Cette thèse traite de l'analyse et de la synthèse de multimodèles pour la simplification de modèles, l'estimation d'état et le diagnostic des systèmes non linéaires caractérisés par une ou plusieurs échelles de temps. Ces travaux visent, dans un premier temps, à développer une procédure systématique de transformation d'un système non-linéaire en le récrivant sous une forme multimodèle, en évitant quelques inconvénients majeurs : la transformation est réalisée sans perte d'information, le choix de différents points de fonctionnement n'est plus nécessaire, le choix de variables de prémisse est réalisé d'une façon systématique. De plus, la méthode offre le choix entre différents multimodèles. Ce degré de liberté sera utilisé pour faciliter les études de contrôlabilité, d'observabilité et d'analyse de stabilité. Dans un deuxième temps, l'obtention de la forme à perturbations singulières d'un système non linéaire est proposée, en éliminant quelques contraintes structurelles et en rendant l'identification et la séparation des échelles de temps indépendante de la structure du modèle. Dans un troisième temps, la synthèse de plusieurs observateurs robustes vis-à-vis des perturbations, des erreurs de modélisation et des entrées inconnues a été réalisée afin de reconstruire l'état et l'entrée inconnue du système. La difficulté de cette étude provient du fait que le multimodèle utilisé dépend de variables de prémisse non mesurables, situation qui n'est pas intensivement étudiée, alors qu'elle est naturellement issue de l'approche par transformation système non linéaire - multimodèle. Ensuite, le diagnostic de défauts de systèmes est réalisé au moyen de bancs d'observateur à entrées inconnues permettant la génération et la structuration de résidus indicateurs de défauts. Finalement, tous les travaux proposés sont appliqués au modèle d'une station d'épuration, Activated Sludge Model No.1, qui est largement utilisé dans le domaine du traitement des eaux usées.

Ce travail de recherche traite de l'impact des activités lombriciennes sur (1) la qualité des eaux de percolation et notamment leur charge en éléments traces métalliques (Cu, Cd, Pb et Zn) et (2) de la redistribution de ces éléments au sein des microsites particuliers du sol (turricules et parois de galeries). Le rôle des lombriciens sur la dynamique des éléments traces métalliques est étudié au laboratoire sur deux espèces Lumbricus terrestris et Nicodrilus giardi en présence ou en l'absence de pollution métallique constituée par un apport de boue de station d'épuration. Les flux d'éléments traces métalliques via les eaux de percolation augmentent en présence de lombriciens. Cette augmentation est due à un processus physique induis par la présence de galeries lombriciennes qui vont favoriser l'écoulement des eaux. Les galeries sont des microsites particuliers ou se déroulent des processus physico-chimiques susceptibles de changer la spéciation des ETM et ainsi de favoriser leur entraînement via les eaux de percolation. Cependant au cours de notre expérimentation aucun processus physico-chimique n'a pu être mis en évidence concernant la qualité des eaux de percolation. La redistribution des ETM au sein des microsites est étudiée au moyen de deux techniques complémentaires : les extractions chimiques et le fractionnement granulo-densimétrique. Ces deux techniques mettent en exergue une redistribution des ETM au sein des microsites, impliquant un changement de spéciation vers des espèces plus labiles. Deux types de redistributions sont identifiés : • Une redistribution liée au comportement alimentaire du ver qui va sélectionner des particules de sol plus ou moins contaminées et ainsi déterminer la concentration et la distribution des ETM au sein des turricules et galeries. • Une redistribution « physico-chimique » liée aux propriétés particulières des microsites (variation de pH, taux d'argile, ...). La redistribution physico-chimique est dans le cadre de nos expérimentations le plus souvent masquée par la redistribution dite « alimentaire ». Ce travail de recherche traite de l'impact des activités lombriciennes sur (1) la qualité des eaux de percolation et notamment leur charge en éléments traces métalliques (Cu, Cd, Pb et Zn) et (2) de la redistribution de ces éléments au sein des microsites particuliers du sol (turricules et parois de galeries). Le rôle des lombriciens sur la dynamique des éléments traces métalliques est étudié au laboratoire sur deux espèces Lumbricus terrestris et Nicodrilus giardi en présence ou en l'absence de pollution métallique constitué par un apport de boue de station d'épuration. Les flux d'éléments traces métalliques via les eaux de percolation augmentent en présence de lombriciens. Cette augmentation est due à un processus physique induis par la présence de galeries lombriciennes qui va favoriser l'écoulement des eaux. Les galeries sont des microsites particuliers ou se déroulent des processus physico-chimiques susceptibles de changer la spéciation des ETM et ainsi de favoriser leur entraînement via les eaux de percolation. Cependant au cours de notre expérimentation aucun processus physico-chimique n'a pu être mis en évidence concernant la qualité des eaux de percolation. La redistribution des ETM au sein des microsites est étudiée au moyen de deux techniques complémentaires : les extractions chimiques et le fractionnement granulo-densimétrique. Ces deux techniques mettent en exergue une redistribution des ETM au sein des microsites, impliquant un changement de spéciation vers des espèces plus labile. Deux types de redistribution sont identifiés : • Une redistribution liée au comportement alimentaire du ver qui va sélectionner des particules de sol plus ou moins contaminées et ainsi déterminer la concentration et la distribution des ETM au sein des turricules et galeries. • Une redistribution « physico-chimique » lié aux propriétés particulières des microsites (variation de pH, taux d'argile, ...).

