Dans un contexte de raréfaction de la ressource en eau, le traitement des eaux usées peut permettre de constituer des réserves d’eau durables et valorisables pour des usages variés tels que l’irrigation des cultures, la recharge de nappe phréatique ou encore une utilisation directe par les industries grandes consommatrices d’eau (cimenterie, aciéries…). Ainsi, la nécessité d’améliorer le traitement des eaux usées en sortie de STEU devient primordial afin d’assurer une qualité chimique et microbiologique de l’eau compatible avec sa réutilisation. Le traitement des micropolluants constitue notamment un nouveau défi pour les STEU. Si des projets de recyclage des eaux usées émergent pour les grandes STEU, le potentiel des petites ou moyennes STEU, qui constituent près de 90% des installations en France, reste inexploité à l’heure actuelle. Pour y remédier, les procédés d’oxydation avancée, notamment ceux basés sur l’UV, se présentent comme des solutions de traitement prometteuses. L’objectif de cette étude est de démontrer que la technologie UV/H2O2 est efficace et économiquement réaliste pour la désinfection et l’élimination des micropolluants organiques dans ces petites et moyennes STEU. Dans une première phase, un pilote de laboratoire UV/H2O2 a été évalué en conditions réelles (débit, matrice) sur des modèles bactériens et sur des micropolluants estrogéniques (E1, E2 et EE2) dans les eaux usées traitées d’une STEU. L’efficacité du traitement est comparée à celle de la photolyse seule. Il a été montré que le traitement UV/H2O2 permet une amélioration de la désinfection en assurant une destruction des bactéries contrairement à la photolyse seule qui ne fait qu’inactiver les micro-organismes. D’autre part, les doses UV (plus petit 600 mJ/cm²) et les concentrations en H2O2 étudiées (30-50 mg/L d’H2O2) permettent d’abattre plus de 80% de l’ensemble des micropolluants ciblés et de l’activité biologique (estrogénicité) associée, sans former de sous-produits estrogéniques ou toxiques au regard des tests d’activité employés dans l’étude (YES et Vibrio Fisheri). Parallèlement, il a été montré que le procédé UV/H2O2 est également efficace pour éliminer plus de 70% des produits pharmaceutiques (diclofénac, ibuprofène et naproxène) à 1000 mJ/cm². Sur la base des paramètres de traitement établis en pilote de laboratoire, un prototype a été dimensionné pour la STEU de Vercia (filtre planté de roseaux, 1100 EH, Jura). Les conditions de traitement mises en œuvre (dose UV plus pertit 1000 mJ/cm², [H2O2] = 15 mg/L) ont permis d’obtenir une eau de très haute qualité bactériologique et des abattements des micropolluants suivis supérieurs à 90%. Cette expérimentation à échelle réelle a permis d’estimer le coût global de cette technologie à environ 0,28 €/m³. L’ensemble de ce travail de recherche conclue à l’efficacité et au fort potentiel de la technologie UV/H2O2 pour le recyclage des eaux usées traitées des petites et moyennes STEU. / Water scarcity is a growing concern worldwide. In this context, treated wastewater is seen as a sustainable water resource which could be used for different purposes such as irrigation, groundwater recharge or industrial activities. Reclaimed water is an environmentally and economically solution, still poorly developed in France. However, an increasing demand is expected in the coming years. Therefore, treatment enhancement in wastewater treatment plant could be necessary in order to meet chemical and biological water quality requirements which will depend on the final use of the treated water. The treatment of emerging micropollutants is one of the new challenge WTP will have to cope with. Enhanced treatment processes (ozonation, activated carbon, membrane filtration) have already been set up in large WTP but small and medium WTP, representing around 90% of the French WTP, are still lacking of affordable treatment solutions. However, UV based advanced oxidation process (AOP) could be a promising technology in order to produce a water of high quality. The aim of this study is to demonstrate that UV/H2O2 process is technically and economically efficient for the disinfection and the removal of micropollutants in small and medium WTP. First of all, a UV/H2O2 pilot at a laboratory scale was assessed on bacterial models as well as estrogenic micropollutants (E1, E2 and EE2) in treated wastewater. Treatment efficiency was compared to UV photolysis. It was shown that UV/H2O2 treatment increased the disinfection process by destroying the cellular membrane integrity whereas the UV photolysis could only inactive the bacteria. Moreover, when combining UV (plus petit 600 mJ/cm²) and H2O2 (30-50 mg/L), above 80% of the estrogenic compounds and the associated estrogenic activity could be removed. No high estrogenic or toxic by-products were detected by the two bioassays used in this study (YES and vibrio fisheri). The UV/H2O2 process could also degrade pharmaceuticals such as diclofenac, ibuprofen and naproxen (>70 % at 1000 mJ/cm²). In a second part, a full scale pilot was designed based on the previous results and set up in a WTP in Vercia (Jura). The treatment (UV fluence ≈ 1000 mJ/cm², [H2O2] = 15 mg/L) allowed to obtain a water of a very high bacteriological and chemical quality. The global cost of the process was estimated at around 0.28 €/m³. This study demonstrates the efficiency of the UV/H2O2 process in a small WTP and its high potential for reclaimed water production

