Les écosystèmes aquatiques sont un récepteur privilégié des micro-polluants. Ils contiennent aussi des matières organiques (MO) naturelle ou anthropiques. Les interactions entre les contaminants et les MO déterminent en grande partie la biodisponibilité des polluants. Par le passé, de nombreux travaux ont été consacrés à l'étude des interactions entre les contaminants et les MO humiques, très hydrophobes et non dégradables. Cependant, les MO des milieux anthropisés sont généralement plus hydrophiles et sujettes à la dégradation bactérienne. Ce travail s'intéresse à l'influence des MO des milieux anthropisés sur la biodisponibilité des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) et l'évolution de cette influence au cours de la biodégradation des MO. Une mise en évidence expérimentale en laboratoire et in situ et une modélisation de l'influence de la MO sur la biodisponibilité des HAP et de son évolution au cours de la minéralisation bactérienne sont proposées.

La dégradation de la qualité de l’eau de la Seine à Paris et dans sa banlieue depuis la deuxième moitié du XIXe siècle a fait l’objet de plusieurs études. Rares sont les études qui confrontent les perceptions de médecins, d’ingénieurs, d’hygiénistes ou d’administrateurs sur la qualité des eaux des rivières et l’évolution de leur état. Cette confrontation permet d’analyser sur la longue durée l’efficacité des réponses apportées pour améliorer la qualité, ce que nous avons réalisé ici pour la ville de Versailles et ses eaux. La première partie du mémoire décrit les perceptions de la qualité des eaux des rivières par des experts entre 1854 et 1964 sur la base de l’analyse de revues d’hygiène et d’assainissement urbain, montrant l’évolution des indicateurs de qualité et de la réglementation. Versailles a pour particularité d’être, au XIXe siècle, essentiellement alimentée par de l’eau de Seine grâce à la machine de Marly, par le biais d’un Service dépendant directement de l’Etat, conséquences de son passé royal. Mais la qualité de l’eau du fleuve se dégradant à cause des rejets des égouts de Paris, les différentes administrations, locales et nationales, doivent résoudre la question d’approvisionnement en eau alimentaire et recourent à l’aide d’experts pour s’assurer de sa qualité. Les analyses chimiques et bactériologiques effectuées sur les eaux conduisent à l’abandon de l’eau de la Seine en 1894 au profit des eaux de la nappe de Marly-Croissy. En même temps, Versailles rejetait ses eaux usées dans des cours d’eau à faible débit : le ru de Marivel et le ru de Gally. Epidémies et plaintes accompagnent la dégradation de leur état. Les nombreuses expertises menées témoignent de l’intérêt pour la qualité des eaux de surface et en même temps de l’absence de la volonté politique et des limites techniques pour l’améliorer, conduisant à leur sacrifice pendant plus de 100 ans. / The Seine River pollution both in Paris and its suburbs has been already the subject of several studies. Few studies compare perceptions that physicians, engineers, hygienists or managers might have of the quality of water resources, and the evolution of their state. This confrontation makes it possible to analyze over the long term the effectiveness of the responses made to improve quality. We have achieved this here for the city of Versailles and its waters. The first part of this work describes perceptions of river water quality by experts between 1854 and 1964 based on an analysis of hygiene and urban sanitation reviews, showing the evolution of quality indicators and of regulations. In the 19th century, Versailles has the peculiarity of being essentially fed by water from the Seine thanks to the Marly machine, through a service directly dependent on the State, consequences of its royal past. But as the water quality of the Seine River deteriorates because of the discharges from the Paris sewers, the various administrations, local and national, have to solve the question of water supply and asked for the help of experts to ensure its quality. The chemical and bacteriological analyzes carried out on waters lead to stopping the use of the Seine waters in 1894 in favor of the Marly-Croissy water table. At the same time, Versailles rejected its wastewater into two low-flowing streams: Marivel and Gally. Epidemics and complaints accompany the deterioration of their state. The numerous experiments carried out show the interest in the quality of surface water and at the same time the absence of the political will and the technical limits to improve it, leading to their sacrifice for more than 100 years.

