Realized and potential threats of water scarcity due in part to global climate change have increased the interest in potable reuse of municipal wastewater. Recalcitrant trace organic compounds (TOrCs), including pharmaceuticals, steroid hormones and industrial compounds in wastewater are often not efficiently removed by conventional wastewater treatment processes, thereby ubiquitously occurs in natural and wastewater effluents. Advanced water treatment processes including advanced oxidation processes (AOPs), activated carbon adsorption and membrane separation processes have been demonstrated to efficaciously attenuate many classes of TOrCs. In this dissertation, attenuation of TOrCs by ozone oxidation, powdered activated carbon (PAC) and nanofiltration membrane and their monitoring strategies were demonstrated in water reuse applications. Particularly, the first main chapter attempted to elucidate the use of indicator/surrogate for predicting TOrC attenuation by ozone oxidation in a theoretical basis. A semi-empirical model was developed, which successfully predicted many TOrCs with various oxidation kinetics simultaneously. The following chapter was pertaining to development of exploratory models to predict TOrC abatement by ozone. It was concluded that principal component (PC) analysis in conjunction with artificial neural network (ANN) resulted in precise and robust prediction of TOrC attenuation. In addition to oxidation process, kinetic of TOrC adsorption by PAC was scrutinized subsequently. It was found that the initial-phase adsorption was controlled by surface reaction due to hydrophobic interaction. In addition, correlation between surrogate reduction and TOrC attenuation was independent upon water quality at the early phase of adsorption, which was explained theoretically. In the last chapter, synergistic effects of NF membrane in conjunction with pre-ozonation was investigated for TOrC abatement in brine. As a result, all the tested TOrCs were efficaciously attenuated and not quantifiable due to their concentration below limit of quantification. In addition, ozonation also alleviated organic fouling potential substantially.

La zone littorale, de grande importance pour le fonctionnement écologique du lac, est souvent la première zone réceptrice de la contamination provenant du bassin versant. Cette pollution est majoritairement piégée dans les sédiments de surface. Pour autant, les conditions environnementales variables qui règnent en zone littorale sont susceptibles de favoriser la biodisponibilité des contaminants par le jeu des réactions physico-chimiques et biologiques. Cette thèse s’appuie sur l’étude de deux grands lacs péri-alpins, le Lac du Bourget et le Lac d’Annecy, pour mieux comprendre le comportement des polluants sédimentaires (ETM, HAP et PCB) en zone littorale lacustre. Nos travaux visent notamment (1) à caractériser la contamination littorale et l’influence des sources locales dans cette contamination, (2) à évaluer l’écotoxicité des sédiments littoraux et les changements de mobilité et de biodisponibilité des polluants sédimentaires sous l’influence de changements abiotiques de la zone littorale tels que ceux induits par le marnage lacustre. Nos résultats montrent que la contamination des sédiments et organismes autochtones présente une hétérogénéité spatiale significative sur le littoral des deux lacs, tant en intensité qu’en composition (i.e. profil de contamination). L’implication de sources locales (e.g. eaux pluviales drainées sur le bassin-versant) dans cette hétérogénéité spatiale a été mise en évidence. L’écotoxicité des sédiments de la zone littorale, évaluée via la réponse de biomarqueurs enzymatiques (AChE, GST), physiologiques (e.g. taux d’ingestion chez D. magna) et des traits de vie (e.g. taux de croissance, reproduction et survie) présente également une hétérogénéité spatiale significative. La biodisponibilité des ETM sédimentaires a été plus spécifiquement étudiée aux interfaces sédiment-eau-biote. Elle varie selon l’élément, le biote exposé (benthique ou pélagique) et sous l’effet du marnage. L’assèchement et remise en eau du sédiment littoral s’accompagnent d’une réduction de la fraction biodisponible des ETM. L’abaissement de la hauteur d’eau, en revanche, entraîne une accentuation de la remise en suspension de particules sédimentaires susceptibles d’exercer un risque écotoxicologique sur le biote littoral. Nos résultats soulignent la complexité de la contamination littorale et de son transfert dans les grands lacs péri-alpins et encouragent les approches écotoxicologiques dans l’évaluation de l’état écologique. / The littoral zone of lakes is of great