% (les samedis) et 9% (les dimanches) avec un retard de 2 h dans l’apparition du premier pic de la journée ; - les eaux usées de Cotonou présentent une plus forte pollution par rapport aux eaux usées urbaines du Grand-Nancy bien que l’Equivalent Habitant raccordé à La STEP de Cotonou (≈ 1 200 EH) soit de loin plus faible que celui du Grand-Nancy (≈ 275 000 EH) ; - néanmoins on note une plus forte conductivité électrique des eaux usées du Grand-Nancy ainsi qu’un excès en Europium plus élevé comparativement à ceux des eaux usées de Cotonou ; - la variabilité journalière pour l’ensemble des paramètres dans les bassins est très prononcée, exception faite pour le pH qui présente une similarité dans les deux contextes géographiques ; - le modèle de génération des eaux usées virtuelle en développement intègre bien le mode de vie du bassin de collecte du Grand-Nancy et a montré des simulations des variations du débit et de la pollution similaires aux variations expérimentales réelles ; - les recherches et le développement du modèle se poursuivent pour étendre ce dernier aux métaux lourds et l’appliquer aux bassins de collecte. Le modèle permet de combler des lacunes de données, de donner des fréquences plus élevées à la dynamique des données, de créer divers scénarii de perturbation de variabilité des eaux usées en situation virtuelle et de faire des prédictions de situations réelles pour une amélioration des performances des STEP / Untreated and / or inadequate treatment of wastewater is one of the main causes of water resource pollution. To remedy this it is important to establish functional sanitation infrastructure and optimize their performance. Improving control strategies is the main action of this optimization, and modeling is one of the challenges. To do this, the present work aims to provide specific knowledge on the variability of urban wastewater of Cotonou and Grand Nancy and to have experimental data to be used for short or medium term for the development of a generation model of virtual wastewater. The work consisted in sampling for several months the urban wastewater at the entrance of STEP (« Vie-Nouvelle » city in Cotonou and Maxéville in Grand-Nancy) through hourly samples over 24 hours. In Cotonou, samples were also taken from the collectors. In-situ were taken measurements of the flow. In the laboratory are made on samples specific analyses of pollutant dosing. Simulation of wastewater variability is also done using a virtual wastewater generation model. From the works, the following observations emerge: - flows from STEP (Grand-Nancy) show daily variability with three peaks respectively at around 10 am, 2 pm and 9 pm on weekdays and characterized on weekend days by a 2% decrease (Saturdays) and 9% (Sundays) with a delay of 2 hours in the appearance of the first peak of the day ; - Wastewater of Cotonou exhibit greater pollution than urban wastewater of Grand-Nancy although Population Equivalent connected to the STEP of Cotonou (≈ 1,200 PE) is far lower than that of Grand-Nancy (≈ 275,000 PE) ; - Nevertheless, there is a higher electrical conductivity of wastewater from Greater Nancy and a higher excess of Europium compared to that of Cotonou wastewater ; - The daily variability for all the parameters in the catchments is very pronounced, except for the pH which has a similarity in the two geographical contexts ; - the virtual wastewater generation model is well integrated with the lifestyle of the Grand-Nancy catchment basin and showed simulations of flow and pollution variations similar to actual experimental variations ; - research and model development is continuing to extend the model to heavy metals and apply it to collection basins ; The model allows to bridge data gaps, giving higher frequencies to dynamic data, create various wastewater variability distubance scenarios in virtual situation and make real situations predictions for improved performance of WWTP

La variabilité de la pollution urbaine est liée à l'activité humaine qui est elle-même très variable (journalière, hebdomadaire, annuelle, pluri-annuelle). Afin de développer un modèle qui permet de prédire ces différentes variabilités, nous avons analysé des études démographiques, de l'utilisation de l'espace à partir de données cadastrales et des photographies aériennes et réalisés, des campagnes de prélèvements sur 24h. L'exemple de la Communauté Urbaine du Grand Nancy sur l'utilisation de ces outils est illustré dans ce travail. Les résultats de campagnes de prélèvements sur trois type de sous-bassins (village semi-rural, zone résidentielle, zone résidentielle avec un grand hôpital) en fonction de l?activité humaine (jour versus nuit, repas, lavage) sont discutés. Une meilleure anticipation de la variabilité de la pollution arrivant dans les installations de traitement des eaux résiduaires permettrait d'améliorer leur gestion et donc de leur performance. Les campagnes ont également permis une meilleure compréhension de la variabilité de certains micropolluants tels que les métaux lourds. La pollution est moins variable dans une grande ville que dans une localité rurale, elle est liée aux apports des activités professionnelles sur les différents sites. La variabilité dépend de la nature du réseau de collecte, de style de vie, de la démographie du bassin de collecte (en termes de répartition spatiale et de classe d'âge, etc.), des zones étudiées. Les macro-polluants (C, N-NH4, P) et les micro-polluants métalliques (Na, K, Mg, Ca, Cu, Zn, Mn, Fe, Al) ont été caractérisés. Deux pics de pollution ont été observés : le premier pendant le matin vers 10h00 et le second pic en début de soirée vers 20h00. Pour les zones résidentielles le premier pic correspond à l'activité humaine du matin avant de quitter la maison pour travailler, le deuxième pic correspond aux