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.

La limitation des ressources énergétiques fossiles et les lourds impacts environnementaux pouvant résulter de leur exploitation, entraînent un regain d’intérêt pour la digestion anaérobie. Face aux enjeux énergétiques et sanitaires, la conduite d’un méthaniseur implique l’optimisation de la production de méthane, mais aussi d’assurer la qualité sanitaire du digestat du point de vue des micropolluants. C’est dans ce cadre que s’inscrit ce projet de thèse réalisé en partenariat avec la ferme expérimentale de la Bouzule. L’optimisation de la co-digestion de substrats a montré que l’ajout d’herbe ensilée durant 36 semaines, améliorait le rendement du procédé de 20%. Le suivi des micropolluants (métaux lourds et HAPs) contenus dans les herbes provenant des bordures de route a montré que la qualité du digestat ne serait pas affectée si elles sont incorporées au digesteur. L’étude en réacteur batch de l’impact des antibiotiques sur la production de méthane a montré que : à 8 mg/L et 16 mg/L de tétracycline on observe une baisse de 23% et 28% respectivement, à 14 mg/L de spiramycine on observe une baisse de 40%, et à 20 mg/L de tylosine on observe une baisse de 30%. En réacteur continu, les faibles concentrations de tétracycline (0,2 mg/L et 2 mg/L) amélioraient d’environ 5% de la production de méthane au bout de 7 jours. A 200 mg/L et 2000 mg/L de tétracycline, on atteint des baisses de 30% et 40%, et le système ne récupère pas au bout de 7 jours. Quant à la spiramycine, à 1,4 mg/L, 14 mg/L et 140 mg/L, les baisses ont été de 14%, 24% et 39% respectivement, et au bout de 7 jours, une baisse résiduelle est toujours observable. Par ailleurs, les digestats issus des tests avec les antibiotiques sont en accord avec la réglementation / The limitation of fossil energy resources and heavy environmental impacts arising from their operation, there is a renewed interest for anaerobic digestion. According to the energy, and health issues, the monitoring of an anaerobic digester involves the maximization of the methane production, but also to ensure a good quality of digestate from the perspective of micropollutants. It is within this framework that this project of thesis is realized in partnership with the experimental farm of “La Bouzule”. The optimization of the co-digestion of substrates, showed that the use of 36 weeks grass silage improved the process yield by 20%. The monitoring of heavy metals and PAHs content in the grasses from roadsides showed that these grasses – if used as co-substrate in the digester – will not affect the digestate quality. The study of the impact of antibiotics on methane production in batch reactor showed that: 8 mg/L and 16 mg/L of tetracycline led to 23% and 48% decrease respectively, 14 mg/L of spiramycin led to 40% decrease, and 20 mg/L tylosin to 30% decrease. The monitoring of the continuous reactor showed that low levels of tetracycline (0.2 mg/L and 2 mg/L) led to an improvement of about 5% of the methane production. At 200 mg/L and 2000 mg/L of tetracycline, reductions of 30% and 40% are achieved, and the system did not recover after 7 days. The addition of spiramycin to the continuous reactor at 1.4 mg/L, 14 mg/L and 140 mg/L resulted in decreases of 14%, 24% and 39% respectively. For the latter, after one week, a residual drop is still observable. Furthermore, the digestate resulting from the monitoring of the continuous reactor during the tests with antibiotics is in accordance with current regulations

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 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.

