Degradation of water resources has become one of the most pressing global concerns currently facing mankind. Constructed Wetlands (CWs) represent a concept to combat deterioration of water resources by acting as buffers between wastewater and receiving water bodies. Still, constructing wetlands for the sole purpose of wastewater treatment is a challenging task. To contribute to this research area, the fundamental question raised in this doctorate thesis was: how do factors such as vegetation and residing water movements (hydraulics) influence wastewater treatment in CWs? Also, effects of different data analysis methods for results of CW hydraulics and wastewater treatment were investigated. Research was focused on  phosphorus (P), ammonium-nitrogen (NH4+-N) and solids (TSS) in wastewater and o n P in macrophyte biomass. Studies were performed in pilot-scale free water surface (FWS) CW systems in Kenya (Chemelil) and Sweden (Halmstad) and as computer simulations. Results from the Chemelil CWs demonstrated that meeting effluent concentration standards simultaneously for all water quality parameters in one CW was difficult. Vegetation harvest, and thus nutrient uptake by young growing macrophytes, was important for maintaining low effluents of NH4+-N and P, especially during dry seasons. On the other hand, mature and dense vegetation growing for at least 4 months secured meeting TSS standards. Phosphorus in above-ground green biomass accounted for almost 1/3 of the total P mass removal, demonstrating high potential for P removal through macrophyte harvest in CWs. Also, results suggested that harvest should be species-specific to achieve high P removal by macrophytes and overall acceptable wastewater treatment in CWs. Still, different methods to estimate evapotranspiration (ET) from the Chemelil CWs showed that water balance calculations greatly impacted estimations of wastewater treatment results. Hydraulic tracer studies performed in the Chemelil and Halmstad CWs showed that mature and dense emergent vegetation in CWs could reduce effective treatment volumes (e-values), which emphasized the importance of regulating this type of vegetation. Also, it was shown that hydraulic tracer studies with lithium chloride performed in CWs with dense emergent vegetation had problems with low tracer recoveries. This problem could be reduced by promoting the distribution of incoming tracer solution into the CW using a barrier near the CW inlet pipe. Computer simulation results showed that the choice of tracer data analysis method greatly influenced quantifications of CW hydraulics and pollutant removal. The e-value could be 50% higher and the pollutant removal 13% higher depending upon used method. Moreover, unrealistic evalues (above 100%) in published literature could to some extent be explained by tracer data analysis method. Hence, to obtain more reliable hydraulic data and wastewater treatment results from CWs, more attention should be paid to the choice of tracer data analysis method. / Konstruerade våtmarker representerar ett koncept för möjligheten att nå en hållbar vattenresurshantering genom att agera som ”filter” mellan föroreningskälla och viktiga vattenresurser såsom sjöar och hav. Mycket kunskap saknas däremot om hur man konstruerar våtmarker med en optimal och pålitlig vattenreningskapacitet. Den här avhandlingen undersöker därför hur vegetation och vattnets väg genom våtmarken (hydrauliken) påverkar avloppsvattenrening i våtmarker. Dessutom undersöktes hur valet av dataanalysmetod av insamlad data påverkar resultaten. Studier genomfördes i Kenya och Sverige i experimentvåtmarker (ca. 40-60 m2) och inkluderadedatainsamling av vattenkvalité, hydraulik (spårämnesexperiment) samt biomassa och fosfor i biomassan av två olika våtmarksväxter. Dessutom genomfördes datorsimuleringar. Resultaten från Kenya visade att växtskörd och efterföljande näringsupptag av nyskördade växter var viktig för att uppnå låga utgående koncentrationer av fosfor och ammonium i en tropisk våtmark, speciellt under torrsäsongen. Däremot var en välutvecklad och tät vegetation viktig för reningen av partiklar. Fosfor i grön växtbiomassa representerade cirka 1/3 av våtmarkernas totala fosforrening, vilket påvisade potentialen i att genom skörd ta bort fosfor från avloppsvatten m.h.a. konstruerade våtmarker. Resultaten pekade också på att skörden bör vara art-specifik för att uppnå en hög fosforrening och generellt bra vattenreningsresultat. Dock visade olika beräkningsmetoder att vattenbalansen i en tropisk våtmark markant kan påverka vattenreningsresultaten. Resultaten från spårämnesexperimenten demonstrerade att den effektiva våtmarksvolymen för vattenrening blev mindre vid hög täthet av övervattensväxter. Detta pekade på att regelbunden växtskörd var viktig för att uppnå god vattenrening i våtmarker. Experiment med spårämnet litium visade att man kan få felaktiga resultat p.g.a. att en del spårämne fasthålls på botten i våtmarken om denna har mycket övervattensväxter. Därför bör spridningen av spårämnet i sådana våtmarker underlättas m.h.a. en spridningsbarriär nära inloppsröret. Simuleringar visade också att valet av dataanalysmetod av spårämnesdata starkt kan påverka resultaten och därmed också vår tolkning av en våtmarks hydraulik och reningskapacitet. Den effektiva volymen kunde vara 50% högre och reningseffekten 13% högre beroende på vilken metod som användes. Likaså kan valet av dataanalysmetod ha bidragit till överskattade och orealistiska effektiva volymer (över 100%) i artiklar publicerade de senaste 25 åren. Genom att fokusera mer på valet av dataanalysmetod och t.ex. jämföra resultaten från två olika metoder kan man minimera risken för bristfälliga resultat och därmed felaktiga slutsatser om en våtmarks vattenreningskapacitet.