La qualité des composts dépend de leurs teneurs en polluants organiques (OPs). L'objectif était de caractériser l'évolution de la spéciation des OPs au cours du compostage afin d'évaluer leur disponibilité dans les composts finaux. Quatre OPs marqués au 14 C ont été étudiés lors du compostage d'une boue d'épuration mélangée à des déchets verts : un HAP (fluoranthène), deux surfactants (4-n-nonylphénol - NP et un alkylbenzène sulfonate linéaire - LAS) et un herbicide (glyphosate). Un dispositif de compostage comprenant six mini-pilotes et permettant un compostage réaliste et reproductible a été conçu. Les propriétés de sorption et de minéralisation des OPs ont été suivies au cours du compostage. Les molécules simples ont été principalement dégradées lors des phases actives et les molécules complexes lors de la maturation. Les capacités de sorption ont diminué au cours du compostage, sauf pour le glyphosate. L'évolution de la spéciation des OPs a montré que la dissipation du LAS a été largement provoquée par sa minéralisation, celle du fluoranthène par la formation de résidus non-extractibles. La minéralisation et la formation de résidus non-extractibles ont contribué de façon équivalente à la dissipation du NP et du glyphosate. La disponibilité directe des OPs en fin de compostage était faible. Un modèle (COP-Compost) simulant l'évolution de la matière organique et des OPs au cours du compostage a été proposé. Des hypothèses selon lesquelles la biodégradation des OPs et la formation de résidus non-extractibles sont influencées par l'évolution de la taille de la biomasse microbienne, elle-même dépendante de la décomposition de la matière organique, ont pu être validées.

Des quantités importantes de cendres (4,12 million kg en France en 2008) sont issues de l'incinération des boues de station d'épuration. La valorisation de ces cendres comme matière première secondaire pour l'élaboration de matériau dans le domaine du bâtiment et des travaux publics (BTP) a été étudiée dans cette thèse. La caractérisation physique et chimique des cendres et l'étude de leur réactivité ont révélé un comportement intermédiaire entre le ciment et le sable, proche du comportement de matériaux pouzzolaniques. Les tests de lixiviation réalisés sur les cendres ont montré qu'à l'exception du Se et du Mo, les éléments présents dans les cendres sont solubilisés à des concentrations inférieures aux seuils définis règlementairement pour les déchets inertes ou non-dangereux. Les liens entre la solubilisation des éléments et la minéralogie des matériaux ont été étudiés à travers la modélisation géochimique réalisée sous PhreeqC. L'influence du taux de substitution du ciment par les cendres sur les propriétés mécaniques des matériaux a également été étudiée. L'indice d'activité à 28 jours de la cendre est conforme à la spécification de la norme EN 450-1. La résistance du mortier diminue quand le taux de substitution augmente à cause de la faible teneur en CaO dans les cendres et de l'apport supplémentaire d'eau nécessaire. Pour le béton avec un taux de substitution de 10 %, la résistance est comparable à celle du béton témoin. L'essai de durabilité des matériaux cimentaires incorporant les cendres révèle une forte diminution de résistance mécanique sous l'effet de la sollicitation au gel/dégel. Une évaluation environnementale de ces matériaux a été réalisée par l'essai de lixiviation à l'échelle du laboratoire et à l'échelle pilote. Les quantités relarguées cumulées des éléments polluants et des anions sont inférieures aux seuils sans impact environnemental, acceptables en construction aux Pays-Bas et en France.

