Ce travail est consacré à l’étude d’un procédé d’oxydation avancée (POA) basé sur la génération de radicaux sulfates (SO4•-) pour l’élimination de substances pharmaceutiques dans le cadre du traitement d’effluents urbains. Quatre substances pharmaceutiques azotées (carbamazépine, diclofénac, sulfaméthoxazole et ciprofloxacine) appartenant à des familles thérapeutiques différentes ont été choisies en tant que contaminants modèles. L’évaluation de la performance cinétique des procédés basés sur la génération de HO• (H2O2/Fe(II) et UV-C/H2O2) et de SO4•- (HSO5-/Co2+, UV-C/S2O82- et UV-C/HSO5-) a été conduite dans des effluents de stations d'épuration traités biologiquement. La comparaison des procédés non photochimiques et photochimiques a été conduite dans les mêmes conditions optimales et montre que les procédés générant des SO4•- sont moins inhibés par la matrice environnementale que les procédés produisant HO•. La réaction de transfert électronique est mise en évidence par l’identification de produits de transformation des contaminants d’étude par chromatographie liquide couplée à un spectromètre de masse à haute résolution. Le début d’oxydation démarre par un transfert d’un électron sur les groupements azotés générant ainsi un radical cation qui réagit avec l’eau ou l’O2. La dégradation du sulfaméthoxazole est le cas le plus évident grâce à sa fonction amine primaire (aniline) qui se transforme en fonction nitro. On peut par conséquent envisager des nouvelles stratégies de traitement des eaux usées urbaines par la génération de SO4•-. / This work is devoted to the study of an alternative advanced oxidation process (AOP) generating sulfate radical (SO4•-) for the removal of pharmaceuticals in municipal wastewater effluents. Four nitrogen containing pharmaceuticals (carbamazepine, diclofenac, sulfamethoxazole and ciprofloxacin) belonging to different therapeutic classes were chosen as model contaminants. The evaluation of the kinetic performance of processes based on the generation of HO• (H2O2/Fe(II) and UV-C/H2O2 ) and SO4•- (HSO5-/Co2+, UV-C/S2O82- and UV-C/HSO5- ) was conducted in biologically treated effluent. Comparison of photochemical and non- photochemical processes performed under the same optimal conditions showed that the processes generating SO4•- are less inhibited by the environmental matrix than processes producing HO•. This electron transfer reaction is demonstrated by the identification of transformation products using liquid chromatography coupled to high resolution mass spectrometer. Oxidation of parent compounds starts by an electron transfer reaction on the nitrogen groups thereby generating a cation radical which further reacts with water or O2. The sulfamethoxazole degradation pathway gives more insights into this mechanism due to the primary amine moiety (aniline) which is converted into nitro function. This treatment system can be regarded as a new strategy for the treatment of urban wastewater contaminated by pharmaceutical residues through the generation of SO4•-.

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.

Le principal objectif de la thèse est l'optimisation d'un procédé d'oxydation avancée par la mise en œuvre des outils de l'automatique moderne.Le procédé considéré concerne l'ozonation catalytique utilisé pour traiter les eaux résiduaires industrielles. L'optimisation de ce procédé consiste à contrôler l'abattement des polluants tout en minimisant le coût de fonctionnement du procédé. La mesure en ligne de la concentration en polluant est fournie par l'absorbance, grandeur corrélée à la DCO. Le procédé est alors considéré comme un système à une entrée, la puissance du générateur d'ozone, et deux sorties, l'ozone dans les évents et l'absorbance.L'identification du procédé a mené à l'estimation d'un modèle linéaire pour construire les lois de commande et d'un modèle non-linéaire, de type modèle de Wiener, pour tester les correcteurs en simulation avant les essais expérimentaux.Les trois commandes testées, la commande par modèle interne, la commande optimale et la commande H∞, permettent de rejeter des perturbations sur la concentration en polluant dans les effluents à traiter. Des analyses de stabilité du système bouclé, vis-à-vis de retards sur la commande, ont été menées.Les résultats expérimentaux obtenus ont permis de conclure sur les gains significatifs apportés par ces développements.La méthodologie développée pour cette application peut être étendue à d'autres procédés afin de faciliter le développement industriel des procédés d'oxydation avancée. / The main goal of the PhD thesis focuses on the optimization of an advanced oxidation process by implementing the modern control tools.The considered process is a lab-scale pilot of industrial wastewater treatment by catalytic ozonation. The optimization of this process is achieved by controlling the pollutant abatement while minimizing the high operating costs. The online measurement of the pollutant concentration is provided by the absorbance which is correlated with COD. Therefore, the process is considered as a system with one input, the ozone generator power, and two outputs, the ozone gas concentration at the top of the reactor and the absorbance.A linear model of the process was identified. It allowed calculating the control laws. And a nonlinear model, with a so-called Wiener model structure, was also identified to test the controllers in simulation before the experiments.The three control methods applied, the internal model control, the optimal control and the H∞ control, allow rejecting disturbance on the pollutant concentration of the effluent to be treated.The stability of closed-loop system with delayed control input was analyzed.The experimental results show the significant benefits provided by this closed-loop system.The methodology developed for this application can be extended to other processes to facilitate the industrial development of advanced oxidation processes.