Cette thèse porte sur la compréhension et le contrôle des interactions dynamiques entre les mécanismes physiques et biologiques en considérant un procédé alternatif de séparation membranaire pour les bioprocédés industriels. L’objectif premier est un apport de connaissances scientifiques liées à la maîtrise de la bioréaction en considérant l'hydrodynamique complexe et les verrous rétention-perméation. Une technologie de filtration dynamique, appelée Rotating and Vibrating Filtration (RVF), a été spécifiquement étudiée. Elle se compose de cellules de filtration en série comprenant deux membranes circulaires planes fixées sur des supports poreux au voisinage d'un agitateur à trois pales planes attachées à un arbre central. Ce dispositif mécanique simple fonctionne en continu et génère une contrainte de cisaillement élevée ainsi qu'une perturbation hydrodynamique dans un entrefer étroit (pale-membrane). Les verrous scientifiques et techniques qui motivent ce travail, sont la caractérisation et la quantification (i) des champs de vitesse locaux et instantanés, (2) des contraintes pariétales de cisaillement à la surface de la membrane et (3) l'impact mécanique sur les cellules microbiennes.Dans ce but, des expériences et des simulations numériques ont été réalisées pour étudier l'hydrodynamique à des échelles globales et locales, en régimes laminaire et turbulent avec des fluides newtoniens dans des environnements biotique et abiotique. Pour l'approche globale, la distribution des temps de séjour (RTD) et le bilan thermique ont été réalisés et comparés aux précédentes études globales (courbes de consommation de puissance et de frottement). Une étude analytique des fonctions de distribution a été effectuée et les moments statistiques ont été calculés et discutés. Une analyse systémique a été utilisée pour décrire les comportements hydrodynamiques du module RVF. En combinant la simulation des écoulements (CFD) et les observations (RTD), les conditions et les zones de dysfonctionnement des cellules de filtration sont éclairées. Pour l'approche locale, la vélocimétrie laser (PIV) a été réalisée dans les plans horizontaux et verticaux et comparée à la simulation numérique (CFD). Une étude préliminaire basée sur une synchronisation entre la prise d’image et la position de l’agitateur (résolution angulaire) a permis d’accéder aux champs de vitesse moyens. Une campagne de mesure PIV a été réalisée sans synchronisation afin d’appliquer une décomposition orthogonale aux valeurs propres (POD) pour 'identifier les composantes moyennes, organisées et turbulentes des champs de vitesse (énergie cinétique). Pour l'application aux bioprocédés, un travail exploratoire a caractérisé l'effet de la filtration dynamique sur des cellules procaryotes (E. coli) en quantifiant l'intégrité cellulaire ou leur dégradation en fonction du temps et de la vitesse de rotation. / This thesis focuses on the understanding and the control of dynamic interactions between physical and biological mechanisms considering an alternative membrane separation into industrial bioprocess. It aims to carry scientific knowledge related to the control of bioreaction considering complex hydrodynamics and retention-permeation locks specific to membrane separation. A dynamic filtration technology, called Rotating and Vibrating Filtration (RVF), was investigated. It consists of filtration cells in series including two flat disc membranes fixed onto porous substrates in the vicinity of a three-blade impeller attached to a central shaft. This simple mechanical device runs continuously and generates a high shear stress as well as a hydrodynamic perturbation in the narrow membrane-blade gap. Several scientific and technical locks motivating this work are to characterize and to quantify (i) the velocity fields locally and instantaneously, (2) the shear stresses at membrane surface and (3) the mechanical impact on microbial cells.To this end, experiments and numerical simulations have been performed to investigate the hydrodynamics at global and local scales under laminar and turbulent regimes with Newtonian fluids under biotic and abiotic environment. For global approach, investigation of Residence Time Distribution (RTD) and thermal balance was carried out and compared to the previous global study (power consumption and friction curves). Analytical study of distribution functions was conducted and statistical moments were calculated and discussed. A systemic analysis was used to describe the hydrodynamic behaviors of the RVF module. Combining Computational Fluid Dynamics (CFD) and RTD observations, it leads to demonstrate dysfunctioning conditions and area. For the local approach, Particle Image Velocimetry (PIV) was be carried out in both horizontal and vertical planes and compared to CFD simulation. PIV preliminary study was conducted with a trigger strategy to access through angle-resolved measurements to an averaged velocity field. PIV further study were performed with a non-trigger strategy and applied to Proper Orthogonal Decomposition (POD) analysis in order to identify the coherent structure of the flow by decomposing the organized and turbulent fluctuations. For the bioprocess application, an exploratory work characterized the effect of Dynamic Filtration on prokaryote cell population (Escherichia coli) by quantifying cell integrity or damage as a function of time and rotation speed during filtration process in turbulent regime.

