L’extinction de feux de liquides inflammables sur des installations industrielles telles que les dépôts de carburant ou les raffineries entraîne l'utilisation de milliers de mètres cubes d'eau, composé majeur des mousses anti-incendie. Ces dernières contiennent généralement des tensioactifs hydrocarbonés ainsi que des tensioactifs fluorés qui se retrouvent dans les eaux d'extinction, ainsi que les suies et les restes de solvants. Les tensioactifs fluorés jouent un rôle clé dans l'efficacité des mousses anti-incendie en raison de leur nature chimique particulière. En raison de la présence des tensioactifs fluorés, le traitement actuel de l'eau d'extinction d'incendie est l'incinération dans des incinérateurs haute température et résistant aux halogènes. Les tensioactifs sont des composés amphiphiles qui ont comme propriétés d'abaisser la tension superficielle de l'eau et de former des agrégats en solution : les micelles. Les tensioactifs peuvent également s'adsorber aux interfaces ainsi qu'aux surfaces solides, et éventuellement y former des agrégats de surface, analogues aux micelles en solution. L’objectif industriel de la présente thèse est de proposer une unité mobile de traitement de ces eaux afin de concentrer les composés fluorés et limiter les volumes à incinérer. Les critères de sélection des procédés que nous avons retenus sont les suivants : compacité, peu ou pas de produits chimiques ou solides nécessaires. L’objectif scientifique de ce travail est de mieux comprendre le comportement de ces composés au cours des procédés d’électrocoagulation/filtration et d’osmose inverse. Des essais préliminaires ont été réalisés et ont permis de choisir les procédés suivant : l'électrocoagulation couplée à la filtration comme prétraitement pour séparer les particules en suspension et les traces d’émulsions éventuelles de la phase aqueuse et l'osmose inverse comme traitement pour concentrer les tensioactifs fluorés. A l'échelle du laboratoire, l'électrocoagulation, permettant le retrait de la matière en suspension, a été optimisée pour des eaux d'extinction d'incendie pilotes et un mécanisme a été proposé. L'efficacité de ce procédé a ensuite été vérifiée sur un pilote industriel. L'osmose inverse d'eaux d'extinction d'incendie pilotes pré-traitées par électrocoagulation/filtration a montré de forts taux de rétention du tensioactif fluoré. Une comparaison de différents matériaux membranaires a été réalisée sur un module d’osmose inverse plan avec des solutions modèles. Des essais de filtration de longue durée, à l’échelle pilote, ont permis de suivre l’évolution de la rétention des tensioactifs et du flux de perméat. Ces données ont été utilisées pour réaliser le dimensionnement d’une unité mobile de post traitement d’eau d’extinction d’incendie. Les perspectives de ce travail sont les suivantes : La prise en charge de la réalisation d’une unité mobile devrait être menée par un partenaire de DuPont de Nemours qu’il reste à identifier. L’étude sur la modification de l’état de surface des membranes est poursuivie dans le cadre d’une nouvelle thèse et permettra à terme de mieux choisir les conditions opératoires de filtration et de nettoyage au cours des procédés membranaires et ainsi d’améliorer les performances du procédé. / Extinguishment of large solvent fire leads to the production of fire fighting water, which are collected thanks to the design of industrial infrastructures. Depending on the nature of the firefighting foam used, the resulting water may require the removal of fluorinated surfactants potentially present. After decantation of the organic phase, fire fighting waters essentially contain surfactants. Surfactants are amphiphilic chemicals having the ability to lower both interfacial and surface tensions by adsorbing in an oriented fashion at interface. Surfactant can form micellar aggregates in solution and on interfaces under certain conditions, and have a pronounced influence on interfacial phenomena. Hence, before considering any water treatment process, interfacial science and surfactant were introduced. This work has a dual purpose. The industrial purpose is to provide an economically viable alternative to water incineration. The foreseen unit will have to be mobile and able to extract fluorinated surfactants from water at a rate of 1-4.5 m3h-1 (20,000 m3 in 4-6 months). The scientific purpose of this work is the study of the behavior of surfactants in the context of water treatment processes. The state of the art of relevant water treatment processes and an experimental screening with real firefighting water permitted to identify two steps as likely to fit the constraints of a mobile unit: electrocoagulationfiltration coupled with reverse osmosis. The electrocoagulation process followed by filtration was applied to pilot, model and industrial firefighting waters. This process was found to remove efficiently the unwanted turbidity from pilot firefighting waters. Current knowledge about the separation mechanisms of small organic molecules in reverse osmosis has been reviewed, and rejection as well as flux decline were related to membrane, solution, and solute properties. Polyamide and cellulose acetate membrane materials were screened in a flat sheet cell. The stabilities of rejection and flux decline were confirmed during longer tests (several days) on an industrial pilot with the most appropriate membrane. A final design study confirmed the possibility to combine electrocoagulation-filtration and reverse osmosis to treat firefighting waters.