Les travaux menés au cours de cette thèse ont pour objectif d’étudier l’applicabilité du procédé d’ozonation catalytique TOCCATA® au traitement avancé d’eaux résiduaires urbaines pour le contrôle des émissions en micropolluants. Ce travail couvre la détermination des propriétés physico-chimiques, structurelles et de réactivité de deux catalyseurs et l’optimisation de leur conditionnement pour le procédé d’ozonation catalytique. La caractérisation hydrodynamique du réacteur à co-courant ascendant triphasique en lit fixe utilisé pour la mise en œuvre du procédé a été également réalisée. Les processus élémentaires impliqués dans le procédé ont ensuite été étudiés séparément : transfert gaz-liquide, adsorption, ozonation simple et interaction ozone/matériau. Enfin l’ozonation catalytique a été étudiée vis-à-vis de l’élimination de la matière organique des eaux usées réelles. L’ozonation catalytique se montre moins sélective que l’ozonation simple et améliore le procédé en termes de transfert d’ozone et d’élimination du carbone organique. Des mécanismes et des lois cinétiques pour chacun des processus élémentaires ont été déterminés et une loi de vitesse globale de premier ordre pour le procédé d’ozonation catalytique est proposée. L’étude de l’influence de différentes variables opératoires a été effectuée en vue de l’optimisation du procédé. L’investigation a ensuite été élargie à l’élimination de micropolluants spécifiques (carbamazépine, diuron, kétoprofène, diclofénac, naphtalène) appliquée à des eaux synthétiques, ainsi qu’à des eaux résiduaires urbaines réelles. La plupart des composés sont dégradés après application d’une faible dose d’ozone par le procédé. L’étude de leurs propriétés et de leur affinité avec le système d’ozonation catalytique a permis d’expliquer leurs comportements. / This thesis aimed to study the application of the TOCCATA® catalytic process to urban wastewaters treatment in order to control micropolluant emissions. This work first focused on physico-chemical, structural and reactional properties of two catalysts and on the optimization of their conditioning for the use in the catalytic process. The hydrodynamic characterisation of the fixed bed triphasic co-current upflow reactor used for this study was realized. Elementary processes involved in the process were studied separately: gas-liquid transfer, adsorption, single ozonation, ozone/catalyst interactions. Catalytic ozonation was then investigated for the elimination of organic matter contained in real urban wastewaters. Catalytic ozonation appeared to be less selective than single ozonation and to improve the process in terms of ozone transfer and organic carbon removal efficiency. Mechanisms and kinetic laws were determined for each elementary process and a global first order kinetic law was proposed for catalytic ozonation. The study of various operating conditions (liquid and gas flows, ozone dose …) was conducted in order to optimize the process efficiency.Investigations were then extended towards specific micropollutants elimination (carbamazepine, diuron, ketoprofen, diclofenac, naphtalene) onto synthetic waters as well as real urban wastewaters. Most of the compounds were eliminated with low dose ozonation by the TOCCATA® catalytic ozonation process. The properties of the micropollutants and their affinities with the catalytic ozonation system were studied in order to explain their behaviours.