Des procédés innovants basés sur l’extrusion à haute vitesse et l’irradiation sous rayonnement γ, ont été étudiés en vue d’améliorer la compatibilisation de deux polyoléfines non miscibles : le polypropylène PP et le polyéthylène PE. Dans un premier temps, l’étude de la distribution des temps de séjour de polypropylènes dans l’extrudeuse à haute vitesse a été réalisée. L’impact des conditions opératoires (débit et vitesse de rotation des vis) ainsi que l’impact du profil de vis et de la viscosité du polypropylène d’étude ont été mis en avant. Certains résultats expérimentaux sont souvent en accord avec ceux du logiciel de simulation d’extrusion bi-vis Ludovic, bien qu’il puisse y avoir des écarts pour les hautes vitesses de rotation des vis. Dans un deuxième temps, une fois l’écoulement caractérisé, nous avons réalisé des mélanges PP/PE, les paramètres qui ont varié sont la quantité d’énergie apportée durant le mélange (vitesse de rotation des vis) ainsi que la présence ou non de copolymère préformé et le type d’atmosphère utilisée durant l’extrusion. Faire varier le taux de cisaillement ne permet pas la modulation des propriétés finales du mélange surtout lorsque l’on extrude sous atmosphère inerte. L’utilisation de copolymère préformé, de type éthylène-octène, permet d’améliorer considérablement les propriétés de notre mélange en créant une interphase "cœur-couronne" entre la matrice PP, le compatibilisant et la phase dispersée PE. Pour terminer, une étape d’irradiation γ a été ajoutée au procédé de mise en œuvre classique de nos mélanges. En première partie de cette étude, la simulation de spectres RPE a permis d’identifier et quantifier les différentes espèces radicalaires créées. Dans la deuxième partie, l’influence de la place de la séquence d’irradiation a été étudiée : avant extrusion, entre extrusion et injection, après injection et avant recuit. Les meilleures améliorations ont été obtenues lorsque l’irradiation est suivie d’un traitement thermique. En conclusion, il est possible d’améliorer la compatibilité d’un mélange PP/PE en jouant essentiellement sur l’ordre des étapes de production sans avoir à modifier la formulation de ce dernier. / Innovative processes, based on high shear twin screw extrusion and γ-irradiation, have been used to increase the compatibility of two immiscible polyolefins: polypropylene PP and polyethylene PE. In a first part, the residence time distribution of polypropylenes in the twin screw extruder (TSE) has been investigated. The impact of the processing conditions (throughput and screw rotation speed), the screw profile and the polypropylene viscosity were underlined. Some of the experimental results are often in good agreement with those predicted by simulation software of twin screw extrusion (Ludovic), except for some experiments at high screw rotation rates. In a second part, once polymer flow was characterised in the TSE, we realized PP/PE blends. The impact of the mechanical energy (screw rotation speed), the presence or absence of copolymers and the nature of the extrusion atmosphere were analysed. Using high shear rate does not allow modulating the final properties of the blends particularly once inert atmosphere is used. The use of ethylene-octene copolymers increases significantly the final properties of the PP/PE blends by creating a “core-shell” morphology between the PP matrix, the copolymer and the PE dispersed phase. To finish, a γ-irradiation process step has been added to the classical processing of PP/PE blends. In a first part of this study, the simulations of ESR spectra have permitted to identify and quantify the different radicals created. In a second part, the sequence order of the γ-irradiation has been investigated: before extrusion, between extrusion and injection, and after injection followed by a thermal treatment. The best results were obtained once γ-irradiation is followed by a heat treatment. As a conclusion, the compatibility of immiscible polyolefins can be improved only by changing the order of the different processing steps without changing the formulation.