La gestion des eaux urbaines de temps de pluie est devenue une priorité depuis quelques années, au regard des problématiques d'inondations et de pollutions des cours d'eau qui remettent en cause l'atteinte des objectifs de la DCE. En outre, les filtres plantés de roseaux sont reconnus comme des solutions fiables pour le traitement des eaux usées depuis plus de 20 ans. Par ailleurs, leur adaptation à d'autres types d'effluents a été mise en place récemment (traitement tertiaire, effluents dilués, lits de séchage de boues), et la gestion des eaux de temps de pluie s'inscrit dans le cadre de cette extension de fonction. Bien que ce système combine à la fois des capacités de stockage et de traitement, Uhl et Dittmer (2005) ont mis en avant des dysfonctionnements (mort des roseaux en période sèche, chutes de performances). Ces auteurs soulignent aussi la nécessité d'optimiser les règles et outils de dimensionnement.Le projet SEGTEUP vise donc, via un suivi sur pilotes de grande taille et une modélisation hydrodynamique, à fournir des règles de conception à intégrer dans un futur outil de conception simplifié, utilisable à l'échelle du territoire français. L'étude des pilotes vise donc à tester différents matériaux et conceptions, alors que la modélisation met en évidence les principaux paramètres d'influence de l'écoulement. Au final, la filtration apparaît comme le principal processus d'élimination de la pollution organique et des micropolluants, alors que l'adsorption de la matière organique dissoute est négligeable. Par ailleurs, l'emploi d'un matériau à forte capacité d'adsorption (zéolite) accroît considérablement les capacités de rétention de l'ammonium. L'utilisation de tels matériaux est particulièrement recommandée en cas de charges en ammonium particulièrement élevées ou de faible surface disponible. Enfin, l'étude de l'hydrodynamique montre que l'écoulement, ainsi que l'adsorption et les réactions de biodégradation, sont fortement influencés par la limitation du débit de fuite (temps de rétention, particulièrement pendant la phase saturée). Par ailleurs, la structure d'alimentation doit permettre une répartition homogène de l'influent à la surface du massif pour éviter les court-circuits hydrauliques et les volumes morts. La construction d'un modèle 1D a enfin été mise en oeuvre, mais celui-ci ne permet pas de faire des prédictions, car la couche virtuelle simulant la limitation du débit de fuite doit être calée lors de chaque événement simulé. Une adaptation 2D du modèle, la prise en compte de lois de vannes et pertes de charges singulières, ainsi qu'un couplage filtre-réseau doit permettre la finalisation de cet outil. / Urban runoff management has become a priority for many years, regarding the issues of flooding and water course pollution that jeopardize the objectives of the European Framework Directive 2000/60/CE. As an extensive technique, subsurface flow constructed wetlands have proved to be reliable solutions for the treatment of sewage, and have been used for more than 20 years. Their adaptation to other types of functions or effluents has even been implemented over the last ten years (tertiary treatment, dilute effluents, sludge drying reed beds), and the management of urban runoff is part of this extension process. Despite this system combines both storage and treatment capacities, (Uhl and Dittmer, 2005) highlight dysfunctions as reed death during long rest periods or performance losses. These authors also underline the needs in optimizing design rules and tools.Then, the SEGTEUP project combines a large-scale pilot monitoring and hydrodynamic modeling, aiming at providing some basis for the implementation of a reliable design tool, applicable over the entire French territory. Then, the pilot study aimed at testing different materials and filter configurations, while a mechanistic approach was implemented to highlight the main flow influence parameters.Anyway, filtration of suspended solids appears as the major pollutant removal process, allowing the retention of at least 70% of SS and associated pollutants whatever the material considered. Nevertheless, dissolved organic matter adsorption remains negligible, while ammonium elimination is poor for the coarsest material. In the opposite, adsorbent zeolite present high ammonium retention abilities and ensures constantly low discharge levels. The use of this material is particularly recommended in case of specific issues concerning high pollutant loads or low available surface area. Furthermore, micropollutants (metals and PAHs) mainly bound with particles, are highly removed by filtration of SS. In our study, dissolved micropollutants concentrations were too low to highlight robust conclusions. However, further research are needed to better understand metals retention and release, and PAHs degradation processes, since these mechanisms are strongly dependent of pH and redox conditions and dynamics. Finally, the study of hydrodynamics shows that the throttle value influences adsorption and degradation reactions through variations in hydraulic retention time, particularly during saturated phases. On the other hand, the feeding structure is of special importance since a homogenous distribution of influent at the filter surface is needed to avoid hydraulic shortcuts and corresponding dead volumes. Finally, a HYDRUS 1D model was implemented around urban runoff issues, but cannot be used as a predictive design tool. Indeed, the throttle value, represented by a virtual layer with low conductivity, must be re-calibrated for each simulated event. Then, a 2D adaptation of the model is required, as well as the integration in the HYDRUS code of appropriate singular head losses as boundary conditions. In the end, the developed simplified model of water flow and pollutant degradation should be coupled with a sewer system model, aiming at creating a flexible and adaptable design tool.