activités à l'heure du retour à la maison après une journée de travail. On n'a pas trouvé un schéma propre aux zones mixtes (résidentielles avec des activités commerciales, industrielles et hospitalières). Les variations du débit et de la composition des eaux usées reproduisent très bien le cycle humain. Dans ce travail, on a tenu en compte les modifications démographiques, l'occupation du sol et le déplacement domicile-travail sur les sites étudiés / The variation of urban pollution related to human activity depends on several spatial and temporal scales: daily, weekly, annual, multi-year. To develop a model predicting this variations, different tools are used including demographic characteristics (age, sex, income), on the basis of cadastral data and aerial photographs and sampling campaigns on 24h. The use of these tools is illustrated with the example of the Urban area of Nancy. The results of sampling campaigns in three different catchments (semi-rural village, residential area, and residential area with large hospital) are discussed, considering its relation with the human activities (day versus night, meals, laundry). Better anticipating the variability of pollution which arrived to the wastewater treatment plant would improve their management and therefore their performances. These measurements also allowed a better understanding of the variability of some micropollutants such as heavy metals. The daily variation pattern in the big city is less marked than rural communities. This variability is probably related to the contributions of professional activities on different sites. It depends on the modification of the collection network, lifestyle, demographics on the water catchment, in terms of spatial distribution and age class in the studied area. The macropollution (C, N-NH4, P) and metal micropollution (Na, K, Mg, Ca, Cu, Zn, Mn, Fe, Al) were considered. Pollution peaks were observed: For residential areas, the first peak corresponds to human activity in the morning (around 10:00) before leaving home to work, the second peak corresponds to the activities at the time of returning home (around 20:00) after a day's work. We did not find a proper scheme for mixed zones (residential with commercial, industrial and hospital activities). Variations in flow and composition of the wastewater reproduce very well the human cycle, taking into account modifications in population, information on land use and daily journeys between home and work in the studied sites

Titre de l'écran-titre (visionné le 5 juin 2023) / Les procédés d'épuration par biofiltration sont très compacts et très performants pour assurer le traitement du carbone et de l'azote. Pour conserver de bonnes performances épuratoires, les biofiltres doivent être lavés régulièrement. Le déclenchement des lavages est dicté par la perte de charge à l'intérieur du biofiltre. Cette dernière augmente durant un cycle de filtration et lorsqu'elle dépasse un seuil fixé, un lavage est déclenché. Une bonne planification du lavage des biofiltres est essentielle pour réduire les risques de débordement d'eau usée lors de fortes précipitations, pour réduire le risque de colmatage et pour réduire les coûts d'opération. Les modèles de biofiltration actuels simulent avec précision et robustesse la qualité d'eau (Vigne 2007; Bernier 2014; Zhu 2020), mais simulent difficilement le comportement des pertes de charge sur plusieurs mois. Ce projet de recherche compare le comportement des pertes de charge simulées à partir de trois sous-modèles (Carman 1937; Ergun 1952; Bernier 2014) de perte de charge. Les modèles de perte de charge de Carman (1937) et d'Ergun (1952) sont considérés, dans le cadre de ce projet de recherche, comme des simplifications du modèle de Bernier (2014). Les deux sous-modèles simplifiés ont été intégrés au modèle de biofiltration de Bernier (2014). Ils ont été calibrés et validés en suivant le protocole de Vigne (2007) et de Rittmann et collab. (2018) avec des jeux de données de l'étage de post-dénitrification sur méthanol de Seine-Centre, une des stations d'épuration de l'agglomération parisienne. Les jeux de données regroupent des mesures horaires du débit, des NOx et des pressions ainsi que des mesures récoltées sur des échantillons composites journaliers (DCO, DBO₅ PO₄³⁻, MES et NH₄⁺). Mis à part pour la densité sèche du biofilm et pour la porosité du média, la calibration des trois modèles est identique. Le sous-modèle de perte de charge de Bernier (2014) est calibré avec une densité sèche de biofilm de 100 kg[indice MES]/m³ et avec une porosité du média de 0.34 alors que les sous-modèles d'Ergun (1952) et de Carman (1937) sont calibrés avec une densité sèche de biofilm de 47 kg[indice MES]/m³ et avec une porosité du média de 0.3. Malgré cette différence, les trois sous-modèles simulent précisément la perte de charge, avec une erreur moyenne de 0.1 mètre d'eau. Durant la validation, les trois sous-modèles calibrés simulent avec précision la perte de charge initiale, mais sous-estiment l'encrassement du biofiltre avec une erreur moyenne de 0.4 mètre d'eau. Les erreurs des simulations d'encrassement durant la validation du modèle peuvent être diminuées en modifiant uniquement la densité sèche du biofilm dans les trois sous-modèles (de 100 à 80 kg[indice MES]/m³ dans le modèle de Bernier (2014) et de 47 à 39 kg[indice MES]/m³ pour les autres). Une fois bien calibrés, les trois calculs offrent des précisions similaires, mais ils ont les mêmes problèmes de robustesse durant la validation. Même si les biofiltres dénitrifiants sont l'une des configurations les plus simples pour modéliser l'encrassement des biofiltres et même si Bernier (2014) a proposé un des modèles de biofiltration les plus performants, les modèles actuels ont un problème de robustesse. Les trois sous-modèles