Du fait de sa consommation en plein essor et d’une élimination partielle par les procédés conventionnels de traitement des eaux, l'ibuprofène, un médicament anti-inflammatoire non stéroïdien, a été détecté dans les ressources en eau, suscitant de plus en plus d'inquiétude quant à son impact possible sur l'environnement et la santé. Par ailleurs, les procédés d'oxydation avancée (POA), parmi lesquels la réaction Fenton, ont montré d’excellents résultats pour l'élimination de divers composés organiques. Traditionnellement basé sur l'utilisation du peroxyde d'hydrogène et des ions ferreux en solution, l'application à grande échelle de ce POA est encore limitée par une fenêtre de pH étroite (2 à 4) et une récupération difficile du catalyseur à base de fer. Ce travail a étudié l'oxydation Fenton de l'ibuprofène et l'activation de la réaction par irradiation ultrasonore (US) et rayonnement ultraviolet/visible (UV/Vis) et de manière à abaisser la concentration de fer dissous ou à améliorer l'activité de catalyseurs hétérogènes. A cet effet, on a d'abord évalué l'efficacité des POA individuels homogènes (sonolyse, photolyse, sono- et photo-oxydation avec H2O2, oxydation Fenton), en fonction de paramètres opératoires tels que la longueur d'onde lumineuse et la fréquence ultrasonore. Ensuite, on a examiné leurs combinaisons deux-par-deux et globale (sonophotolyse, oxydation sono-, photo- et sono-photo- Fenton) en mettant l'accent sur l'identification d'effets synergiques. En particulier, les oxydations US/Fenton et Vis/Fenton se sont révélées plus efficaces que la somme des procédés individuels grâce à la sono- et photo-régénération des ions ferreux. Ces résultats ont également servi de référence pour l'évaluation des systèmes hétérogènes. Parmi les solides testés, on a montré qu’une zéolite dopée au fer (de type Fe/ZSM5) était un catalyseur prometteur pour l'oxydation de l'ibuprofène par le peroxyde, en raison d'une efficacité élevée à pH naturel et d’une faible lixiviation du fer. Cependant, dans ce cas, on n’a observé au mieux qu'une addition d’effets des ultrasons ou de la lumière et de l'oxydation Fenton hétérogène. Outre la conversion du polluant et du carbone organique total (COT), la formation des principaux produits de dégradation a été suivie pour différents procédés et des voies possibles de dégradation ont été proposées. L’effet matrice a également été examiné en utilisant un effluent de station, qui a eu pour conséquence de réduire la performance de tous les procédés d'oxydation, en raison d'un pH tampon alcalin ou de l’atténuation de la lumière. / Due to booming consumption and only partial removal by conventional water treatment processes, ibuprofen, a non-steroidal anti-inflammatory drug, has been detected in water resources, raising increasing concerns for possible environmental and health impact. On the other hand, advanced oxidation processes (AOPs), among which Fenton reaction, have shown successful results forremoval of various organic compounds. Traditionally based on the use of hydrogen peroxide and ferrous ions in solution, large-scale application of this AOP is still limited by narrow pH window (2 to 4) and uneasy recovery of iron catalyst. This work investigated Fenton-based oxidation of ibuprofen, and reaction activation by ultrasound (US) irradiation and ultraviolet/visible light (UV/Vis) so as to lower the required concentration of dissolved iron catalyst or improve the activity of heterogeneous counterparts. To that purpose, the efficacy of individual homogeneous AOPs (sonolysis, photolysis, ultrasound/H2O2, light/H2O2, Fenton oxidation) was evaluated first, varying operating parameters such as light wavelength and ultrasound frequency. Then, their two-by-two and overall combinations (sonophotolysis, sono-Fenton, photo-Fenton and sono-photo-Fenton oxidation) were examined with emphasis on the identification of synergistic effects. In particular, combined US/Fenton and Vis/Fenton oxidation were found more effective than the sum of individualprocesses due to sono- and photo-regeneration of ferrous ions. These results also served as a reference for the assessment of heterogeneous systems. Among tested solids, iron-containing zeolite (Fe-ZSM5 type) was shown to be a promising catalyst for peroxide oxidation of ibuprofen due to high efficiency at natural pH and low iron leaching. However, in this case, no more than additive effects was observed between ultrasound/light irradiation and heterogeneous Fenton oxidation. Beside pollutant and Total Organic Carbon conversion, main degradation products were monitored for different processes and some plausible degradation pathways were proposed. Water matrix impact was also addressed using wastewater plant effluent, which resulted into hindered performance of all oxidation processes either due to alkaline buffer or light attenuation effect.