Les organoétains sont présents dans tous les compartiments environnementaux et représentent ainsi un risque pour les écosystèmes, compte tenu de leur toxicité et de leur action biocide non spécifique. Le but de la thèse était de comprendre leur réactivité et leur dynamique dans le système boue / sol / plante afin d'évaluer les risques liés à l'épandage de boue de station d'épuration contaminées par ces composés, pour les productions agricoles. Pour cela, une méthode analytique simple capable de détecter de faibles concentrations en organoétains rencontrées dans l'environnement et de conserver la spéciation a été mise au point. Une évaluation de l'influence de plusieurs paramètres comme le pH ou les concentrations en contaminants sur leur spéciation et leur dégradation a ainsi été réalisée. Plusieurs voies d'apport du contaminant, telles que de la boue dopée ou directement par des solutions d'organoétains ont été testées. Il apparaît que le TBT montre une persistance très grande dans le sol par rapport au TPhT. Une étude cinétique de sorption a permis de déterminer l'affinité de la boue pour le TBT, une quantité importante de sites de surface ainsi que la répartition solide – liquide du contaminant. Enfin le transfert des organoétains au végétal a pu être mis en évidence par l'identification de plusieurs facteurs influençant ce transport. La détermination de la répartition dans les parties constitutive de la plante a été réalisée et une approche des mécanismes de transfert décrite. L'ensemble de ces résultats met en évidence la dépendance entre les conditions de cultures, la rémanence des organoétains dans le sol et le niveau de contamination des légumes récoltés. La présence des organoétains dans les boues et les sols représente donc un risque non négligeable pour les cultures et donc pour la santé humaine.

La gestion des boues représente un véritable défi dû à sa consommation d'énergie et la pollution environnementale associée. L'objectif de ce mémoire est de concevoir et d'étudier un procédé de séchage de boues par énergie solaire et pompes à chaleur, et d'explorer les options techniques pour fournir l'appoint d'énergie aux boues. Un dispositif de séchage expérimental a été réalisé afin d'étudier le séchage conductif des boues et d'évaluer leurs caractéristiques. Une méthode analytique a été proposée pour évaluer la diffusivité de la vapeur d'eau dans les boues, modélisées en tant qu'ensemble d'agrégats poreux. Cette méthode, basée sur un modèle diffusif fickian, a permis de suivre l'évolution de facteur d'impédance de diffusion au cours d'un cycle de séchage. Les expériences ont souligné l'effet de la fréquence de retournements sur l'intensification du séchage. Les transferts de chaleur et de masse convectifs intervenant à l'interface de séchage air-boues ont été caractérisés expérimentalement. L'intensification de l'évaporation due à l'augmentation des vitesses d'air superficielles a été mise en évidence. Une corrélation a été établie pour rendre compte de l'écart entre les conductances latentes expérimentales et les conductances prévues par la théorie de Lewis, en fonction des siccités des boues. Le concept de soufflage d'air par fentes linéaires sur la largeur de la serre a été proposé comme moyen d'amélioration des conditions aérauliques dans une serre de séchage. A partir de ces développements, un modèle mathématique du procédé de séchage combiné a été établi afin d'évaluer ses performances et ses consommations énergétiques. Les données climatiques ont été intégrées afin d'évaluer les performances saisonnières du procédé et d'étudier l'influence des conditions climatiques sur les modes opératoires des pompes à chaleur. Les simulations ont permis de définir une logique de régulation optimale en termes de minimisation des consommations énergétiques marginales. En outre, le modèle a mis en évidence l'amélioration apportée par la réduction de l'épaisseur du lit de boues au cours d'un séchage combiné.