Les Rejets Urbains par Temps de Pluie (RUTP) représentent une pollution très complexe et variable de par la diversité des évènements pluvieux et des bassins versants lessivés. Les RUTP sont, dans la majorité des cas, rejetés dans des milieux récepteurs aquatiques péri-urbains tels que les lacs, rivières ou eaux souterraines, sans traitement d’épuration. La pollution déversée, qui peut être très diluée, est le plus souvent liée à des évènements relativement courts et difficiles à prévoir. L’impact écotoxique des RUTP peut donc s’avérer difficile à évaluer, en particulier par des mesures directes in situ. Parmi les organismes utilisés en écotoxicologie, les microalgues sont extrêmement intéressantes. En effet, elles constituent la base des réseaux trophiques, sont sensibles à une large gamme de polluants et sont très sensibles à la présence de substances exogènes. C’est la raison pour laquelle nous avons développé dans un premier temps une batterie de biomarqueurs cellulaires sur microalgue (perturbation de la physiologie (comme la photosynthèse) de Chlorella vulgaris), afin de montrer leur intérêt pour détecter rapidement et sensiblement l’impact toxique d’échantillons de RUTP collectés sur la région Lyonnaise. La réponse de ces biomarqueurs a été comparée en laboratoire à une batterie de bioessais écotoxicologiques monospécifiques classiques sur microalgues et microcrustacés (e.g. essais de croissance, reproduction). Dans un second temps, nous avons travaillé à l’adaptation de ces biomarqueurs afin de créer des outils de détection in situ. Des biocapteurs à cellules entières, basés sur une mesure de la perturbation de la photosynthèse (fluorescence chlorophyllienne) de microalgues, ont été développés. Pour leur création, deux techniques de mise en contact bio-récepteur/transducteur ont été testées : (i) la double encapsulation des microalgues dans des hydrogels alginate/silice utilisant un procédé sol-gel, et (ii) l’inclusion des microalgues dans des puces microfluidiques fabriquées par xurographie. Une station portative autonome de terrain a été élaborée et testée avec efficacité pour effectuer des mesures in situ de la toxicité des RUTP, et des milieux aquatiques urbains contaminés. Ce travail de thèse présente de nombreuses perspectives concernant une meilleure connaissance de l’impact des RUTP sur les organismes aquatiques. Il apporte également des réponses à la problématique du développement des biocapteurs à cellules algales entières pour la surveillance environnementale. / Urban Wet-Weather Discharges (UWWD) represent a very complex and variable pollution due to the diversity of the rainfall events and leached watersheds. In most cases, UWWD are released without, or after very low treatments only, in suburban aquatic environments such as lakes, rivers or groundwaters. Spilled pollution is often linked to relatively short and difficult to predict events, and can be very diluted. Thus, it may be complicated to assess the ecotoxic impact of UWWD, and particularly in situ. Among the organisms used in ecotoxicology, microalgae are particularly interesting because they are the basis of trophic networks, are sensitive to a wide range of pollutants found in UWWD and can react very quickly to their presence. It’s why, first, we developed and used a battery of microalgae (Chlorella vulgaris) cellular biomarkers (e.g. photosynthesis disturbance) to demonstrate their utility in detecting the toxic impact of UWWD samples collected in the Lyon city area in a rapid and sensitive way, in comparison with a battery of monospecific bioassays on microalgae and microcrustaceans (e.g. growth or reproduction inhibition assays). In a second phase, we worked on the adaptation of these biomarkers for the creation of ecotoxicological field tools, biosensors. We