La croissance démographique mondiale induit une pression accrue sur les ressources en eau potable. Une des solutions pour répondre à cette problématique environnementale est de réutiliser les eaux en sortie de station d’épuration (STEP). Cependant, la présence de microorganismes pathogènes et de micropolluants bio-récalcitrants et potentiellement toxiques ne permet pas une réutilisation directe des effluents urbains. Les procédés membranaires peuvent alors être envisagés afin d’éliminer efficacement ces polluants à l’état de trace. Cependant, la mise en œuvre des procédés membranaires implique la production de retentâts concentrés en micropolluants dont le traitement n’est, à ce jour, pas envisagé. Cette thèse propose alors d’étudier l’ozonation pour le traitement de retentâts de nanofiltration (NF) dans le cadre de la réutilisation des eaux usées, l’ozone étant un puissant oxydant et précurseur de radicaux hydroxyles. Pour cela, quatre micropolluants pharmaceutiques ont été sélectionnés comme molécules cibles. Par la suite, l’étude de la NF a mis en évidence qu’elle peut constituer une alternative viable au standard industriel qu’est l’osmose inverse en assurant des rétentions élevées pour des coûts opératoires moindres. L’ozonation s’avère efficace comme prétraitement des concentrâts en éliminant totalement les polluants les plus réactifs à l’ozone moléculaire. Toutefois, ce procédé reste limité quant à l’abattement des polluants réfractaire à l’ozone du fait de l’inhibition de la voie radicalaire par la forte teneur en matière organique des retentâts. Finalement, bien que cette association de procédés soit prometteuse, un traitement supplémentaire en aval de l’ozonation serait nécessaire afin de permettre la réutilisation des retentâts traités et aboutir à l’avènement d’une filière épuratoire à zéro rejet liquide / Global population growth induces increased threat on drinking water resources. One way to address this environmental issue is to reuse water from wastewater treatment plant (WWTP). However, the presence of pathogenic microorganisms and potentially toxic organic micropollutants does not allow a direct reuse of urban effluents. Membrane processes such RO or NF can be considered to effectively eliminate these pollutants. However, the integration of membrane processes involves the production of concentrated retentates which require to be disposed. To date, no treatment is set up to manage safely this pollution. This thesis project focuses on the application of ozonation for the treatment of NF retentates in the framework of the wastewater reuse. Ozonation is a powerful oxidation process able to react and degrade a wide range of organic pollutants. Four pharmaceutical micropollutants frequently detected in wastewater, were selected as target molecules. This study highlighted that NF can represent a viable alternative to the commonly used reverse osmosis process ensuring high retention at much lower operating costs. Ozonation appear to be effective to degrade the most reactive pollutants toward molecular ozone. However, this method is limited for the reduction of refractory ozone pollutants due to the inhibition of the radical chain by the high content of organic matter in the retentates. Finally, the ozonation processe appear to be a promising NF retentate treatment and further processing downstream of ozonation should allow reuse of treated retentates and lead to the emergence of a zero liquid discharge treatment scheme.

Le développement de nouvelles technologies pour le recyclage des eaux usées est une priorité pour les régions arides et semi-arides tels que les pays du bassin méditerranéen. L'objectif de ce travail a été, dans un premier temps, de développer un système de traitement tertiaire des eaux usées en testant l'efficacité de diodes électroluminescentes émettant des UV-A et/ou des UV-C (DEL-UV) sur l'inactivation de souches bactériennes indicatrices de pollution fécale (Escherichia coli et Enterococcus faecalis) puis sur des effluents urbains, en étudiant la diminution des pollutions microbiennes et chimiques. Cette première étape a mis en évidence l'efficacité accrue du couplage UV-A et UV-C, permettant d'obtenir une eau de qualité répondant aux exigences législatives relatives à la réutilisation des eaux usées pour l'irrigation. La deuxième partie de ce travail était l'étude de l'impact de l'arrosage avec des eaux usées traitées par DEL-UV sur les paramètres du sol et sur le devenir de certain polluant aromatiques dans les sols (anthracène et carbamazépine). L'arrosage avec des eaux usées traitées par DEL-UV ne modifie pas la composition chimique de la matière organique de sol, l'activité catabolique globale des microorganismes, et le nombre et la diversité de bactéries indicatrices de pollution fécale par rapport au sol arrosé avec de l'eau d'irrigation. Certaines activités enzymatiques liées à la dégradation de la matière organique augmentent dans les sols arrosés avec des eaux usées traitées par DEL-UV, montrant que la matière organique apportée par l'effluent est activement dégradée par les microorganismes. / The development of new technologies for wastewater reuse is a priority for arid and semi-arid areas such as Mediterranean countries. The objective of this work was, firstly, to develop a system for tertiary treatment of wastewaters testing LEDs emitting UV-A and / or UV-C (UV LEDs) on fecal indicator inactivation (Escherichia coli and Enterococcus faecalis) and then on urban effluents, by studying the decrease in both microbial and chemical pollution. This first step has highlighted a higher efficiency of this system when UV UV-A and UV-C are coupled. Wasterwaters with quality meeting the statutory requirements for the reuse of wastewater for irrigation were obtained and used in the second part of this work was to study the impact of watering with UV-LED- treated wastewaters on soil parameters and on the fate of pollutants (anthracene and carbamazepine) in soils. Watering with UV-LED treated wastewater does not change the chemical composition of soil organic matter, the global catabolic activity of soil microorganisms, and the number and diversity of fecal indicators compared to control (irrigation water). Certain enzymatic activities related to the degradation of organic matter increased in soil watered with UV-LED treated wastewater, showing that the organic matter added by the effluent is actively degraded by microorganisms. In addition, aromatic pollutants are oxidized two to three times faster in soils watered with UV-LED treated wastewater.

