Les procédés de réutilisation des eaux usées doivent être robustes, fiables et rentables pour que leur utilisation se démocratise et devienne complémentaire des traitements des eaux de surface. Le couplage d’un procédé biologique et de procédés membranaires représente une solution prometteuse pour répondre à ces challenges. Cette étude se focalise sur l’impact des conditions de fonctionnement du procédé secondaire (en particulier par bioréacteur à membrane BAM) sur le colmatage du procédé tertiaire de nanofiltration (NF) ou d’osmose inverse (OI) ainsi que sur le devenir des micropolluants et microorganismes tout au long de la chaine de traitement. Dans un premier temps, des expériences à court terme de filtration avec différentes membrane NF et d’OI ont été réalisées afin de caractériser les interactions entre effluents secondaires et membranes. Il a ainsi été observé de très fortes rétentions de tous les micropolluants ciblés par la Directive Cadre Européenne. En termes de colmatage, la chute de flux de l’OI, essentiellement liée pour ces essais de courte durée à une augmentation de pression osmotique puis à un dépôt de cristaux minéraux, peut être maîtrisée en contrôlant le pH et la concentration en carbonate et phosphate de l’effluent secondaire. Par ailleurs, des chutes de flux plus importantes sont observées lors des filtrations réalisées avec les membranes de NF qui sont plus sensibles au colmatage irréversible. Dans un second temps, l’optimisation de la filière de traitement des eaux usées urbaines couplant un bioréacteur à membranes à un procédé d’OI a été réalisée à partir d’une unité pilote fonctionnant en continu. La sélection de conditions opératoires adéquates a permis de faire fonctionner le procédé d’OI pendant plus de quatre mois sans qu’aucune maintenance ne soit réalisée. Une faible chute de flux de l’OI, linéaire sur toute la période de filtration, essentiellement dû à l’adsorption de molécules organiques à la surface de la membrane, a été observée. Sur l’ensemble de la période d’essais, la filière BAM/OI permet d’obtenir un abattement optimal en micropolluants présents. Lorsque des micropolluants sont injectés à des concentrations plus élevées (simulation d’une brusque dégradation de la qualité des eaux en entrée de filière) dans le bioréacteur, une chute de l’activité de la biomasse couplée à un relargage de produits microbiens solubles peut être observée. Néanmoins, ces pics de pollution n’ont eu aucun impact sur le colmatage de la membrane du BAM ni sur celle de l’OI. La filière BAM-OI permet donc de garantir un taux de rejet élevé et une productivité d’environ 15 L.h-1.m2 quelles que soient les fluctuations de la composition de l’eau usée urbaine à traiter. / In order to be competitive compare to surface water treatments, wastewater reuse needs robust, reliable and profitable combination of technologies. The combination of bioreactors and membrane processes seems to be a promising solution to these challenges. This study focus on the impact of the operating conditions of the secondary treatment (particularly the membrane bioreactor (MBR)) on the nanofiltration (NF) and reverse osmosis (RO) tertiary treatments as well as the fate of micropollutants and microorganisms along the treatment line. Firstly, short term filtration experiments with various NF and RO membranes were performed in order to characterize the interactions between secondary treatment effluents (STE) and membranes. High retentions of micropollutants listed by the European water framework directive were observed. During these short term experiments, RO flux decline is mainly due to an increase of osmotic pressure and then a precipitation of salts that can be solved by controlling the pH and thus the carbonate and phosphate concentration of the STE. In addition, higher flux declines are observed with NF because of a higher irreversible fouling behavior. Secondly, continuous long term tests were performed on a pilot unit combining a MBR and a RO processes. The appropriate selection of operating conditions allowed treating wastewater during more than four months without any maintenance. A linear low flux decline, mainly due to adsorption of organic molecules at the membrane surface was observed. During this filtration period, the MBR/RO process presented very high micropollutant retentions. When micropollutants are injected at higher concentration (simulation of sudden fluctuation of feed composition) into the MBR, a drop of biomass activity combined with soluble microbial products release can be observed. Nevertheless, these peaks of pollution did not cause any additional fouling of MBR as well as RO membranes. MBR/RO process is then a reliable technology that can guaranty high retention and productivity (around 15 L.h-1.m-2) whatever the fluctuations of the feed composition.