ecological importance and yet receives a large array of contaminants from the watershed. This pollution is mainly trapped by the surface sediment, but its bioavailability may be allowed by physico-chemical and biological reactions in this zone of high environmental fluctuations. This work aims at improving knowledge about the behavior of sediment-borne contaminants (trace metals, PAHs and PCBs) in the lake littoral zone by using two large perialpine lakes; Lake Bourget and Lake Annecy. More precisely, our goals were to (1) characterize the littoral contamination and the influence of local sources in this contamination, (2) assess the ecotoxicity of the sediment-borne contamination and the main changes in its mobility and bioavailability under abiotic changes in the littoral zone, such as those related to water-level fluctuations in lakes. The contamination of the sediments and native organisms exhibited a significant spatial heterogeneity along the lake littoral, in both intensity and profile’s composition. The involvement of local sources of contamination (e.g. stormwater runoff) as drivers of this spatial heterogeneity has been highlighted. The ecotoxicity of littoral sediments was assessed through the responses of enzymatic biomarkers (AChE and GST), physiological traits (e.g. ingestion rates in D. magna) and life-history traits (e.g. growth, reproduction and survival rates). Our results also underscored a significant spatial heterogeneity of the littoral sediment ecotoxicity. A greater focus on the bioavailability of trace metals at the sediment-water-biota interfaces showed that bioavailability depends on the metal, the exposed biota (benthic vs pelagic) and fluctuate under water-level fluctuations. Drought and re-immersion of surface sediments were followed with a reduction of the bioavailable fractions of the trace metals. However, decreases in the water-level led to increase suspended sediments in the water column, which may exert an ecotoxicological risk for the littoral biota. Our results underline how complex the littoral contamination and bioavailability are and promote ecotoxicological approaches in the assessment of the ecological status of large lakes.

Many chemicals used in everyday personal care products are today amongst the most commonly detected compounds in surface waters throughout the world. Collectively referred to as micropollutants, they include paraben preservatives, organic UV filters, alkylphenols, triclosan, and bisphenol-A. Micropollutants enter the aquatic environment predominantly via wastewater discharges. To date there has been only limited assessments on their presence and impacts in coastal environments. The wastewater treatment plants in Lyttelton, Governors Bay, and Diamond Harbour were found to discharge micropollutants into Whakaraupo Harbour. Similarly, the sewage effluents of the Antarctic research stations Scott Base and McMurdo Station were found to discharge micropollutants into Erebus Bay. Strong seasonal changes in the Whakaraupo effluent concentrations were observed, with concentrations higher in winter than in summer. Concentrations fluctuated greatly in Scott Base, reaching concentrations higher than have been previously reported internationally. The nine most commonly detected analytes were octylphenol, 4-MBC, BP-3, BP-1, triclosan, methyl triclosan, bisphenol-A, estrone, and coprostanol. The marine environments in Whakaraupo Harbour and Erebus Bay were found to be similarly impacted. The most commonly detected micropollutants in seawater in Whakaraupo Harbour were mParaben, 4-MBC, BP-3, OMC, bisphenol-A, and estrone. The marine sediments in Whakaraupo Harbour accumulated mParaben, octylphenol, 4-MBC, BP-3, BP-1, bisphenol-A, OMC, estrone, and coprostanol, while mussels bioaccumulated mParaben, octylphenol, and BP-3. The same range of micropollutants were detected in seawater throughout Erebus Bay, including the reference sites. Marine biota (clams, urchins, and fish), including those from the reference site, were shown to readily bioaccumulate mParaben, pParaben, octylphenol, BP-3, E2, EE2, and coprostanol. A much larger coastal area of Antarctica and New Zealand is therefore impacted than was previously thought. Photodegradation was identified as an important environmental degradation pathway for micropollutants. mParaben, BPA, EE2, and BP-3 are highly photo-stable, while triclosan and OP readily photodegrade. The low temperature and irradiance conditions in Antarctica were modelled to investigate their potential environmental persistence. Field measurements suggest the model may underestimate the photodegradation potential of some micropollutants.