Dans le cadre du présent travail, nous nous intéressons à l'étude de l'impact des conditions hydrodynamiques et des matériaux utilisés sur le développement de biofilm au niveau des conduites des systèmes de micro-irrigation. Cette étude contribue à l'amélioration de la compréhension de l'impact de ces paramètres dans la mise en place et la croissance du biofilm. Pour ceci, un montage expérimental aux conditions d'écoulement maîtrisées a été mis en place au laboratoire avec une eau usée modèle de forte concentration en DCO (200 mg.L-1). Le suivi des paramètres de qualité d'eau (COT et oxygène dissous) ont été réalisés au cours des expérimentations. La masse du biofilm récupéré dans les conduites a été mesurée après un séchage à l'étuve à 105°C pendant 24 heures. Les résultats montrent une cinétique de développement du biofilm dans les conduites et confirment l'influence de l'hydrodynamique sur le développement de biofilm. Trois vitesses d'écoulement ont été testées (0,4, 0,8 et 1,2 m. s-1), le biofilm a tendance à se développer dans les conduites à plus faible vitesse. Une valeur seuil, à partir de laquelle la croissance du biofilm est observée tardivement, a été également identifiée. Les résultats obtenus ont été utilisés pour paramétrer un modèle cinétique simple qui permet de décrire le développement de biofilm en fonction des conditions hydrodynamiques. D'autres expérimentations ont été réalisées en parallèle pour étudier l'impact des matériaux plastiques (PE et PVC) et la configuration des conduites du montage expérimental sur le développement de biofilm. / This work aims to improve our understanding on how these parameters impact biofilm establishment and growth. For this purpose, we carried out an experiment in controlled hydrodynamic conditions using a synthetic effluent (200 mg.L-1 of COD concentration). Some water quality parameters (TOC and dissolved oxygen) were monitored . Moreover, biofilm was removed from pipes and then weighed after drying at 105°C for 24 hours. The obtained results confirmed the influence of hydrodynamic on biofilm development. Three flow rates were tested (0,4 ; 0,8 and 1,2 m.s-1) and it was observed that biofilm tends to develop in pipes at lower velocities. A threshold velocity value, from which biofilm growth was observed later, was also identified. The experimental results were used to build a simple model to describe biofilm development as a function of hydrodynamic conditions. Additionnal experiments were performed to study the impact of plastic materials (PE and PVC) and pipes configuration on biofilm growth

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.