developed two types of whole-cell biosensors based on the microalgal photosynthesis (chlorophyll fluorescence) disturbance. We particularly worked on the microalgal immobilization processes in the aim to design biosensors, using mainly two techniques: a double-encapsulation in alginate/silica hydrogels using a sol-gel process and an inclusion in microfluidic chips created by xurography. Finally, we were able to create an autonomous portative biosensor able to conduct in situ measurements of UWWDs toxicity and contaminated urban aquatic environments in general. This thesis project presents many perspectives concerning the deeper understanding of the UWWDs impact on aquatic organisms, and also on the development of whole-cell biosensors for the environmental monitoring.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de l'OPUR: "Observatoire des Polluants Urbains en Ile de France". Il s'appuie sur la mise en place d'un dispositif expérimental sur une série de six bassins versants de taille croissante et de d'occupation du sol comparable, allant du bassin du Marais (41 hectares) jusqu'au site de Clichy (2500 hectares) en suivant l'axe du collecteur de Clichy, à Paris. Ce dispositif a permis : - d'étudier la variabilité des flux et de la nature des polluants transférés par temps sec et par temps de pluie, dans les réseaux d'assainissement unitaires, en fonction des caractéristiques et de l'échelle spatiale des bassins versants. Le travail porte notamment sur : - Concentrations moyennes et flux des MES, MVS, DCO, DBO5, COT, NTK et des métaux lourds Cd, Cu, Pb et Zn. - Nature des polluants: répartition dissous-particulaire, teneurs en polluants et vitesses de chute des particules. - de comprendre le fonctionnement hydrologique et hydraulique du réseau d'assainissement des bassins versants OPUR et d'étudier les mécanismes de transfert dans les réseaux unitaires. - d'évaluer la contribution des trois sources "Eaux usées, Eaux de ruissellement et Stocks de dépôt dans le réseau" aux flux polluants de temps de pluie. Cette évaluation a été faite en utilisant une approche de bilan de masse entre l'entrée et la sortie de chaque bassin versant. Les résultats obtenus indiquent d'une part, une relative homogénéité des flux polluants, de leur nature et des processus dominants sur les six bassins versants étudiés. Ils montrent d'autre part une importante contribution de l'érosion des stocks constitués dans le réseau d'assainissement aux flux des matières en suspension, des matières organiques, du cuivre total, quelque soit la taille du bassin versant. Cette contribution varie, en moyenne, selon le site de mesure, entre 49 et 70% pour les MES, et entre 43 et 71% pour le cuivre total. Pour le cadmium, le plomb et le zinc, les eaux de ruissellement s'avèrent être la source principale.

La pollution des rejets urbains de temps de pluie est liée aux dépôts des réseaux dassainissement unitaires et notamment aux stocks de matière organique situés à linterface eau/sédiment. Lobjectif de cette thèse est daméliorer les connaissances vis-à-vis des stocks organiques à l'interface eau/sédiment. Deux méthodes d'observation ont été utilisées :<br />- un endoscope a permis d'identifier et de localiser deux types d'interface organique (une couche immobile à Paris et à Marseille, et des solides en déplacement près du fond à Dundee et à Hildesheim)<br />- une boite d'observation encastrée dans un collecteur parisien a permis de montrer que la couche organique immobile située à l'interface eau/sédiment est hétérogène, quelle abrite une activité biologique, quelle se forme rapidement par temps sec puis se stabilise, quelle subit des remaniement locaux en surface et enfin, que, lors daugmentations de débit, elle est partiellement érodée et transportée par suspension et par charriage.