Dans le cadre de l'application de la directive cadre sur l'eau, la liste des substances « prioritaires » a été révisée et une nouvelle liste dite « de vigilance » a été récemment proposée pour des substances dont les connaissances sur l'exposition et la dangerosité sont à documenter. Or, les stations de traitement des eaux usées (STEU) domestiques actuelles, majoritairement des procédés secondaires biologiques, n'ont pas été conçues pour éliminer les micropolluants. Si elles en éliminent une grande partie, de nombreux micropolluants organiques (pesticides, composés pharmaceutiques, hormones, etc.) sont encore présents dans les eaux traitées. Certains procédés de traitement complémentaires (ou tertiaires) intensifs ou extensifs ont récemment été étudiés de façon à déterminer leur capacité à éliminer des micropolluants considérés comme réfractaires au traitement biologique (peu biodégradable ou faiblement sorbables sur les MES) et/ou présents en fortes concentrations dans les eaux usées brutes. Ainsi, l'oxydation par l'ozone ou par le peroxyde d'hydrogène, et l'adsorption sur charbon actif présentent des rendements supérieurs à 70% pour la majorité des pesticides et des pharmaceutiques étudiés. Concernant les procédés extensifs, de récentes études suggèrent que le rayonnement solaire pénétrant dans une colonne d'eau (ex. zone de rejet végétalisée, ZRV de type bassin) permettrait d'éliminer partiellement certains micropolluants par photodégradation (diclofénac, kétoprofène, etc.). L'objectif général de ce travail de doctorat était d'améliorer la compréhension des processus d'élimination des micropolluants organiques quantifiés en sortie de traitement secondaire par deux procédés de traitement complémentaire prometteurs : la photodégradation dans une ZRV de type bassin et l'oxydation à l'ozone mis en oeuvre par une tour d'ozonation sur une STEU réelle. Nous avons développé une méthodologie commune qui a été appliquée à l'étude de ces deux processus pour une sélection de 63 micropolluants réfractaires au traitement secondaire. La première étape a consisté à réaliser un état de l'art sur les études cinétiques disponibles dans la littérature. Deux bases de données ont ainsi été créées pour documenter les constantes cinétiques et rendements d'élimination pour 12 micropolluants. Ce travail a permis d'avoir une vision critique sur ces données issues de la littérature, notamment en ce qui concerne le réalisme des expérimentations vis-à-vis du traitement complémentaire d'eaux usées traitées. Lors de la deuxième étape, des études à l'échelle pilote ont été menées afin d'améliorer les connaissances sur les mécanismes d'élimination par oxydation par voie directe (photons ou O3) ou bien par voie indirecte (OH●). Ainsi, la voie de dégradation majeure (directe ou indirecte) a été déterminée pour les micropolluants étudiés. L'influence de certains paramètres physico-chimiques de l'effluent (nitrates, nitrites, MES, MOD) a également été abordée. Deux modèles numériques permettant de simuler l'élimination des micropolluants par photodégradation ou oxydation à l'ozone, respectivement, ont été développés et calés à partir des résultats obtenus. Dans la troisième étape, nous avons évalué les performances d'élimination des micropolluants à l'échelle des procédés de traitement complémentaire. Les constantes cinétiques mesurées expérimentalement ont permis de classer en 3 groupe (rapide, intermédiaire et lent) 47 micropolluants selon leur cinétique de dégradation par oxydation à l'ozone et, d'autre part, 42 micropolluants selon leur cinétique de photodégradation. Enfin des prévisions effectuées avec les deux modèles ont été comparées avec les mesures sur site. Ces résultats ont confirmé leur utilisation possible comme outil d'aide à la prédiction du comportement des micropolluants en traitement complémentaire / In the context of the implementation of the Water Framework Directive, the list of "priority" substances has been revised and a new list called "vigilance" was recently proposed for substances whose knowledge on exposure and dangerousness need to be document. However, current domestic wastewater treatment plants(WWTP), mostly secondary biological processes, were not designed to eliminate micropollutants. If WWTP eliminate the most part, many organic micropollutants (pesticides, pharmaceuticals, hormones, etc.) are still present in the treated water. Some tertiary treatment processes (or complementary) intensive or extensive recently been studied to determine their ability to remove micropollutants considered refractory