Les stations d’épuration constituent une voie majeure de dissémination des micropolluants minéraux et organiques dans l’environnement. De nombreux composés émergents ne sont pas totalement éliminés des eaux usées et sont transférés aux boues par sorption du fait de leurs propriétés physico-chimiques. Parmi ces composés, les résidus de médicaments doivent être suivis car ils peuvent avoir des effets indésirables sur les organismes une fois rejetés dans l’environnement. L’épandage des boues stabilisées sur les sols étant le procédé de valorisation le plus employé en France, le choix du traitement des boues en amont, permettant de réduire au maximum la dissémination des micropolluants constitue une question scientifique et technique fondamentale. Dans ce travail, le devenir de micropolluants métalliques (cadmium et cuivre) et de plusieurs médicaments (carbamazépine, ciprofloxacine, sulfaméthoxazole, acide salicylique, ibuprofène, paracétamol, diclofénac, kétoprofène, éconazole, aténolol et propranolol) a été étudié pour différents lots de boues urbaines (avec ou sans traitement par ozonation) et aussi de manière originale sur des boues provenant exclusivement du traitement d’effluents hospitaliers (station de SIPIBEL), au cours de leur traitement (épaississement puis stabilisation par compostage, chaulage ou digestion anaérobie). La méthodologie proposée a reposé sur la mise en relation : d’une part des coefficients de répartition de ces micropolluants entre les fractions soluble et particulaire (Kdsorption) dans la boue après chaque traitement de stabilisation ainsi que de leur potentiel de désorption (Kdésorption) avec d’autre part les propriétés des micropolluants et les caractéristiques des boues (composition biochimique et groupements fonctionnels). Cette mise en relation a abouti, grâce à une analyse statistique de type PLS à la proposition de modèles permettant de prédire les valeurs de Kdsorption et Kdésorption. Il a ainsi pu être démontré que le pH des boues ainsi que les groupements fonctionnels de type phosphorique dans la phase soluble et de type amine/hydroxyle dans la fraction particulaire des boues avaient une influence majeure sur le comportement de sorption des micropolluants organiques, de même que la masse molaire et la solubilité de ces derniers. D’autre part, ce travail a permis de montrer que l’ozonation des boues en amont des traitements de stabilisation s’est avérée efficace car elle a permis d’éliminer huit composés pharmaceutiques sur les onze étudiés. Pour tous les lots de boues, le sulfaméthoxazole a été biodégradé au cours de la digestion anaérobie. Les tests de désorption en batch effectués sur les boues après chaulage et digestion ont montré que les micropolluants dans les boues chaulées ont tendance à être plus facilement relargués qu’après digestion anaérobie. Enfin, l’étude de la disponibilité des micropolluants lors de l’épandage des différents lots de boues urbaines et hospitalières stabilisées sur des colonnes de sol à l’échelle du laboratoire a montré que l’ibuprofène, l’acide salicylique, le diclofénac et le paracétamol étaient les seuls composés détectés dans les phases lixiviées des sols amendés, ce qui traduit une faible mobilité des autres composés dans le sol. / Wastewater treatment plants represent the main transfer pathways for micropollutants to enter the environment. Emerging contaminants are not totally eliminated and are transferred to the sludge by sorption process due to their physico-chemical properties. Among them, pharmaceutical compounds are of a great concern because of their potential adverse effects to ecosystems. As sludge landspreading is the main process of valorization employed in France, the choice of the kind of sludge stabilization treatment able to reduce the amount of micropollutants is crucial. In this work, the fate of trace metallic elements (cadmium and copper) and pharmaceutical compounds (carbamazepine, ciprofloxacin, sulfamethoxazole, salicylic acid, ibuprofen, paracetamol, diclofenac, ketoprofen, econazole, atenolol and propranolol) has been investigated in sludge from different origins: urban (with and without ozone oxidation treatment) and hospital, during their treatment (thickening and stabilization by composting, liming or anaerobic digestion). The methodology developed in this work consisted in connecting the partition coefficients of micropollutants (between the soluble and particulate fractions of sludge, Kdsorption) and their desorption potential (Kdesorption) with micropollutants physico-chemical properties and sludge characteristics (biochemical composition and functional groups). Statistical analysis leads to the determination of models able to predict Kdsorption and Kdesorption. Molecular weight and solubility of pharmaceutical compounds, sludge’s pH, phosphoric functional groups in the soluble phase and amine/hydroxyl groups in the particulate fraction of sludge had the main impact on the sorption behavior. Moreover the oxidation of sludge with ozone before stabilization was efficient to eliminate eight from eleven organic compounds. For all sludge samples, sulfamethoxazole was biodegraded during anaerobic digestion. Batch desorption tests showed that micropollutants were more easily desorbed in limed sludge compared to digested sludge. Finally, the study of micropollutants availability during stabilized urban and hospital sludge landspreading on laboratory soil columns revealed that ibuprofen, salicylic acid, diclofenac and paracetamol were the only compounds present in leachates. This means that the other pharmaceutical compounds exhibited a lower mobility in soil.

