L'objectif de ce travail a consisté à identifier des polluants émergents dans des eaux usées issues de stations d'épuration ainsi que dans le milieu naturel et à proposer une méthode de remédiation et un suivi de ces polluants. Dans un premier temps, nous avons identifié les polluants organiques contenus dans les échantillons d'eaux usées et issues du milieu naturel par chromatographie en phase liquide ou gazeuse couplée à une spectrométrie de masse, chromatographie en phase gazeuse par espace de tête statique et par spectrométrie par torche à plasma couplée à une spectrométrie de masse. Différents polluants ont été trouvés tels que les phtalates, des substances médicamenteuses, le cholestérol et des éléments de traces métalliques. Dans le but de piéger ces polluants, différents polymères de cyclodextrine (CD) solubles et insolubles dans l'eau ont été synthétisés et leurs capacités d'adsorption ont été évaluées. Après adsorption sur les polymères de CD, nous avons observé une diminution de la teneur en carbone organique total (COT) de l'effluent. Ces polymères se sont révélés être des adsorbants efficaces. Dans un second temps, des verres du système pseudo-ternaire Agl-HgS-As₂S₃ ont été synthétisés en ajoutant le composé le composé Agl dans le système pseudo-binaire HgS-As₂S₃. Ces verres de chalcogénures sont des membranes ionosélectives permettant de détecter les ions Hg²⁺ dans les effluents. Tout d'abord, nous avons défini le domaine vitreux des verres à l'aide de la diffraction des rayons X, ensuite les propriétés macroscopiques des verres ont été déterminées. Ainsi, les propriétés de transport ont été étudiées à l'aide de la spectroscopie d'impédance complexe montrant que l'ajout d'Agl dans le verre pseudo-binaire HgS-As₂S₃ provoque une augmentation de la conductivité ionique. Afin de comprendre ce phénomène, diverses études structurales ont été déployées par spectroscopie Raman, diffraction de neutrons et de rayon X haute énergie. Ces techniques ont montré que l'évolution de la conductivité ionique est dépendante de la structure du verre qui forme des chemins préférentiels de conduction. Enfin, différents capteurs avec différentes compositions sont testés afin de définir la sensibilité, la limite de détection et les coefficients de sélectivité en présence d'ions interférents. / The aim of this work was to identify the emerging pollutants in the effluents of wastewater treatment plants as well as in the natural environment, and to propose a method of remediation and monitoring of these pollutants. In the first part of the thesis, we have identified the organic pollutants contained in the wastewater samples using (i) gas and/or liquid chromatography coupled with a mass spectrometry, (ii) static-headspace gas chromatography, and (iii) inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy. Different pollutants were found such as phthalates, drugs, cholesterol, and heavy metal traces. In order to trap these pollutants, various water soluble/insoluble cyclodextrin β-CD polymers have been synthesized and their adsorption capacities were evaluated. After the analysis of the effluent samples, we observed a decrease of the Total Organic Carbon (TOC). This decrease was attributed to the adsorption of pollutant by CD polymers which have proven to be effective adsorbents. The second part of the thesis included two main sub-parts : (i) a synthesis and characterization part and (ii) an application part. In the first sub-part, chalcogenide glasses in the pseudo-ternary Agl-HgS-As₂S₃ system have been synthesized by adding silver iodide "Agl" to the quasi-binary HgS-As₂S₃ system. The vitreous domain and the macroscopic properties of glass samples were determined. Electrical conductivity of glasses was studied using both the complex impedance spectroscopy and resistivity measurements ; it was found that adding Agl to the quasi-binary HgS-As₂S₃ alloy causes an increase in the ionic conductivity. Structural studies, using various techniques as Raman spectroscopy, neutron scattering and high-energy X-ray diffraction, have been performed in order to decipher the relation between both structural and transport properties in these glasses. In the second sub-part, the obtained glasses in the ternary system were used as membranes in chemical sensors dedicated to mercury detection in aqueous solution. As a result, various sensors with different compositions were tested to determine their corresponding sensitivity, detection limit and selectivity coefficients in the presence of interfering ions.