to biological treatment (low biodegradable or low sorption on total suspended solids (TSS)) and / or present strong concentrations in raw water. Thus, oxidation by ozone or hydrogen peroxide, and the activated carbon adsorption have removal efficiencies higher than 70% for the majority of pesticides and pharmaceuticals. On extensive processes, recent studies suggest that solar radiation penetrating the water column (eg. soil-based constructed wetlands with basin) would partially eliminate some micropollutant with significant photodegradability (diclofenac, ketoprofen, etc.). The general objective of this PhD was to improve the understanding of the removal process of organic micropollutants quantified at the output of secondary treatment by two promising complementary treatment processes: photodegradation in a basin of soil based constructed wetlands and oxidation by ozone implemented by an ozonation tower on real WWTP. We have developed a common methodology that has been applied to the study of these processes for a selection of 63 micropollutants refractory to secondary treatment. The first step was to achieve a state of the art on kinetic studies in the literature. Two databases were created to document the kinetic constants and removal efficiencies for 12 micropollutants. This work allowed to have a critical view on the data from the literature, especially regarding the realism of the experiments for complementary treatment of treated wastewater. In the second step, studies on pilot scale have been carried out to improve knowledge about the oxidative removal mechanisms by direct (O3 or photons) or indirect pathway (OH●). Thus, the major contribution of degradation (direct or indirect) was determined for all micropollutants studied and the influence of specific physicochemical parameters of the effluent (nitrates, nitrites, TSS, DOM, etc.) was discussed. Two numerical models for simulating the removal of micropollutants by photodegradation or ozone oxidation have been developed and calibrated from the results. In the third step, we evaluated the removal performance of the micropolluants in the complementary treatment processes. The experimentally measured kinetic constants were used to classify in 3 groups (fast, medium and low) 47 micropollutants according to their kinetics of degradation by oxidation with ozone and, secondly, 42 micropolluants according to their photodegradation kinetics. Finally, predictions made with both models and were compared with measurements in real scale. These results confirmed their possible use as a tool to help to predict the behavior of complementary micropolluants treatment

Organic micropollutants (OMPs) in climate change affected natural environment such as wetlands, and engineered systems have brought serious concerns for water security and public health. These issues have increased the demand for better managing water resources and developing effective technologies for aqueous micropollutants removal. This thesis investigated these subjects through the following five sub-research projects. First, boreal peatland was used as a case study for understanding how peatland fires and droughts impacts peatland resilience. Laboratory results suggested that heating and moisture condition, coupled with peat organic hydrophobic transformations, influence peat soil hydrophobicity and the resultant water-extractable pollutant leaching, which potentially threatens peatland downstream receiving waters such as potable waters by high organic loads. Further, post-fire peat chemistry and their mechanistic relationships to leached pollutants (total organic carbon (TOC), nutrients and phenols) were elucidated through a laboratory leaching study. Increased contaminant loading was observed in post-heated peat leachates, suggesting negative effects to water treatment efficiency and an increase of treatment costs to surface waters as potable water source. Next, peat soils damaged from extreme fires and droughts were upcycled for producing high surface area, value-added porous carbons based on a rapid, facile chemical activation approach. This application had the simultaneous benefit of peatland ecological restoration, protecting downstream communities from heavy run-off, and using the sustainable damaged peats for effective environmental remediation though adsorption. Moreover, a critical review of nano-enabled composite membranes for OMP removal (size-exclusion, adsorption, charge interaction, and photo- and electro-catalysis) and their respective benefits and limitations were discussed. This work brought new perspectives for next-generation nanocomposite membranes for OMP removal. Finally, a novel, hyperbranched polyethylenimine (HPEI) crosslinked iron doped reduced graphene oxide (rGO) nanocomposite membrane was synthesized for process-intensified flow-through separation of phenolic micropollutants. Mechanisms and separation performance to phenolic micropollutant and azo dyes were investigated. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / Climate change, industrial manufacture, and population growth have been exacerbating the global water stress. Organic micropollutants (OMPs) are potentially toxic, persistent and can exist even at trace levels, which have been increasingly discovered and identified in natural and built systems. In this research, environmental chemistry of climate-change impacted boreal peatland soils, and their mechanistic relationships to peat soil hydrophobicity, organic substance transformations, micropollutant leaching, and impacts to downstream potable water quality was investigated as a case study. Two different innovative water treatment strategies were developed for restoring peatland resilience and enhancing water resource sustainability including treating peatland phenolic micropollutants. The first approach converted shallow layer wildfire- and drought- damaged peats into value-added porous carbons for adsorption. The second approach synthesized a novel reduced graphene oxide (rGO) nanocomposite membrane for process-intensified flow-through separation. These solutions provide novel insights for source water protection and wastewater treatment in adaption to climate change.

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Les rejets de station d'épuration (STEP) sont considérés comme un vecteur majeur d'entrée des micropolluants dans les milieux aquatiques. Certains micropolluants, fortement présents dans les eaux à traiter ou trop faiblement éliminés par les filières de traitement, sont ainsi retrouvés dans les eaux usées traitées à des concentrations pouvant atteindre plusieurs centaines de ng/L. Ce travail de recherche vise à identifier et simuler les processus d'élimination de micropolluants au sein du procédé à boues activées en aération prolongée, procédé le plus couramment utilisé en France. Nous nous sommes intéressés à 53 micropolluants, dont l'élimination de la file eau par le procédé à boues activées n'est que partielle (rendement compris entre 30 et 70 % selon AMPERES). Cinq familles de substances aux propriétés physico-chimiques différentes ont ainsi été étudiées : 11 métaux, 14 composés pharmaceutiques, 19 hydrocarbures aromatiques polycycliques, 5 alkylphénols, 4 pesticides. L'objectif de la démarche expérimentale proposée a consisté à identifier et caractériser les principaux mécanismes d'élimination. Ces mécanismes ont été étudiés à deux échelles d'observation, échelle industrielle (STEP vraie grandeur) et une échelle pilote. Le suivi d'un procédé boues à activées au sein d'une STEP (2900 EH) a permis de réaliser 8 bilans matières (file eau et file globale) répartis sur une année. Nous avons ainsi mesuré les variations de concentrations des micropolluants ciblés dans les eaux usées brutes, les eaux usées traitées et les boues, ainsi que les variations de performances d'élimination suivant les conditions de fonctionnement de la STEP (température, durée de présence d'oxygène, taux de MES). Les essais à l'échelle pilote en réacteur fermé ont permis de déterminer les coefficients de sorption et les constantes cinétiques de biodégradation de ces micropolluants en conditions contrôlées. La biodégradation de ces micropolluants a été évaluée pour différentes conditions opératoires relatives aux conditions rédox (aérobie et anoxie) et à différentes conditions de substrat (absence de substrat biodégradable, présence de substrat biodégradable carboné et azoté, présence de substrat azoté seulement). Un modèle dynamique calé est proposé, décrivant le comportement des micropolluants dans les phases dissoute et particulaire. Le paramétrage est obtenu à partir des données expérimentales, à savoir les coefficients de sorption et de biodégradation déterminés en réacteur fermé et des performances d'élimination mesurées pour la STEP. / Discharges from wastewater treatment plants (WWTP) are considered as a major input of micropollutants in the aquatic environment. Some micropollutants are found in treated wastewater at concentrations of several hundred ng/L, due to their high concentration in the raw wastewater or to their low removal