Les eaux usées issues de l’industrie pétrochimique contiennent des composés organiques peu ou pas biodégradables dont le traitement nécessite de faire appel à des nouvelles techniques de traitement sophistiquées. L’objectif de ce travail est d’étudier le rôle d’adsorbants alumino-silicatés dans un procédé d’oxydation avancée associant, dans un même réacteur, adsorption et oxydation à l’ozone pour le traitement de ce type d’effluents. Dans un premier temps, l’étude s’est centrée sur l’évaluation des performances du procédé pour l’élimination d’une molécule modèle, le 2,4-diméthylphénol, dans un réacteur agité semi-batch. Avant de coupler l’ozonation et l’adsorption, chacun des phénomènes mis en jeu a été étudié indépendamment, ce qui a permis la compréhension des mécanismes qui régissent le couplage. Deux modes de couplage ont été testés, un traitement simultané ozonation/adsorption et un traitement séquentiel ozonation puis adsorption. Dans les deux configurations, l’ajout des matériaux alumino-silicatés a eu un effet très limité sur la cinétique globale de dégradation de la molécule modèle. Par contre, l’ajout des matériaux a un effet très marqué sur la cinétique d’élimination du COT, principalement dû à un effet d’adsorption de sous-produits d’oxydation spécifiques. Il a aussi été démontré que la restauration des propriétés du solide est possible, permettant ainsi sa réutilisation. Dans un second temps, le procédé a été appliqué au traitement d’un effluent réel rejeté par une usine pétrochimique chinoise, en suivant la même démarche que celle adoptée lors de l’étude réalisée sur la molécule modèle et en utilisant un réacteur à lit fluidisé semi-batch. Les mêmes phénomènes ont été observés, confirmant l’efficacité de ce procédé pour le traitement des eaux usées pétrochimiques. / Petrochemical wastewaters often contain hardly biodegradable organic compounds requiring the use of sophisticated treatment techniques to be eliminated. The aim of this work is to study the role of alumino-silica adsorbents in an advanced oxidation process combining, in the same reactor, adsorption and ozonation for the treatment of such effluents. Initially, the study focused on the evaluation of process performance for the removal of a target molecule, 2,4-dimethylphenol, in a stirred semi-batch reactor. Before coupling adsorption and ozonation, each of these techniques has been studied independently, which allowed the well understanding of the mechanisms taking place during the combined process. Two process configurations were tested; a simultaneous ozonation/adsorption process and a sequential process including a first ozonation step followed by an adsorption step. In both cases, the addition of alumino-silica materials had a very limited effect on the overall kinetics of degradation of the target molecule. However, the use of the materials had a beneficial effect on TOC removal, mainly due to an adsorption effect of specific oxidation by-products. It was also shown that the restoration of the material properties is possible, allowing its reuse. In a second time, the process has been applied to the treatment of a real effluent discharged by a Chinese petrochemical plant, following the same approach adopted in the study of the target molecule and using a semi-batch fluidized bed reactor. Similar phenomena were observed, thus confirming the efficiency of the process on petrochemical wastewater treatment.