Ce travail de thèse se propose d'analyser et d'évaluer les modèles de calcul des flux polluants (MCFP) des rejets urbains par temps de pluie. Pour cela, un banc d'essai a été établi qui repose sur l'utilisation d'une méthodologie basée sur la théorie bayésienne. Ce banc d'essai a été utilisé à des différentes échelles d'espace tout au long du cheminement de l'eau de ruissellement depuis les chaussées jusqu'à l'exutoire du réseau d'assainissement sur le site du bassin versant expérimental du Marais à Paris. Cette méthodologie du banc d'essai utilise une technique de simulation par chaîne de Markov (algorithme Metropolis) pour estimer la distribution de probabilité a posteriori des paramètres du modèle, ce qui permet : - Une évaluation quantitative des incertitudes liées à l'estimation des paramètres ainsi que leurs interactions ; - Une estimation quantitative du niveau d'incertitude dans les résultats d'application de ces modèles ; - Une estimation du pouvoir prédictif du modèle. A l'échelle locale, des modèles d'accumulation, d'entraînement des solides sur les surfaces urbaines, et des modèles d'érosion des solides dans les réseaux d'assainissement ont été testés et analysés. A l'échelle du bassin versant le couplage des modèles élémentaires tel qu'ils sont utilisés dans les logiciels actuels, a pu être évalué. La méthodologie de mise en œuvre a produit des résultats fiables en particulier des distributions de paramètres des modèles qui aident à l'analyse mathématique et à l'interprétation des modèles couramment utilisés. Elle a démontré l'existence de larges incertitudes liées à l'utilisation des MCFP à l'échelle de bassin versant. Ces modèles n'expliquent qu'une faible partie de la variation de la concentration des MES entre 2 événements pluvieux ou à l'intérieur d'un même événement sur le site étudié.

Ce doctorat s'intègre dans la phase 2 du programme OPUR (Observatoire des Polluants urbains) et a eu pour vocation d'améliorer les connaissances actuelles sur l'introduction et le transfert à différentes échelles spatiales des hydrocarbures aliphatiques et aromatiques polycycliques dans le réseau d'assainissement unitaire parisien. Une partie des travaux est consacrée à l'étude des Voies d'Introduction des hydrocarbures dans le Réseau d'Assainissement (VIRA) par temps sec et par temps de pluie. Ce travail s'attache aussi à mieux cerner l'évolution spatiale de la pollution en hydrocarbures entre l'amont et l'aval d'un grand bassin versant. Quelle que soit la taille des bassins versants considérés (de 42 à 2 581 ha), ces travaux soulignent une relative homogénéité des caractéristiques et des processus de transfert de ces polluants par temps sec et par temps de pluie.

Le travail présenté dans cette thèse consiste à l'étude des rejets en mer, par émissaire marin, des eaux usées urbaines des collectivités littorales. Nous focalisons notre étude sur les rejets chargés de matières en suspension. Ces matières risquent de déposer autour du point de rejet et créent une zone très polluée. Dans ce contexte, nous procédons à la modélisation de la déposition des particules transportées en suspension par les rejets urbains dans la zone proche du point de rejet dite " champ proche ". Ceci est fait dans le but de mieux comprendre ce phénomène et de pouvoir déterminer, en conséquence, le niveau de traitement à l'amont ainsi que la configuration du dispositif de rejet en fonction des capacités du milieu récepteur à assimiler la pollution solide. Nous avons réalisé ce travail en trois parties. Dans la première partie, nous avons étudié les rejets urbains dans les zones littorales, les caractéristiques des eaux usées urbaines et celles des particules solides transportées par ces eaux. Nous avons aussi étudié la relation entre les différents critères de qualité des eaux du milieu récepteur et le rejet urbain ainsi que le rôle de l'émissaire marin dans la réduction de l'impact environnemental du rejet sur le milieu marin. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur la zone proche de l'émissaire marin. Il s'agit du jet turbulent issu du rejet. Dans ce contexte, nous étudions le comportement hydrodynamique du jet et nous le modélisons. Ceci est fait par l'établissement d'un modèle Lagrangian pour l'étude du champ proche (modèle de la phase liquide). Dans la troisième partie, nous construisons un modèle pour anticiper la déposition des particules solides transportées par les rejets urbains (modèle de la phase solide). Ce modèle se base sur le phénomène de concentration préférentielle. Il est couplé avec le modèle Lagrangian du comportement hydrodynamique du jet, conçu dans la deuxième partie. Le modèle est validé par des données expérimentales représentant le taux de déposition longitudinale des jets horizontaux et inclinés flottants dans un milieu stationnaire, en présence de co-courant et les jets horizontaux non flottants dans un milieu stationnaire. Nous terminons ce travail par une analyse de sensibilité pour étudier les effets d'un certain nombre de paramètres du jet et du milieu ambiant sur le comportement hydrodynamique du jet et sur le taux de déposition.