by WWTP. This work proposes to model the fate of micropollutants in the activated sludge with extended aeration process, most commonly used in France. We investigated 53 micropollutants, particularly those partially removed from the water line by activated sludge process (between 30 and 70% according to the AMPERES project). Five families of substances with different physicochemical properties were studied: 11 metals, 14 pharmaceutical compounds, 19 polycyclic aromatic hydrocarbons, 5 alkylphenols and 4 pesticides. The objective of the experimental strategy is to characterize the two main removal mechanisms: sorption and biodegradation. It combines a study of a process at WWTP scale and tests at laboratory scale. We have monitored an activated sludge process to achieve eight mass balances (water line and global line) for a year. We have characterized variations of concentration in raw wastewater, treated wastewater and sludge as well as variations in removal efficiency depending on operating conditions. Laboratory scale tests were used to determine sorption coefficients and kinetic biodegradation constants of micropollutants in monitored conditions. We evaluated biodegradation kinetics in different redox conditions (aerobic and anoxic) and different substrate conditions (absence of biodegradable substrate, presence of biodegradable substrate carbon and nitrogen, presence of substrate nitrogen only). The model describing the fate of dissolved and particulate phases is calibrated from sorption and biodegradation constants and removal efficiencies observed for the activated sludge process at WWTP scale.

Une des solutions alternatives les plus fiables contre la raréfaction des ressources en eau et la dégradation de leur qualité est la réutilisation des eaux usées. Aujourd'hui la technologie membranaire basse et haute pression s'impose comme la technologie de choix pour la production directe et indirecte d'eau potable du fait de la très haute qualité de l'eau produite. Néanmoins, le colmatage des membranes, affectant techniquement et économiquement les filières de traitement, reste aujourd'hui l'un des principaux défis. Les objectifs de cette thèse sont d'améliorer la compréhension du colmatage membranaire dans le recyclage des eaux usées en étudiant le rôle de la qualité de l'effluent secondaire sur le développement du colmatage et l'impact du colmatage sur la qualité de l'eau produite. Afin d'atteindre ces objectifs, une meilleure connaissance de la qualité des effluents secondaires et de leur impact sur les procédés membranaires s'avère indispensable. Les différentes fractions organiques des effluents ont été caractérisées à l'aide de techniques innovantes telles que la spectroscopie de fluorescence à 3 dimensions (EEM) et la chromatographie liquide couplée à une détection carbone (LC-OCD). Une unité à échelle pilote, composée d'ultrafiltration suivie d'une osmose inverse à deux étages, a été mise en place sur deux sites distincts. Plusieurs doses de monochloramine ont été testées (0 à 2 mg/L NH2Cl) afin de donner des recommandations d'optimisation de traitement. / One of the most reliable alternative solutions to water shortage and scarcity in urban areas is potable reuse of what would otherwise be considered "waste" water. The combination of low and high-pressure membrane processes is the favoured technology for direct and indirect potable water recycling due to the very high water quality produced. Despite the fact that membrane technology is well established, membrane fouling remains a major challenge affecting plant operation technically and economically. This thesis aims to contribute to the understanding of membrane fouling in water reuse by investigating the importance of the feed water quality on fouling development and the impact of the fouling on the treated water quality. In order to achieve these objectives, it was important to develop better knowledge of the impact of feed water quality on the membrane process. The organic composition of the effluents was successfully differentiated with the use of advanced analytical tools such as fluorescence excitation emission matrix (EEM) and liquid chromatography-organic carbon detection (LC-OCD). To evaluate water quality impact on membrane fouling, a membrane pilot unit consisting of ultrafiltration and a two stage reverse osmosis train was operated on two different sites. Different monochloramine dosages (0 to 2 mg/L NH2Cl) were applied and their impact on RO membrane performance was studied in order to provide recommendations for plant design.