Dans le cadre des objectifs définis par la Directive Cadre sur l’Eau, ce travail de thèse porte sur la quantification du transfert de micropolluants organiques à la confluence entre la Fensch et la Moselle. Une nouvelle méthodologie a été développée pour déterminer les niveaux d’anthropisation dans les matrices environnementales. Basée sur la quantification exhaustive des marqueurs moléculaires, cette approche permet de comparer les apports naturels et anthropiques et de différencier les apports anthropiques selon leurs origines (combustion, pétrogénétique, eaux usées). Elle est parfaitement appropriée à l’étude de la matière organique des différentes matrices environnementales fournissant des informations beaucoup plus complètes que le dosage de quelques molécules cibles. Appliquée aux sédiments du système Fensch-Moselle, cette approche a permis d’analyser l’évolution des contributions organiques le long de la Fensch ainsi que leur transfert à la confluence avec la Moselle, tout en déterminant les sources principales de contamination. Ce travail souligne l’importance de l’hydrodynamisme sur la sédimentation et la biodégradation des micropolluants organiques. L’étude de ce système a également été l’occasion de développer deux outils utiles pour répondre à des questionnements environnementaux majeurs. Le premier, basé sur la déconvolution de l’unresolved complex mixture, permet de quantifier la masse de produits pétroliers accumulés dans des sédiments. Le second se base sur l’étude de la répartition des micropolluants organiques en phase aqueuse (dissous, colloïdale, particulaire) lors de la mobilisation de sédiments contaminés, permettant d’évaluer leur biodisponibilité / According to the objectives of the Water Framework Directive, this study deals with the quantification of the transfer of organic micropollutants at the confluence between Fensch and Moselle Rivers. A new methodology has been developed in order to quantify the anthropogenic pressure in environmental matrices. Based on the exhaustive quantification of molecular markers, this approach allows the comparison between natural and anthropogenic inputs and the differentiation between anthropogenic sources (pyrogenic, petrogenic, sewage waters). It is fully appropriate in order to study organic matter in different environmental matrices providing much more information than the quantification of few target compounds. In sediments of the system Fensch-Moselle, this approach has been applied in order to study the evolution of the anthropogenic pressure due to organic micropollutants along the Fensch River, their transfer at the confluence with the Moselle River and the major sources of contamination. This work highlights the relationship between hydrodynamism and settling and biodegradation of organic micropollutants. Together with the mutimolecular approach, two methodologies have been developed in order to answer to major environmental questionings. The first one, based on the deconvolution of unresolved complex mixture, allows quantifying the amount of petroleum by-products stored in sediments. The second one is based on the analysis of organic micropollutants in aqueous phases (dissolved, colloidal, particulate) during mobilization of contaminated sediments, which allows the evaluation of their bioavailability

En Lorraine, environ 7000 ha d’étangs sont exploités pour la production piscicole. Le présent travail a été consacré à la compréhension des mécanismes de transfert des micropolluants dans les étangs en mettant l'accent sur trois questions : (1) évaluer l'ampleur de la contamination métallique des étangs (n=45) ; (2) évaluer l'influence des étangs (n=3) sur les concentrations, le risque de toxicité et les flux de pesticides; (3) évaluer l'importance relative des voies de transfert des PCB vers le poisson. (1) Les enrichissements calculés soulignent des contaminations généralement faibles à modérés à l’exception des étangs localisés dans la Vôge et de deux étangs localisés dans la Woëvre. Cet enrichissement est plus prononcé pour le Cd et semble être lié à la richesse du sédiment en matière organique et carbonates (perte au feu). (2) Dans les cours d’eau de tête de bassin versant sur lesquels s’inscrivent ces trois étangs de barrage, les concentrations les plus élevées étaient généralement réduites