L'assainissement a de tout temps été une préoccupation majeure pour des questions d'hygiène et de santé publique. Une installation d'assainissement non collectif (ANC) assure la collecte, le transport, le traitement et l'évacuation des eaux usées domestiques. En France, l’ANC représente 20 % des installations de traitement des eaux usées domestiques. Cela concerne une population de 12 millions d'habitants, soit environ cinq millions d'installations en zones rurales. Parmi les technologies utilisées dans l’ANC, les systèmes de filtration biologique utilisant un milieu filtrant sont souvent mis en oeuvre. Le traitement des eaux usées (élimination des matières en suspension et de la matière organique) est effectué par les actions conjointes de filtration, et de biodégradation par des bactéries se développant au sein du milieu filtrant. Historiquement, des matériaux comme le sable et la tourbe sont les plus utilisés, et plus récemment des milieux à base de copeaux de coco venus remplacer la tourbe dont l’extraction est interdite, sont en développement croissant. Cependant, l’empreinte carbone produite par l'importation depuis l'étranger de matériaux tels que ce dernier est très importante. Dès lors l’utilisation de sousproduits agro-industriels locaux pourrait la diminuer et rendre l’utilisation de ces nouveaux milieux filtrants plus compatible avec des critères environnementaux. Le premier objectif de cette thèse est de déterminer le degré de fiabilité en conditions réelles d’un milieu filtrant innovant d’origine végétale ayant fait ses preuves en conditions de laboratoire. L’étude est basée sur la mise en parallèle de résultats obtenus en laboratoire et sur le terrain. Au laboratoire, une approche hydraulique a permis de caractériser le fonctionnement du lit filtrant. Sur le terrain, l’évaluation d’un filtre compact qui fonctionne de façon continue depuis plus de quatre ans et de cinq autres installations a été réalisée. Pour l’ensemble des installations, le milieu filtrant testé permet d’obtenir une qualité des eaux rejetées en accord avec la règlementation en vigueur. Les pourcentages moyens de réduction estimés de la DCO, de la DBO5 et des MES sont respectivement de plus de 79 %, 98 % et 88 %, confirmant ainsi la forte dégradation de la matière carbonée et de la pollution particulaire. Le second objectif de cette thèse consiste à établir un jeu de paramètres physicochimiques permettant de guider le choix de nouveaux matériaux potentiellement utilisables en ANC. Pour ce faire, la caractérisation des paramètres physicochimiques clés de nouveaux matériaux et des paramètres hydrauliques des lits filtrants correspondants a été effectuée. Une analyse statistique a permis d’étudier les corrélations entre ces paramètres et les performances épuratoires des matériaux. Au final, une méthodologie de sélection a été proposée. / Sanitation has always been a major concern for hygiene and public health issues. An on-site sewage facility (OSSF) ensures the collection, transportation, treatment and disposal of domestic wastewater. In France, the OSSF represents 20% of domestic wastewater treatment facilities. This represents a population of 12 million or about five million rural settlements. Among the technologies used in the OSSF, biological filtration systems using a filter media are often implemented. The treatment of wastewater (removal of suspended solids and organic matter) is carried out by the joint actions of filtration, and biodegradation by bacteria developing within the filter media. Historically, materials such as sand and peat are the most used. More recently coconut-based media to replace peat, the extraction of which is prohibited, are in increasing development. However, the carbon footprint of foreign imports of materials such as coconut is very important. Therefore, the use of local agro-industrial by-products could reduce the carbon footprint and make the use of these new filter media more compatible with environmental criteria. The first objective of this PhD thesis is to determine the degree of reliability under real conditions of an innovative filtering medium of lignocellulosic origin that has been proven successful in laboratory conditions. The study is based on the comparison of results obtained in the laboratory and in the field. In the laboratory, a hydraulic approach allowed the characterisation of the filter bed operation. In the field, the evaluation of a compact filter that has been running continuously for more than four years and five other installations has been completed. For all installations, the filter media tested allowed a quality of the discharged water in accordance with the current regulations. The estimated average reduction percentages of COD, BOD5 and TSS, are respectively over 79%, 98% and 88%, thus confirming the important degradation of the organic matter and particulate pollution. The second objective of this PhD thesis is to establish a set of physicochemical parameters to guide the choice of new materials potentially usable in OSSF. To do this, the characterisation of the key physicochemical parameters of new materials and the hydraulic parameters of the corresponding filter beds were carried out. Statistical analysis made it possible to study the correlations between these parameters and the purification performances of the materials. In the end, a selection methodology has been proposed.

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