Ce travail vise à étudier un procédé de traitement d'eaux usées industrielles par cristallisation en milieu fondu sur paroi froide. Deux effluents modèles sont choisis : un mélange eau/acétone et un mélange eau/acide propanoïque. Dans un premier temps, l'équilibre solide-liquide du mélange est étudié pour connaitre les limites de l'étude en température et en concentration. Le procédé de traitement de l'eau est alors conduit, selon un mode opératoire précis. Deux modes de fonctionnement sont mis en œuvre, un mode statique et un mode dynamique avec une circulation en boucle de la solution. La concentration en impuretés dans la glace est analysée après chaque cycle de congélation. L'étude paramétrique, conduite suivant un plan d'expériences, a mis en avant les effets importants de la concentration initiale de la solution et de la rampe de refroidissement. La microstructure de la glace est également analysée par microscopie en chambre froide pour interpréter les mécanismes d'incorporation d'impuretés au sein de la glace. Les inclusions de liquide sont sous la forme de poches de solution à faible vitesse de croissance et sont localisées dans les joints de grain à plus forte vitesse. Enfin, la modélisation du procédé fonctionnant en mode statique, par les éléments finis et en 2D axisymétrique avec frontière mobile, montre la présence de mouvements de convection. En mode dynamique, l'hydrodynamique de l'écoulement dans l'espace annulaire est décrite par une modélisation 3D prenant en compte la position de l'entrée et de la sortie. Les résultats démontrent la faisabilité du procédé et permettent des avancées significatives dans la compréhension des phénomènes mis en jeu / This work aims to study a process of industrial wastewater treatment by melt crystallization on a cold wall. Two effluent model solutions are chosen: water/acetone and water/propionic acid binary mixtures. First, the solid liquid phase diagrams are determined experimentally in order to delimit the operating range of temperature and concentration. Then, a parametric study of the wastewater treatment process by freezing is performed, by means of an experimental design, for two working modes, static mode and dynamic mode by adding a recirculation loop, respectively. The impurity concentration in the ice is analyzed after each freezing cycle. The process requires applying very precise conditions and the ice concentration mainly depends on the initial solution concentration and on the applied cooling rate. The ice microstructure is also characterized by optical microscopy in a cold chamber and gives insights into the mechanism of impurity incorporation: the liquid inclusions are localized under the form of solution pockets at low growth rate or between the polycrystals at higher growth rate. Lastly, 2D axisymmetric modelling of the process in static mode, based on finite elements and taking into account the moving boundary, shows the presence of buoyancy loops in relation with the density dependence of the solution with temperature. In dynamic mode, the hydrodynamics in the annular space is described by a 3D model to account for the positions of the inlet and outlet pipes. All the results demonstrate the process feasibility and allow better understanding of the occurring phenomena

La matière organique naturelle (MON) est omniprésente dans les eaux de surface. Bien que l’exposition à la MON via l’eau potable soit commune et ne soit pas associée à des effets directs sur la santé humaine, la MON peut avoir des impacts négatifs sur la production d’eau potable, tels que la contribution aux goûts et odeurs, le développement du biofilm dans les systèmes de distribution et la formation de sous-produits de désinfection. La résine échangeuse d’ions en mode biologique (en anglais : Biological ion exchange, BIEX) est un processus prometteur pour l’enlèvement de la MON des eaux de surface. Il s’agit d’opérer la résine échangeuse d’ions dans un réacteur à lit fixe avec une régénération peu fréquente de sorte qu’une communauté microbienne peut se développer sur la surface de résine et ainsi contribuer à l’enlèvement de la MON par biodégradation. Néanmoins, les mécanismes de l’enlèvement de la MON dans le BIEX et la faisabilité de son application dans l’usine de production d’eau potable demeurent inconnus. Ainsi, l’objectif de