Ce travail s’oriente vers la valorisation du traitement d’eaux usées à partir de piles à combustibles microbiennes (PCM) benthiques pour la production d’électricité. Cette technologie permet la production d’électricité à partir de micro-organismes électro-actifs (EA) et d’un substrat carboné qui peut être de l’eau usée.Quatre types d’eaux usées issues de l’activité anthropique sont sélectionnés. La présence de micro-organismes EA est mise en évidence par 2 méthodes électrochimiques. En condition réelle, le milieu lagunaire présente les meilleures performances électriques (6,6 mW/m²). Celui-ci propose l’environnement le plus favorable à l’installation dePCM benthiques in-situ. Les résultats montrent une forte influence des micro-algues sur l’activité des biofilms EA. Avec un cycle jour/nuit, cette production varie en suivant les cycles d’éclairage. Les micro-algues apportent l’oxygène nécessaire aux réactions cathodiques. Les PCM améliorent également la consommation de polluants du milieu cathodique.L’alimentation de petits dispositifs tels que des capteurs passe obligatoirement par une augmentation de la tension délivrée par les biopiles. Différentes techniques d’élévation de la tension (mise en série et en parallèle de plusieurs piles, convertisseurs DC/DC) sont analysées. Un capteur de température et d’humidité a fonctionné durant plus de 15 h directement alimenté par une de nos biopiles benthiques avec une puissance de 328 µW. Sa tension de sortie est augmentée par un convertisseur de type Flyback, passant de 560 mV à plus de 5,5 V. L’utilisation de PCM in-situ dans la lagune peut constituer une alternative à la production électrique et au traitement des eaux usées. / The work described in this document is oriented to enhancing the treatment of wastewater from benthic microbial fuel cell (BMFC) for electricity production. This technology allows the production of electricity from electro-active (EA) microorganisms and carbonated substrate which may be the wastewater.Four types of wastewater from human activity are selected. The presence of EA microorganisms is highlighted by two electrochemical methods. In real conditions, the lagoon environment has the best electrical performance (6.6 mW/m²).The lagoon environment offers the most favorable environment for installation BMFC in-situ. The results show a strong influence of microalgae on the EA biofilms activities and thus on the production of electricity. In lagoon conditions, with a day/night cycle, this production varies according to the lighting cycles. Microalgae bring oxygen necessary for cathode reactions at lower cost. BMFC also improve the consumption of pollutants including organics.Electrical supply by small devices such as sensors necessarily requires an increase of the voltage delivered by BMFC. The different voltage boosting techniques such as series and parallel connections of several units or the use of DC/DC converters are performed and analyzed. A temperature and humidity sensor worked for more than fifteen hours directly powered by a BMFC with a power of 328 µW. Its output voltage is increased by a flyback type DC/DC converter, from 560 mV to more than 5.5 V. The use of PCM in-situ in the lagoon can be an alternative to the power generation and the treatment of wastewater.