Cette thèse a pour objectif de faire progresser la connaissance des mécanismes d'évolution des pratiques en matière d'assainissement. Sa finalité est de répondre à la question suivante : "Quels sont les impacts des normes sur les choix techniques en matière d'assainissement et d'épuration ?".<br />Nous recherchons en quoi les normes mobilisées dans le monde de l'eau arrivent à canaliser les processus de jugements et de choix techniques de façon extrêmement contraignante et peuvent aboutir parfois à des choix inadaptés à certaines conditions locales particulières.<br />Pour cela, nous retraçons l'histoire des normes écrites avant d'analyser l'évolution du parc technologique d'assainissement. L'ampleur des changements survenus suite à une évolution des normes écrites nous permet de caractériser l'impact de ces dernières sur les choix techniques. En cas d'absence de changement au niveau technique alors que les normes écrites ont évolué, nous recherchons en quoi ce phénomène est lié à l'influence des normes non écrites, indicateurs et "évidences techniques" ayant cours dans le groupe constitué par les acteurs de l'eau.<br />Nous appliquons cette méthodologie aux trois objets techniques constituant le système technique d'assainissement : les réseaux publics d'assainissement, les stations d'épuration communales et les dispositifs d'assainissement autonome.<br />A chaque étape de notre recherche, nous enrichissons notre analyse par une comparaison avec la situation dans les Lander de l'ex-Allemagne de l'Ouest. Ce pays a été choisi pour sa structure fédérale et l'ancienneté de son savoir-faire en assainissement. Les normes y sont élaborées à un niveau bien plus local qu'en France. L'enjeu de ce point de comparaison est de répondre à la question : par rapport à la situation française, l'organisation fédérale de l'Allemagne a-t-elle entraîné des différences en ce qui concerne l'influence des normes écrites sur les pratiques ?<br />Le lien entre les normes écrites et les choix techniques est relativement évident et direct en Allemagne. D'une manière générale, il apparaît que l'application très stricte des normes relatives à l'assainissement et à l'épuration est intimement liée à la structure de l'État fédéral allemand. Les administrations couvrent une circonscription de faible superficie, elles détiennent, du fait de la structure de l'État, un pouvoir de contrôle très fort. Le contrôle des infrastructures d'assainissement est toujours effectué non seulement a priori, mais aussi a posteriori. Ainsi, une technique, bien que réputée excellente sur le papier mais ne pouvant convenir pratiquement à certaines situations locales ne peut passer au travers des mailles de ce système de contrôle. A contrario, l'État centralisé "à la française" est caractérisé par la faiblesse des moyens des administrations pour le contrôle a posteriori des infrastructures. Cela n'a pas permis aux normes écrites françaises d'avoir la même influence sur les choix techniques que celles produites en Allemagne. Ce constat n'est cependant validé que sur les législations et les réglementations nationales, l'influence des textes européens n'étant pas plus forte en Allemagne qu'en France. On ne peut donc pas généraliser et affirmer, dans l'absolu, que les normes écrites seront obligatoirement mieux appliquées dans l'État fédéral allemand que dans l'État centralisé français.<br />La faiblesse des normes écrites françaises a été compensée par l'action des Agences de l'Eau. Le taux de collecte et le taux de dépollution, créés à l'origine pour calculer la redevance assainissement collectée par ces organismes, sont devenus des indicateurs servant à décrire une réalité physique, bien qu'ils soient en réalité des agrégats d'estimations, affectées de coefficients à vocation fiscale, qui, de plus, ignorent l'apport des dispositifs d'assainissement autonome. Ils ont acquis la force d'une norme non écrite à laquelle se réfère la majorité des acteurs de l'eau pour affirmer que la France est en retard en matière d'équipement et qu'une augmentation significative du parc de réseaux et de stations est nécessaire.<br />Par ailleurs en France comme en Allemagne, existent des normes non écrites, des "évidences techniques" qui, loin d'être nécessairement des lois techniques scientifiquement validées, sont, en fait, des usages en vigueur dans le groupe constitué par les différents acteurs de l'eau. Elles favorisent la solution "réseau + station" quelle que soit la sensibilité du milieu et la densité de l'habitat<br />Cette thèse, après avoir permis de tirer certaines conclusions relatives aux normes et pratiques, débouche sur de nouvelles questions de recherche relatives au génie de l'environnement et à la formation des techniciens de l'environnement.