cette thèse est 1) de comprendre et favoriser l’application du BIEX pour l’enlèvement de la MON des eaux de surface et 2) de résumer les stratégies qui peuvent alléger la gestion de la saumure engendrée par la régénération de résines. Les résines en forme chlorure et bicarbonate ont été d’abord évaluées pour l’application du BIEX où le pilote de BIEX a été alimenté par l’eau de surface pendant 9 mois sans régénération. Les résultats ont démontré que l’échange d’ions est le mécanisme dominant pour le BIEX, i.e., la MON échange avec les ions préchargés (i.e., chlorure et bicarbonate) et les ions préretenus (i.e., sulfate). En plus, les résines colonisées ont été prélevées du pilote et testées en laboratoire où les résines colonisées ont été mises en contact avec les composés de modèles (i.e., micropolluants organiques). Les résultats ont démontré que la biodégradation contribuait à l’enlèvement de micropolluants organiques sur les résines colonisées, mais le degré de biodégradation dépend des caractères de micropolluants organiques et la communauté microbienne sur les résines. Ensuite, le BIEX a été évalué en parallèle du charbon actif biologique (CAB) en filtration secondaire dans l’usine de production d’eau potable de Sainte-Rose. Les résultats ont démontré que bien que le BIEX ait réalisé un enlèvement du carbone organique dissous (COD) plus élevé par rapport à celui du CAB, il a une perte de charge plus significative et le rétrolavage de BIEX s’avère être plus complexe par rapport à celui de CAB. Finalement, une revue de littérature a été menée afin d’identifier les stratégies sur l’opération de résine et la gestion de saumure, et ainsi d’alléger la gestion de la saumure engendrée par la régénération de résines échangeuses d’ions. En somme, cette thèse permet de comprendre les mécanismes de l’enlèvement de la MON dans le BIEX, évaluer la faisabilité de son application dans l’usine de production d’eau potable ainsi qu’identifier les stratégies qui peuvent alléger la gestion de la saumure engendrée par la régénération de résines échangeuses d’ions. / Natural organic matter (NOM) is ubiquitous in surface water. Although the exposure to NOM via drinking water is common and is not associated with direct effects on human health, NOM can cause negative impacts on drinking water treatment, such as contribution to taste and odors, development of biofilms in distribution systems and formation of disinfection by-products. Biological ion exchange (BIEX) is a promising process for the removal of NOM from surface waters. It involves operating the ion exchange resin in a fixed bed reactor with infrequent regeneration so that a microbial community can develop on the resin surface and thus contribute to the removal of NOM by biodegradation. However, the mechanisms for the removal of NOM in BIEX and the feasibility of its application in the drinking water plant remain unknown. Therefore, the general objective of this thesis is 1) to understand and promote the application of BIEX for the removal of NOM from surface water and 2) to summarize the strategies that can alleviate the management of the brine generated by the regeneration of resins. Chloride and bicarbonate-form resins were first evaluated for the BIEX application where the BIEX pilot was fed with surface water for 9 months without regeneration. The results demonstrated that ion exchange is the dominant mechanism in BIEX, i.e., NOM exchanges with preloaded ions (i.e., chloride and bicarbonate) and pre-retained ions (i.e., sulfate). In addition, the colonized resins were harvested from the pilot and tested in the laboratory where the colonized resins were in contact with the model compounds (i.e., organic micropollutants). The results demonstrated that biodegradation contributes to the removal of organic micropollutants on colonized resins, but the extent of biodegradation depends on the characteristics of the organic micropollutants and the microbial community on the resins. Then, BIEX was evaluated in parallel with biological activated carbon (BAC) at the second-stage filtration of the Sainte-Rose drinking water treatment plant. The results demonstrated that although BIEX achieved higher dissolved organic carbon (DOC) removal compared to BAC, it had a more significant pressure drop and the backwash of BIEX filters was proved to be more complex compared to that of BAC. Finally, a literature review was carried out to identify strategies on resin operation and brine management, and thus alleviate the management of the brine generated by the regeneration of ion exchange resins. Overall, this thesis allows understanding the mechanisms for the removal of NOM in BIEX, evaluating the feasibility of its application in drinking water production plants as well as identifying the strategies that can alleviate the management of the brine generated by the regeneration of ion exchange resins.