de plus de 90% entre l'amont et l'aval de l'étang. Le risque de toxicité, évalué par la méthode de l'unité toxique, était atténué en aval des étangs. Lorsqu’on considère les flux de pesticides, les résultats obtenus suggèrent que, selon les substances considérées, les charges en pesticides sont réduites de 10 à 100% entre l'amont et l'aval de l'étang. (3) Les résultats montrent que le sédiment contaminé n’a pas d’impact sur la biodisponibilité orale des trois congénères de PCB chez la carpe commune. L’effet géosorbant du sédiment, qui explique son rôle de réservoir environnemental de PCB, paraît insuffisant dans les conditions du tractus digestif de la carpe commune, pour éviter un transfert vers le poisson / In the Lorraine Region, about 7,000 ha of ponds are exploited for fish production. The present work was dedicated to the understanding of micropollutants transfer mechanisms in freshwater fishponds focusing on three issues: (1) evaluate the extent of fishpond (n=45) exposure to trace metals (2) evaluate the influence of fishponds (n=3) on concentrations, potential toxicity and mass flows of pesticides; (3) evaluate the relative importance of transfer pathways of PCBs to fish. (1) The enrichments measured were generally low to moderate with the exception of the sites located in the Vôge and two sites located in the Woëvre. Enrichment was particularly high for Cd and seemed related to the loss of ignition. No relationship between enrichment and land use could however be observed. (2) High pesticide concentrations were generally reduced by more than 90% between upstream and downstream location. The risk of toxicity, evaluated under the toxic unit approach was attenuated downstream of the ponds. When considering the flow of pesticides, the results suggest that, depending on the substances in question, 10 to 100% of the loads of pesticides are retained in fishponds. (3) The oral transfer of polychlorinated biphenyls (PCBs 138, 153, and 180) from a contaminated sediment to a benthic fish (carp) was studied by the in vivo relative bioavailability method. The results show that the contaminated sediment has no effect on the oral bioavailability of the three PCB congeners in common carp. The geosorbing effect of sediment, which explains its role as an environmental reservoir of PCBs, seems insufficient under the conditions of the digestive tract of the common carp, to prevent transfer to fish

Ce travail de thèse concerne le développement de catalyseurs Fe/Faujasite afin de dégrader un cocktail de micropolluants provenant d’une eau réelle de rivière dans la Meurthe (France) avec le procédé photo-Fenton hétérogène. Les micropolluants étudiés appartiennent à 4 grandes familles : des principes actifs pharmaceutiques, des produits de soins cosmétiques, des perturbateurs endocriniens, et des composés perfluorés. Pour la première fois, dans cette thèse, la dégradation d’un mélange de 21 micropolluants à l’état de traces (2 – 80 ng/L) provenant d’une réelle eau de rivière non-dopée a été effectuée. Cependant, le fait de travailler avec des concentrations très faibles en polluants reste un challenge notamment en ce qui concerne les aspects de chimie analytiques. Ce travail de thèse est donc divisé en deux grandes parties. Dans un premier temps, il a été nécessaire de trouver la meilleure eau réelle contenant un nombre élevé de micropolluants de différentes natures à des concentrations de l’ordre de quelques ng/L mais inférieures à 100 ng/L. Pour cela différentes campagnes de prélèvement ont été effectuées dans les deux principales rivières de la région Lorraine, la Meurthe et la Moselle, en différents lieux et différentes périodes de l’année. L’eau provenant du site de Moulin Noir a été choisie. Dans une deuxième partie, nous avons développé des catalyseurs fer/Faujasite pour pouvoir tester leur efficacité pour la dégradation des micropolluants provenant du site de Moulin Noir par le procédé photo-Fenton hétérogène. Dans une étape intermédiaire, l’optimisation des paramètres opératoires du procédé photo-Fenton avec nos catalyseurs a été effectuée en utilisant deux macropolluants modèles, phénol et diclofenac / Twenty one 21 micropollutants including pharmaceuticals, personal cares product, endocrine disruptors and perfluorinated compounds presenting at ng/L in the real