L’élimination des micropolluants organiques est devenue aujourd’hui un objectif de santé publique car leur toxicité et bioaccumulation au travers de la chaine trophique sont incontestables. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et le nonylphénol (NP) présents en faible concentration dans l’eau usée sont peu éliminés par le traitement. Ces composés hydrophobes se retrouvent fortement sorbés à la matière organique des boues de station d’épuration. Les procédés de traitement de ces boues, comme la digestion anaérobie (DA) jouent un rôle central car ils constituent une des dernières barrières avant rejet vers l’environnement par épandage. La DA élimine les HAP et le NP mais les performances restent insatisfaisantes. L’objectif de cette thèse est d’améliorer les performances d’élimination des HAP et NP par la DA en utilisant l’électrolyse microbienne et l’ajout des matériaux conducteurs. Les résultats montrent que le graphite poreux permet de lever deux limites à la bioremédiation des HAP: le manque d'accepteurs d'électrons terminaux et la biodisponibilité limitée des HAP. En effet, le graphite poreux semble faciliter l'échange direct d'électrons avec la communauté syntrophique anaérobie ce qui améliore les performances d’hydrolyse de la matière et des contaminants associés, particulièrement, l’élimination de 12 HAP est accrue de 21 à 33 %. Pour le NP, les processus impliqués semblent être différents car aucune amélioration n’est observée quelles que soient les conditions.. L’addition du graphite non-poreux (avec une surface spécifique moindre) et du platine (avec une conductivité plus élevée) n’éliminait que deux HAP de faible poids moléculaire suggérant que la conductivité ne constitue pas un facteur majeur dans la dissipation des HAP. L’ajout du graphite poreux en plus grande quantité, par contre, n’a pas confirmé l’hypothèse qu’une augmentation de surface spécifique du matériau conducteur accroit également l’élimination des HAP. Lors de la DA assistée par différents matériaux, un enrichissement de méthanogènes hydrogénotrophs a été constaté qui pourra être à la racine des performances observées. Dans ce contexte, la composition microbienne de l’inoculum joue un rôle majeur dans l’ampleur d’une biodégradation des HAP. L'utilisation de matériaux conducteurs abordables tels que le graphite poreux et non-poreux pourrait présenter une stratégie de biodégradation alternative pour éliminer les HAP des boues, du sol ou des sédiments. / The elimination of organic micropollutants from the environment has become a public health goal today because of their toxicity and bioaccumulation through the trophic chain. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and nonylphenol (NP) are found at low concentrations in wastewaters. They are removed from wastewaters by sorption onto sewage sludge due to their hydrophobicity. Anaerobic digesiton (AD) that is used for sewage sludge treatmentThe treatments of these sludge, like anaerobic digestion (AD), therefore, plays a central role in reducing the micropollutant load before dissemination to the environment via sludge spreading. Removal performances of PAHs and NP are removed byunder AD are, yet, but limitedwith low performances. The aim of this PhD work is to enhance removalthese performances thanks to the use of two emerging techniques, microbial electrolysis and the addition of conductive materials. The results demonstrate that independent of the application of a potential porous graphite circumvents two limits of PAH bioremediation: the lack of terminal electron acceptors and PAHs’ limited bioavailability. Mediatorless electron exchange between the anaerobic syntrophic community and the conductive material presumably facilitates sludge hydrolysis which, in turn, leads to the enhanced bioavailability of PAHs and their subsequent biodegradation. The reductions of 12 PAHs were improved by 21 to 33% while NP was eliminated to the same extent in the digesters with and without conductive material. The addition of non-porous graphite (with less specific surface) and platinum (exhibiting higher conductivity) eliminated only two low molecular weight PAHs suggesting that conductivity is not a major factor in the dissipation of PAHs. The addition of porous graphite in larger quantities, however, did not support the hypothesis that an increase in specific surface area of the conductive material also enhances the removal of PAHs. During conductive material supplemented AD, an enrichment of hydrogenotrophic methanogens was ascertained which could be at the root of the removal performance. In this context, the microbial composition of the inoculum plays a major role in the extent of PAH biodegradation. The use of affordable conductive materials such as porous and non-porous graphite may present an alternative biodegradation strategy for removing PAHs from sludge, soil or sediments.

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.