Le travail présenté dans cette thèse consiste à l’étude des rejets en mer, par émissaire marin, des eaux usées urbaines des collectivités littorales. Nous focalisons notre étude sur les rejets chargés de matières en suspension. Ces matières risquent de déposer autour du point de rejet et créent une zone très polluée. Dans ce contexte, nous procédons à la modélisation de la déposition des particules transportées en suspension par les rejets urbains dans la zone proche du point de rejet dite « champ proche ». Ceci est fait dans le but de mieux comprendre ce phénomène et de pouvoir déterminer, en conséquence, le niveau de traitement à l’amont ainsi que la configuration du dispositif de rejet en fonction des capacités du milieu récepteur à assimiler la pollution solide. Nous avons réalisé ce travail en trois parties. Dans la première partie, nous avons étudié les rejets urbains dans les zones littorales, les caractéristiques des eaux usées urbaines et celles des particules solides transportées par ces eaux. Nous avons aussi étudié la relation entre les différents critères de qualité des eaux du milieu récepteur et le rejet urbain ainsi que le rôle de l’émissaire marin dans la réduction de l’impact environnemental du rejet sur le milieu marin. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur la zone proche de l’émissaire marin. Il s’agit du jet turbulent issu du rejet. Dans ce contexte, nous étudions le comportement hydrodynamique du jet et nous le modélisons. Ceci est fait par l’établissement d’un modèle Lagrangian pour l’étude du champ proche (modèle de la phase liquide). Dans la troisième partie, nous construisons un modèle pour anticiper la déposition des particules solides transportées par les rejets urbains (modèle de la phase solide). Ce modèle se base sur le phénomène de concentration préférentielle. Il est couplé avec le modèle Lagrangian du comportement hydrodynamique du jet, conçu dans la deuxième partie. Le modèle est validé par des données expérimentales représentant le taux de déposition longitudinale des jets horizontaux et inclinés flottants dans un milieu stationnaire, en présence de co-courant et les jets horizontaux non flottants dans un milieu stationnaire. Nous terminons ce travail par une analyse de sensibilité pour étudier les effets d’un certain nombre de paramètres du jet et du milieu ambiant sur le comportement hydrodynamique du jet et sur le taux de déposition. / In this study, we are interested in the problem of marine wastewater discharge via the submarine outfall. We emphasize on the urban discharge laden with suspended solids. These suspended solids may depose around the discharge point in the sea and create a highly polluted zone. The objective of this study is the modeling of deposition of suspended solids from urbandischarge in the zone near the discharge point, called nearfield, in order to understand the phenomenon and determine thereafter the treatment level upstream in addition to the configuration of the discharge point depending on the capacity of receiving milieu to assimilate the solid pollution. The work is realized in three parts. In the first part, we studied the management of urban discharge in coastal areas, including the characteristics of urban wastewater, and those of solid particles transported by wastewater. We studied also the relation between the receiving water quality criteria and urban discharge in addition to the role played by the submarine outfall in the reduction of environmental impact of the urban discharge on the marine milieu. In the second part, we concentrate on the zone near the submarine outfall that means the turbulent jet issued from the discharge. We study the hydrodynamic behaviour of the jet, the modeling of this behaviour. Then we present our Lagrangian model designed for the study of nearfield (liquid phase model). In the third part, we construct a model to anticipate the deposition of solid particles driven to the sea by the urban discharge (solid phase model). This model is based on the phenomenon of preferential concentration and is coupled with the Lagrangian model of hydrodynamic behaviour of the jet designed in the second part. The model is validated by experimental data presenting the longitudinal deposition rate of horizontal and inclined jets in stationary ambient, in presence of coflow in addition to the case of horizontal non-buoyant jets in stationary ambient. Finally, a sensitivity analysis is performed where we studied the effects of many parameters of the jet ad the ambient milieu, on the hydrodynamic behaviour of the jet and on the deposition rate.