L'état des milieux aquatiques est un point essentiel de l'évaluation demandée par la Directive Cadre Européenne (DCE 2000/60/CE) visant à préserver ou à restaurer les masses d'eau superficielles et souterraines d'ici à 2015. A cet égard, les médicaments font désormais partis des contaminants organiques largement recherchés dans les eaux continentales de surface mais leur écodynamique sur tout un bassin versant est encore méconnue. Ce travail a ainsi apporté une évaluation de l'état de contamination de bassins versants par les médicaments à l'aide des biofilms épilithiques comme marqueur de l'imprégnation du milieu.La cartographie de l'imprégnation du bassin versant de la Vienne a permis de mettre en évidence une plus forte concentration en médicaments dans la partie amont du bassin que dans la partie aval (associée à la transition entre le socle granitique et les bassins sédimentaires). Les teneurs en médicaments mesurées dans les biofilms ont montré un facteur de concentration de 1000 par rapport aux teneurs rencontrées dans l'eau – traduisant ainsi un phénomène de bioaccumulation dans ce compartiment.L'hétérogénéité de l'habitat benthique (diversité des roches, différence d'exposition) influence le niveau d'imprégnation des biofilms sous certaines conditions d'exposition à un rejet.La majeure partie des biofilms situés en aval de l'ensemble des stations d'épuration est plus fortement contaminée. En revanche les mesures d'imprégnation effectuées sur le bassin de l'Arve n'ont montré aucun effet significatif de l'apport d'une station d'épuration recevant les effluents du Centre hospitalier Alpes Léman. / The European Water Framework Directive (DCE 2000/60/CE) aims to restore and protect aquatic ecosystems with the preservation of chemical and ecological status by 2015. In this sense, pharmaceuticals are part of organic contaminants currently investigated in surface waters but their fate along a watershed is still poorly known. This study has made an assessment of the contamination level of watersheds by pharmaceuticals using epilithic biofilms as a marker of the impregnation of the habitat.The impregnation mapping of the Vienne River watershed has highlighted a higher pharmaceutical concentration in the upper part of the river than in the lower part (associated with the transition from the granitic bedrock to the sedimentary basin). Pharmaceutical concentrations measured in the biofilms were 1000-fold higher than concentrations found in water – reflecting a phenomenon of bioaccumulation in this compartment.The habitat heterogeneity (rock diversity, exposure level) influences the impregnation degree of biofilms, depending on the exposure to point source pollution.Most biofilms located downstream from a wastewater treatment plant discharge were heavily contaminated with pharmaceuticals. On the other hand, the biofilms collected from the Arve River watershed have shown no significant effect of a wastewater treatment plant discharge receiving effluents from the hospital "Centre hospitalier Alpes Léman" on the impregnation of biofilms.

Ce travail a permis d'acquérir de nouvelles connaissances sur la micropollution issue de l'activité domestique. Un état des lieux a été réalisé sur la présence de certains micropolluants dans les eaux usées (dans les phases liquide et solide) de deux zones urbaines, résidentielle et mixte (habitats, hôpital, administrations), et dans deux stations d'épuration (STEP) biologiques. Les micropolluants étudiés ont été choisis selon leurs usages et en fonction de leurs propriétés physico-chimiques afin de mieux appréhender leur répartition entre les phases liquides et solides. Dans un premier temps, les méthodes d'extraction et d'analyse des micropolluants dans les matrices liquides (eau usée et eau traitée) et solides (matières en suspension et boue) ont été développées et validées. Les prélèvements d'eaux usées dans les égouts des deux zones urbaines ont mis en évidence différents usages de certains composés en fonction de la zone urbaine et de la saison (été ou hiver). Les mesures des concentrations en micropolluants en entrée et en sortie de STEP dans les eaux et les boues ont permis d'évaluer leurs rendements d'élimination et ont révélé une différence d'efficacité entre les deux STEP biologiques. Une étude statistique a montré qu'il existe des corrélations entre les concentrations en micropolluants et en macropolluants (DCO, ammonium, et turbidité) en entrée et en sortie de chacune des STEP étudiées. L'effet des micropolluants sur l'activité bactérienne a été examiné en conditions de laboratoire par des tests de toxicité sur Escherichia coli et par des expériences sur la biomasse de STEP en réacteur batch / This work allowed to acquire new knowledge on micropollution issued from household activities. The occurrence of some micropollutants in urban wastewater (liquid and solid phases) of two urban areas, residential and mixed (houses, hospital, administrations), and in two biological wastewater treatment plants (WWTPs) was assessed. The studied micropollutants were chosen according to use and as function of their physical and chemical properties in order to consider their partitioning between liquid and solid phases. Firstly, the methods for the extraction and the analysis of micropollutants in liquid and solid matrices (wastewater and treated water, suspended matter and sludge) were developed and validated. Wastewater sampling in the sewers of the two urban catchments showed some differences of the use of certain compounds according to the catchment and to the season (summer or winter). Measurements of micropollutant concentrations at the inlet and outlet of the plants, on water and sludge, allowed to assess their removal yields and revealed a difference of efficiency of the two biological WWTPs. A statistical treatment showed that there are some correlations between concentrations of micro and macropollutants (COD, ammonium and turbidity) at the inlet and at the outlet of each studied WWTPs. The effect of the target micropollutants on bacterial activity was evaluated under laboratory conditions, by toxicity tests on Escherichia coli, and by experiments on biological sludge in batch reactors

Cette thèse traite de l’analyse et de la synthèse de multimodèles pour la simplification de modèles, l’estimation d’état et le diagnostic des systèmes non linéaires caractérisés par une ou plusieurs échelles de temps. Ces travaux visent, dans un premier temps, à développer une procédure systématique de transformation d’un système non-linéaire en le récrivant sous une forme multimodèle, en évitant quelques inconvénients majeurs : la transformation est réalisée sans perte d’information, le choix de différents points de fonctionnement n’est plus nécessaire, le choix de variables de prémisse est réalisé d’une façon systématique. De plus, la méthode offre le choix entre différents multimodèles. Ce degré de liberté sera utilisé pour faciliter les études de contrôlabilité, d’observabilité et d’analyse de stabilité. Dans un deuxième temps, l’obtention de la forme à perturbations singulières d’un système non linéaire est proposée, en éliminant quelques contraintes structurelles et en rendant l’identification et la séparation des échelles de temps indépendante de la structure du modèle. Dans un troisième temps, la synthèse de plusieurs observateurs robustes vis-à-vis des perturbations, des erreurs de modélisation et des entrées inconnues a été réalisée afin dereconstruire l’état et l’entrée inconnue du système. La difficulté de cette étude provient du fait que le multimodèle utilisé dépend de variables de prémisse non mesurables, situation qui n’est pas intensivement étudiée, alors qu’elle est naturellement issue de l’approche par transformation système non linéaire!multimodèle. Ensuite, le diagnostic de défauts de systèmes est réalisé au moyen de bancs d’observateur à entrées inconnues permettant la génération et la structuration de résidus indicateurs de défauts. Finalement, tous les travaux proposés sont appliqués au modèle d’une station d’´epuration, Activated Sludge Model No.1, qui est largement utilisé dans le domaine du traitement des eaux usées / This thesis deals with analysis and synthesis of multiple model structures for model simplification, state estimation and diagnosis of nonlinear systems represented by one or several time-scales. This work aims, at first, to develop a systematic procedure to transform a nonlinear system into a multiple model form, by avoiding some major drawbacks : the transformation causes no information loss, the choice of the different operating points is no more necessary, the choice of the premise variables is realized in a more systematic way. Furthermore, the method gives the possibility of choosing between different multiplemodel structures. This degree of freedom will be used to ease the controllability, observ-ability, stability analysis studies. Secondly, the derivation of a singularly perturbed form for a multiple time scale non linear system is proposed, by eliminating some structuralconstraints and by making the identification and the separation of the time-scales independent to the model structure. Thirdly, the robust observer synthesis with respect to perturbations, modeling errors and unknown inputs are presented for state and unknowninput estimation. The difficulty of these studies comes from the fact that the multiple model depends on unmeasurable premise variables, this case being not intensively studied, whereas it results naturally from the method of transformation nonlinear system - multiple model. Afterward, fault diagnosis is performed using banks of observer to generate andstructure residual signals. Finally, this works are applied to a model of wastewater treatment plant, Activated Sludge Model No.1 (ASM1) that is largely used in the concerned fiel