Ce travail étudie la faisabilité de différents procédés d’oxydation avancée (POAs) pour le traitement d’eaux usées industrielles. Le secteur visé est l’industrie pharmaceutique, les essais ont été menés sur des eaux synthétiques contenant deux molécules modèles: le paracétamol et la ciprofloxacine. Les procédés étudiés dans ce travail sont l’ozonation, la sonochimie, le traitement par radiation gamma et la dégradation par radiation ultraviolet. Ces techniques sont envisagées en mono-traitement ou en combinaison avec des oxydants et/ou des catalyseurs (peroxyde d’hydrogène, réactif de Fenton et zéolite Fe/MFI). Pour chaque procédé, l'influence de différents paramètres opératoires est analysée et interprétée dans l'objectif de déterminer les meilleures conditions pour la conversion et la minéralisation du chaque polluant. Parmi les paramètres étudiés se trouvent le pH, la concentration en oxydant, la concentration du catalyseur, la dose de la radiation gamma, la fréquence et la puissance ultrasonore. Des effets synergiques importants sont trouvés pour l’ozonation catalytique et pour le photo-Fenton par rapport aux procédés seuls. D’un point de vue purement énergétique, les traitements les plus efficaces sont l’oxydation radio- Fenton et l’oxydation photo-Fenton. Sur la base de ces résultats, un photo-réacteur solaire à recirculation est mis en oeuvre pour traiter par oxydation photo-Fenton des solutions synthétiques préparées avec un mélange de paracétamol et de ciprofloxacine dans l’eau du robinet mais aussi avec des eaux usées réelles dopées avec les deux composés. Dans les deux cas, la dégradation des molécules dépasse 95% dans les 15 premières minutes et la minéralisation dépasse 55% en 180 minutes. / In this work, the feasibility of paracetamol and ciprofloxacin degradation by different advanced oxidation processes (AOPs) was investigated. These molecules are representative of pharmaceutical pollutants found in wastewater. The used processes were the ozonation, the high frequency ultrasound, the gamma radiation and the ultraviolet radiation, alone or in combination with oxidizers and/or catalysts (hydrogen peroxide, Fenton’s reagent and zeolite Fe/MFI). The influence of different operations parameters (pH, oxidant concentration, catalyst concentration, gamma radiation dose and ultrasonic power and frequency) for each processes were studied, in order to determine the optimal operating ranges for the degradation and mineralization of the pharmaceuticals pollutants. Results showed marked synergistic effects by combining individual processes with hydrogen peroxide or Fenton’s reagent, being the most important synergy factors those corresponding to the heterogeneous catalytic ozonation and photo-Fenton processes. Taking into account the energy consumption, the mineralization and the synergy factor, the most effective treatments were radio-Fenton oxidation and photo-Fenton oxidation. Optimal conditions for photo-Fenton oxidation were studied in an open channel reactor at bench scale in tap water and in a real matrix from a municipal wastewater treatment plant. Samples were spiked with a mixture of the pharmaceuticals. In both cases 95% degradation within the first 15 minutes was achieved and its mineralization exceeded 55% in three hours.

Le secteur industriel du traitement de surface (TS), secteur d’excellence en Bourgogne Franche-Comté, est contraint de recourir à de nouvelles méthodes d’épuration des eaux du fait d’une règlementation européenne de plus en plus stricte. En effet, notamment dans le cadre de la Directive Cadre sur l’Eau, les industriels doivent sans cesse améliorer la qualité de leurs rejets et diminuer les impacts générés par ceux-ci. Ce travail de thèse s’inscrit dans cet objectif. Ainsi, trois grands types d’investigations ont été menés : le premier a permis de définir la composition qualitative et quantitative en substances dangereuses (SD) des rejets de TS et d’étudier leur variabilité temporelle ; le second a validé des modifications d’une station physico-chimique de traitement des eaux franc-comtoise pour diminuer le flux de SD ; le dernier a proposé des solutions innovantes par bioadsorption sur des matériaux de cyclodextrine et par procédé d’oxydation avancée (POA) soit par ozone/UV, soit par l’utilisation de catalyseurs Pd-Cu pour atteindre le même objectif.[...] / The industrial sector of surface treatment (ST), sector of excellence in Bourgogne Franche-Comté, is forced to resort to new methods for water treatment due to European regulations increasingly strict. Indeed, particularly in the context of the Water Framework Directive, industries must continually improve the quality of their discharge waters and reduce the impacts generated by them. This work is part of this. Thus, three types of investigations were conducted: the first has defined qualitative and quantitative composition of hazardous substances (HS) in ST discharge waters and study their temporal variability; the second has approved changes in a physicochemical wastewater decontamination station to decrease HS water flow; the last proposed innovative solutions by biosorption on cyclodextrin materials and advanced oxidation process (AOP) by ozone / UV, or by the use of Pd-Cu catalysts to achieve the same objective.[...]