Les procédés d'osmose inverse (OI) permettent la production d'eau recyclée de très haute qualité grâce à l'élimination de contaminants organiques et inorganiques et de micro-organismes. Le suivi du bon fonctionnement de ce procédé est nécessaire pour valider la rétention des virus pathogènes afin de protéger la santé des usagers. La présence de minéraux et matières organiques dans les effluents rend inévitable le colmatage des membranes lors de leur fonctionnement et diminue ainsi leur performance. Afin d'éviter et d'éliminer ces colmatages, les stations de traitements des eaux utilisent des produits chimiques. Ces derniers vont modifier les performances globales des membranes en polyamide comme par exemple la diminution de la perméabilité à l'eau, et plus particulièrement les performances de rétention des virus, or l'ensemble de ces perturbations n'est que très peu compris et donc peu maitrisé. L'abattement des virus par l'OI sur des membranes intègres ou modifiées (ex : colmatage) ont donc été déterminés en mesurant la rétention d'un virus modèle de type phage MS2 et de substituts comme les sels (mesurés par conductivité), la rhodamine-WT (R-WT) ou les sulfates. La conductivité est, en effet, la technique de contrôle standard dans les stations de traitement des eaux (échelle industrielle).Le premier objectif de ce travail est d'évaluer l'utilisation d'un autre paramètre, les matières organiques dissoutes (DOM) comme nouveau substitut de virus et de déterminer l'impact du dysfonctionnement des procédés d'OI sur l'abattement des DOM et des sels à l'échelle industrielle. Les DOM peuvent en effet également être utilisées comme indicateur de qualité des eaux en fonction de leurs compositions et de leurs concentrations. L'abattement des DOM est donc testé comme nouvelle technique de surveillance afin de distinguer les fuites des changements de performance des membranes. Il est conclu que les DOM peuvent être utilisées comme nouvelle technique de contrôle. De plus, une variation de l'abattement des DOM peut aider à identifier des fuites de manière plus robuste que par l'abattement des sels. Le deuxième objectif est de déterminer l'effet des défauts membranaires sur les abattements d'un virus modèle (phage MS2) et de quatre substituts (R-WT, DOM, sulfate et sels) à l'échelle de systèmes de laboratoire. Deux systèmes à flux longitudinal est utilisés : une membrane plane et un module à spirale. Dans un premier temps, l'effet du colmatage sur les abattements de ces différents virus et substituts est étudié. Le colmatage organique, créé en utilisant un mélange de matières organiques, a pour effet d'augmenter de plus de 0,1 log les abattements de la R-WT, des sels et des DOM. Cette augmentation générale peut être due au blocage des cavités de la membrane et/ou par la sorption des substituts sur les matières organiques.Le colmatage inorganique, créé en utilisant un mélange de sels, n'a pas d'effet sur le rejet des substituts sauf pour les sels qui montre un comportement différent entre les deux systèmes. Dans le système à membrane plane, la couche inorganique permet d'augmenter le passage des sels à travers la membrane. Par opposition, il n'y a pas d'effet sur leur abattement avec le module à spirale. Cette variation entre les deux systèmes peut être causée par la différence de configuration (module à spirale contre membrane plane). Dans un deuxième temps, l'effet du chlore (modes passif et actif) sur la rétention de ces cinq composés est mesuré. Après un contact de 9000 ppm.h de NaOCl à pH 7, la surface membranaire change chimiquement. La formation de liaison Cl dans la couche en polyamide et la rupture des liaisons NH provoquent l'augmentation de la perméabilité à l'eau et diminuent l'abattement de l'ensemble des substituts. Malgré une forte diminution de 1,2 log de l'abattement en sel, l'abattement minimum du phage MS2 reste de 3 log. / One of the major applications of reverse osmosis (RO) process is the production of high quality recycled water by providing a barrier to remove organic and inorganic contaminants as well as pathogens including viruses. In order to protect public health, validation and monitoring of the RO process integrity are necessary to ensure its correct operation. During operation a certain degree of fouling is inevitable and can reduce RO membrane performance. Thus, chemicals are often used in water treatment plants to prevent or remove the membrane fouling. However, these chemicals can modify the integrity of the polyamide layer on RO membrane overtime. Up-to-date, the impact of membrane's physical change on its virus removal efficiency cause by the chemical use during operation is still not well understood.A minimum virus removal efficiency of intact and impaired (e.g. by fouling) RO membranes can be ascertained by measuring the rejection of MS2 phage and virus surrogates such as salt as measured by conductivity, rhodamine-WT (R-WT) or sulphate. However, conductivity measurement is the only full-scale standard monitoring technique. The removal of dissolved organic matter (DOM), which has been used as an indicator of water quality, can possibly be used for this purpose.The first objective of this work was to assess the suitability of DOM as a virus surrogate and to determine the impact of process failure on salt and DOM rejection in full-scale plants. A change of the conductivity does not necessarily mean that the membrane integrity has been breached. Thus, DOM monitoring has been tested and combined with the conductivity monitoring in order to distinguish between leaks and changes in membrane performances. It was concluded that DOM could be used as new monitoring technique. Moreover, a variation of DOM rejection can help identifying leaks better than just conductivity profiling alone.The second objective was to determine the effect of membrane impairments on the rejection of one model virus (MS2 phage) and four virus surrogates (R-WT, DOM, sulphate and salt) using lab-scale RO set-ups. To this aim, two different cross-flow set-ups were used: a flat-sheet and a single 2.5” spiral-wound module.Firstly, the effects of organic fouling and scaling on the rejection of model virus and virus surrogates were studied separately. Organic fouling was created using a mix of organic foulants. The result of this study showed an increase of the rejection by more than 0.1 log for R-WT, salt and DOM. The general increase of the surrogates' rejection might be due to the blocking of cavities of the polyamide membrane and/or to the sorption of surrogates to the fouling layer, which was observed by different autopsy techniques.Scaling was created using a mix of inorganic salts in order to reconstitute the composition of a RO feed water and avoiding the presence of organic foulants. Scaling was found to have no impact on the rejection of all tested virus surrogates except for salt. Salt rejection showed a change of behaviour between different set-ups: with the 2.5” module set-up the inorganic layer led to a stabilisation of the salt rejection, whereas the salt rejection increased with the flat-sheet set-up. This could be explained by the variations of the systems configuration (i.e. spiral module versus flat-sheet, feed spacer height, etc.).Secondly, the long-term impact of membrane ageing by exposure to chlorine, either active under filtration or passive by soaking, on the rejection of the model virus and four surrogates was studied. After a contact time of 9000 ppm∙h NaOCl at pH 7, the membrane surface chemistry changed. The introduction of chlorine in the membrane chemistry and the breakage of amide bonds caused an increase of the water permeability and a decrease of the model virus and virus surrogates rejection.

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.

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