water of Meurthe river, were successfully quantified and removed using heterogeneous photo-Fenton process. To achieve this goal, an analytical-catalytic methodology was developed and the work steps were performed linked together in a cycle-like manner. The use of the sensitive and efficient multi-residual SPE-LC-MS/MS analytical method allowed us to analyze and quantify the mixture of micropollutants present in a complex matrix during 3 periods of the year with different weather conditions, from 5 sampling sites. Results showed that the highest concentrations of most of the present micropollutants are observed in October at ng/L, Moulin Noir sampling site found to contain the largest number and type of these pollutants, the WWTP was not efficient in the removal of the micropollutants present in water and the drinking water used from tab was totally safe from micropollutants. The calculation of the fluxes and estimation of the mass balance at the rivers confluence confirmed the good precision and reliability of our measurement methodology, and specify the most suitable site for water to be taken from to be used in the removal tests which was Moulin Noir. Having the appropriate water sample, an efficient iron impregnated Faujasite catalyst was developed and used in a photo-Fenton process for the micropollutant removal tests. After characterization and optimization of the different experimental factors using the 2 model macropollutants, phenol and diclofenac, the real tests were performed on real water samples from Moulin Noir. The results demonstrated the good efficiency of the photo-Fenton process with the cocktail of 21 micropollutants. Except for sulfamethoxazole and PFOA, the concentrations of all the other micro-contaminants became lower than the limit of quantification of the LC-MS/MS after 30 minutes or 6 hours of photo-Fenton treatment depending on their initial concentrations under the effect of both adsorption and Fenton mechanisms. Comparing the photo-Fenton process to heterogeneous photocatalytic degradation over TiO2, Faster micropollutants removal occurred with the zeolite

Dans un contexte de raréfaction de la ressource en eau, le traitement des eaux usées peut permettre de constituer des réserves d’eau durables et valorisables pour des usages variés tels que l’irrigation des cultures, la recharge de nappe phréatique ou encore une utilisation directe par les industries grandes consommatrices d’eau (cimenterie, aciéries…). Ainsi, la nécessité d’améliorer le traitement des eaux usées en sortie de STEU devient primordial afin d’assurer une qualité chimique et microbiologique de l’eau compatible avec sa réutilisation. Le traitement des micropolluants constitue notamment un nouveau défi pour les STEU. Si des projets de recyclage des eaux usées émergent pour les grandes STEU, le potentiel des petites ou moyennes STEU, qui constituent près de 90% des installations en France, reste inexploité à l’heure actuelle. Pour y remédier, les procédés d’oxydation avancée, notamment ceux basés sur l’UV, se présentent comme des solutions de traitement prometteuses. L’objectif de cette étude est de démontrer que la technologie UV/H2O2 est efficace et économiquement réaliste pour la désinfection et l’élimination des micropolluants organiques dans ces petites et moyennes STEU. Dans une première phase, un pilote de laboratoire UV/H2O2 a été évalué en conditions réelles (débit, matrice) sur des modèles bactériens et sur des micropolluants estrogéniques (E1, E2 et EE2) dans les eaux usées traitées d’une STEU. L’efficacité du traitement est comparée à celle de la photolyse seule. Il a été montré que le traitement UV/H2O2 permet une amélioration de la désinfection en assurant une destruction des bactéries contrairement à la photolyse seule qui ne fait qu’inactiver les micro-organismes. D’autre part, les doses UV (plus petit 600 mJ/cm²) et les concentrations en H2O2 étudiées (30-50 mg/L d’H2O2) permettent d’abattre plus de 80% de l’ensemble des micropolluants ciblés et de l’activité biologique (estrogénicité) associée, sans former de sous-produits estrogéniques ou toxiques au regard des tests d’activité employés dans l’étude (YES et Vibrio Fisheri). Parallèlement, il a été montré que le procédé UV/H2O2 est également efficace pour éliminer plus de 70% des produits pharmaceutiques (diclofénac, ibuprofène et naproxène) à 1000 mJ/cm². Sur la base des paramètres de traitement établis en pilote de laboratoire, un prototype a été dimensionné pour la STEU de Vercia (filtre planté de roseaux, 1100 EH, Jura). Les conditions de traitement mises en œuvre (dose UV plus pertit 1000 mJ/cm², [H2O2] = 15 mg/L) ont permis d’obtenir une eau de très haute qualité bactériologique et des abattements des micropolluants suivis supérieurs à 90%. Cette expérimentation à échelle réelle a permis d’estimer le coût global de cette technologie à environ 0,28 €/m³. L’ensemble de ce travail de recherche conclue à l’efficacité et au fort potentiel de la technologie UV/H2O2 pour le recyclage des eaux usées traitées des petites et moyennes STEU. / Water scarcity is a growing concern worldwide. In this context, treated wastewater is seen as a sustainable water resource which could be used for different purposes such as irrigation, groundwater recharge or industrial activities. Reclaimed water is an environmentally and economically solution, still poorly developed in France. However, an increasing demand is expected in the coming years. Therefore, treatment enhancement in wastewater treatment plant could be necessary in order to meet chemical and biological water quality requirements which will depend on the final use of the treated water. The treatment of emerging micropollutants is one of the new challenge WTP will have to cope with. Enhanced treatment processes (ozonation, activated carbon, membrane filtration) have already been set up in large WTP but small and medium WTP, representing around 90% of the French WTP, are still lacking of affordable treatment solutions. However, UV based advanced oxidation process (AOP) could be a promising technology in order to produce a water of high quality. The aim of this study is to demonstrate that UV/H2O2 process is technically and economically efficient for the disinfection and the removal of micropollutants in small and medium WTP. First of all, a UV/H2O2 pilot at a laboratory scale was assessed on bacterial models as well as estrogenic micropollutants (E1, E2 and EE2) in treated wastewater. Treatment efficiency was compared to UV photolysis. It was shown that UV/H2O2 treatment increased the disinfection process by destroying the cellular membrane integrity whereas the UV photolysis could only inactive the bacteria. Moreover, when combining UV (plus petit 600 mJ/cm²) and H2O2 (30-50 mg/L), above 80% of the estrogenic compounds and the associated estrogenic activity could be removed. No high estrogenic or toxic by-products were detected by the two bioassays used in this study (YES and vibrio fisheri). The UV/H2O2 process could also degrade pharmaceuticals such as diclofenac, ibuprofen and naproxen (>70 % at 1000 mJ/cm²). In a second part, a full scale pilot was designed based on the previous results and set up in a WTP in Vercia (Jura). The treatment (UV fluence ≈ 1000 mJ/cm², [H2O2] = 15 mg/L) allowed to obtain a water of a very high bacteriological and chemical quality. The global cost of the process was estimated at around 0.28 €/m³. This study demonstrates the efficiency of the UV/H2O2 process in a small WTP and its high potential for reclaimed water production

Cette thèse se propose de contribuer aux connaissances relatives à l'impact des facteurs spatiaux (occupation du sol) et temporels (saisons, étiages, pluies) sur la qualité des eaux de ressource à l'échelle du bassin versant. Ainsi les zones et conditions à risque pourront être identifiées à l'aide de l'exploitation et de l'interprétation de bases de données historiques et expérimentales de qualité d'eau à l'échelle du bassin versant de la Vilaine en Bretagne. Cette étude se focalise principalement sur les micropolluants, avec notamment les pesticides et les produits pharmaceutiques vétérinaires pour le contexte agricole, mais également les produits pharmaceutiques humains compte tenu de l'intérêt grandissant qui leur est porté dans le domaine de l'évaluation des risques sanitaires et environnementaux. De plus, cette thèse se propose également de contribuer à l'amélioration et à l'adaptation des traitements des produits pharmaceutiques humains en usine de production d'eau potable compte tenu de l'évolution de la règlementation et de la protection du consommateur.