de perte de charge comparés simulent avec précision l'encrassement sur quelques semaines, mais ils ont tous besoin d'être recalibrés pour simuler l'encrassement sur plusieurs mois. La littérature disponible met l'accent sur l'équation de perte de charge pour améliorer les sous-modèles de perte de charge, mais cette recherche montre que le problème de robustesse est lié à l'hypothèse d'un biofilm avec une densité constante. La prochaine étape pour améliorer les modèles de perte de charge sera de modéliser comment la densité du biofilm change dans le temps et selon les conditions d'opérations. Un modèle de biofilm à densité variable pourrait être lié aux substances polymériques extracellulaires (EPS). Le Bihan et Lessard (2000) ont montré qu'une production excessive des EPS dans le biofilm induit un encrassement prématuré des biofiltres et Pechaud et collab. (2012) a corrélé la présence d'EPS avec les propriétés physiques du biofilm. / Biofilters are very compact processes and very efficient for carbon and nitrogen removal. To maintain their treatment capacity, biofilters needs to be regularly backwashed. Generally, theses backwashes are triggered when a maximum headloss through the filter is reached. A good planning of these backwash events is fundamental to avoid a bypass of untreated wastewater during storm events, to avoid permanent clogging of the filter and to minimise operational costs. Mathematical models are an essential tool to improve treatment process performance. Actual biofiltration models can simulate with reliability and robustness effluent water quality (Vigne 2007; Zhu 2020) but have difficulties to simulate headloss behaviour (Bernier, 2014). This paper explores possibilities to improve clogging predictions in biofiltration models by using data from a full-scale biofilter train operated by SIAAP in Paris region, France. The behaviour of three traditional headloss models were compared and analysed to evaluate the importance of different submodels: Carman (1937), Ergun (1952) and Bernier (2014). Datasets were collected at the denitrification biofiltration process from Seine-Centre, one of the Paris WWTPs. Flowrate, methanol injection rate, nitrate and pressure were measured on an hourly basis and composite samples were collected on a daily basis and analysed for COD, BOD₅, PO₄⁺, TSS and NH₄⁺ at both influent and effluent of the biofilter. The database gathers data from July to November 2020. The model used to simulate post-denitrification process proposed by Bernier (2014) is the more complex one, the two others being considered simplification of Bernier's. The three models were calibrated and validated following the biofilm model calibration guidelines of Vigne (2007) and Rittmann et collab. (2018). It is the first time that the most common headloss equations are compared and successively implemented in a biofiltration model. Except for the biofilm density and the initial media porosity, the models fit to the dataset are almost identical for each of the clogging sub-models. Bernier (2014) sub-model is calibrated with a biofilm density of 100kg[subscript TSS]/m³ and a media initial porosity of 0.34 whereas Ergun (1952) and Carman (1937) equation are calibrated with a biofilm density of 47 kg[subscript TSS]/m³ and a media initial porosity of 0.3. Despite this difference, they can precisely simulate the clogging with a mean error (ME) around 0.1 meter of water. Each sub-model can simulate precisely headloss when properly calibrate, but fails to simulate the reversible clogging process of validation datasets from different season. Each sub-model underestimates the clogging by an average of 0.4 meter of water. However, these validation problems can easily be fixed by reducing the biofilm density in the models (from 100 to 80 kg[subscript TSS]/m³ for the Bernier (2014) model and from 47 to 39 kg[subscript TSS]/m³ for the other models). Each clogging submodel has the same robustness problem: they can simulate clogging when properly calibrated, but fail to fit an independent dataset. The robustness problem appears to be related to the biofilm density. It is the only parameter that has to be changed to fit a different dataset. Even if post-denitrification biofilters are among the simplest configuration to model clogging and even if Bernier (2014) proposed one of the most comprehensive biofiltration model, the actual clogging sub-models still fails to simulate a validation dataset. This research project has not improved actual clogging sub-model, but it clearly points out what has to be done to improve them. The litterature focuses on the headloss equation itself to improve the model, but this research shows that actual robustness problems are probably caused by the assumption that biofilm density is constant. Past research on the modelling of biofilter clogging focused on the headloss equation itself. The study of three headloss submodels showed a similar model performance in terms of fit, while having the same robustness problem under validation. A model based on a biofilm with fixed density can properly simulate a month of operation but biofilm density seem to change over several months and it is thus important to consider whether the purpose of the model is to simulate biofilter operation for a longer period. At this moment, these sub-models seem unable to properly simulate a new dataset without changing the biofilm density. The next steps to improve headloss simulation will be to identify how biofilm density changes over time and what drives these changes. The answer could be related with Extracellular Polymeric Substance (EPS). Le Bihan et Lessard (2000) shows that excessive EPS production in the biofilm leads to premature clogging of biofilter and Pechaud et collab. (2012) correlates EPS with physical property of biofilm.