Les bassins de retenue des eaux pluviales sont utilisés pour préserver la qualité des eaux réceptrices par sédimentation pendant le temps de pluie. Cependant, les efficacités du bassins n'étaient pas satisfaisants en raison de la mal compréhension du processus de sédimentation. Afin de mieux comprendre ces processus dans des ouvrages in situ, cette thèse porte à la fois sur des expérimentations in situ et sur les modélisations de l'hydrodynamique et du transport particulaire dans les bassins de retenue pilotes et in situ. Cette recherche s'est appuyée en grande partie sur le bassin Django Reinhardt (BDR) à Chassieu (volume: 32000 m3, surface: 11000 m2) dans le cadre de l'OTHU et sur les données expérimentales obtenues par Dufresne (2008) et Vosswinkel et al. (2012). Les échantillons de sédiments ont été prélevés et leurs caractéristiques physiques ont été analysées en laboratoire dans le but de cerner leur distribution spatiale. Concernant la modélisation numérique, les simulations de l'hydrodynamique en régime permanent ont été réalisées à l'aide du logiciel CFD Fluent et ont été évaluées à partir de l'analyse de corrélation entre le comportement hydrodynamique du bassin et la distribution spatiale des caractéristiques physiques des sédiments. Les conditions limites sur le fond couramment utilisées et largement décrites dans la littérature ont été testées dans le but de représenter la distribution spatiale des sédiments et l'efficacité de décantation du BDR. Les conditions testées sont : i) contrainte de cisaillement critique ou bed shear stress - BSS et ii) énergie cinétique turbulente critique ou bed turbulent kinetic energy - BTKE. L'approche Euler-Lagrange dite " particle tracking " a été mise en œuvre. En raison de l'échec de prédiction des zones de dépôt à l'aide des conditions limites disponibles (BSS et BTKE), une nouvelle relation a été proposée pour estimer le seuil BTKE. La condition à la limite obtenue en utilisant cette nouvelle relation a été testée sur un bassin pilote (Dufresne, 2008) et sur le BDR en régime permanent. Les résultats obtenus n'étaient pas très satisfaisants concernant la prédiction des zones de dépôt et l'efficacité de décantation dans le bassin BDR, même en considérant une distribution granulométrique non uniforme. Afin de mieux prédire les zones de dépôt dans le BDR, une nouvelle méthode a été proposée en considérant le transport des particules, leur décantation et leur érosion en régime transitoire. Sur la base de la méthode proposée pour le transport des particules, la décantation et l'érosion en régime transitoire, plusieurs modélisations avec différentes conditions limites ont été réalisées dans un bassin de retenue pilote rectangulaire (Vosswinkel et al., 2012). Les prédictions des efficacités et des zones de dépôt en régime transitoire avec la méthode proposée sont satisfaisantes

Les systèmes réels sont généralement de nature non-linéaire, et leurs modélisations etsurveillance restent une tâche difficile à accomplir. Néanmoins, avec les progrès technologiqueson dispose maintenant d'un atout de taille sur ces systèmes qui est les données.Ce travail présente une technique de diagnostic de défaut et de modélisation basée en grandepartie sur la méthode d'apprentissage automatique " Les Machines à Vecteurs de Support,SVM " qui est basée sur les données. La méthodologie proposée est appliquée à différentessystèmes multivariables et non linéaires, à savoir : un procédé de traitement des eaux usées, unsystème éolien et un réacteur chimique parfaitement agité.L'objectif de cette thèse de doctorat est d'examiner la possibilité d'extraire le maximumd'information à partir de données afin de surveiller efficacement le comportement de systèmesréels et de détecter rapidement tout défaut qui peut compromettre leur bon fonctionnement. Lamême méthode est utilisée pour la modélisation des différents systèmes. Plusieurs défis ont étérelevés tels que la complexité du comportement des systèmes, le grand nombre de mesuresvariant à différentes échelles de temps, la présence de bruit et les perturbations. Une méthodegénérique de diagnostic de défauts est proposée par la génération des caractéristiques de chaquedéfaut suivie d'une étape d'évaluation de ces caractéristiques avec une amélioration du transfertde connaissances en modélisation.Dans cette thèse ont a démontré l'utilité de l'outil Machines à Vecteurs de Support, enclassification par la construction de modèles de décision SVM dédiés à l'évaluation descaractéristiques de défaut, et aussi en tant qu'estimateur non linéaire/ou pour la modélisation parl'utilisation des machines à vecteurs de support dédiés pour la régression (SVR).La combinaison de SVM et d'une méthode basée sur le modèle "observateur" a été aussi étudiéeet a été nécessaire dans certains cas pour garantir un bon diagnostic de défauts.

L'électrocoagulation (EC) est une méthode électrochimique non spécifique couramment utilisée pour le traitement de l'eau et des eaux usées. Dans ce travail, l’EC est d'abord étudiée comme une technique classique de traitement des eaux usées dédiée à l'élimination des protéines de lactosérum de l'eau pour laquelle les mécanismes d'élimination sont expliqués et un modèle est développé. Ensuite, l'utilisation de l’EC est étendue à la séparation et à la purification d’acides gras volatils issus de la fermentation acidogénique. Dans cette deuxième étude, les effets des paramètres opératoires sur l'efficacité et le coût de l’EC sont discutés. En outre, l’EC est utilisée pour la récolte de deux espèces de microalgues de leur milieu de culture. En ce qui concerne la récolte de Chlamydomonas reinhardtii, la méthodologie de la surface de réponse est utilisée et deux modèles permettant de prédire respectivement l'efficacité de la récupération et le coût opératoire sont développés. La récolte d’une autre espèce de microalgues, Chlorella vulgaris, est étudiée en utilisant l’EC respectivement en mode discontinu et continu. En mode discontinu, les effets des principaux paramètres de fonctionnement sur l'efficacité du processus sont expliqués et les mécanismes de récupération sont discutés. Dans l'étude en mode continu, la méthodologie de la surface de réponse est utilisée et un modèle permettant de prédire l’efficacité de récupération des microalgues est développé. Enfin, la comparaison des performances de l'EC en mode continu avec et sans échange de polarité aux performances de l'EC en mode discontinu est effectuée. / Electrocoagulation (EC) is a non-specific electrochemical method usually used for water and wastewater treatment. In this work, EC is firstly investigated as a conventional wastewater treatment technique for the removal of whey proteins from water, where the mechanisms of removal are explained and a model on whey proteins elimination is developed. Then, EC use is extended for the separation and purification of volatile fatty acids issued from acidogenic fermentation. In this second study, the effects of operating parameters on EC efficiency and cost are discussed. Moreover, EC is used for the harvesting of two microalgae species from their culture medium. In the study that concerns recovering Chlamydomonas reinhardtii, response surface methodology (RSM) is employed and two models for predicting recovery efficiency and operating cost are developed. The harvesting of the other microalgae species Chlorella vulgaris is studied using EC in the batch and continuous modes. In the batch mode, the effects of the main operating parameters on the process effectiveness are explained along with discussing the mechanisms of recovery. In the continuous mode study, response surface methodology (RSM) is applied and a model for predicting microalgae recovery is developed. Finally, comparison of EC performance in continuous mode with and without polarity exchange (PE) to EC performance in batch mode is carried out.

L’hétérogénéité de la zone non saturée joue un rôle important dans le transfert d’eau et de soluté car elle accentue à la fois le développement des zones de stockage temporelles et les écoulements préférentiels. Par conséquent, la validation des modèles prédictifs nécessite le développement des outils expérimentaux spécifiques afin d’observer et de quantifier les mécanismes de transport impliqués dans un système non saturé hétérogène. Cette thèse vise à étudier l’effet combiné de la vitesse d’infiltration, de la barrière capillaire et l’angle de la pente d’interface entre deux matériaux sur les processus de l’écoulement de l’eau et du transport de soluté dans un modèle physique, le lysimètre de laboratoire 1x1x1.6 m3, nommé LUGH (Lysimeter for Urban Groundwater Hydrology) et un modèle numérique 3D de ce lysimètre. Le lysimètre LUGH est rempli par un sable fin et un mélange bimodal (50 % sable fin et 50 % gravier) en deux configurations: un profil uniforme de matériau bimodal ou un profil avec deux couches avec une pente de 14o. Ces agencements figurent l’hétérogénéité structurale et texturale observée sur un des sites expérimentaux de l’OTHU (Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine) : le bassin d’infiltration d’eaux pluviales Django Reinhardt géré par la ville de Lyon (France). Le lysimètre est alimenté en eau et avec un traceur inerte (bromure de potassium, KBr) sur une partie de la surface par un système d’arrosage automatique. Les effluents ont été recueillis dans quinze sorties différentes en bas du lysimètre. La forte hétérogénéité des flux des sorties et des courbes de percée souligne la mise en place des écoulements préférentiels résultant à la fois de l’effet de barrière capillaire et de l’effet de fond du lysimètre. A partir des résultats expérimentaux, la modélisation numérique à l’aide de logiciel COMSOL MultiphysicsTM a permis de mieux comprendre les mécanismes responsables de ces transferts hétérogènes. Lorsque le modèle numérique validé, un test de sensibilité a été conduit pour étudier les effets de la vitesse d’infiltration et de la pente de l’interface sur l’écoulement. Les résultats montrent que la diminution de la vitesse d’infiltration ou l’augmentation de la pente de l’interface favorisent le développement des écoulements préférentiels. Notre étude a donné également des renseignements pertinents sur le couplage entre les processus hydrodynamiques et le transfert des solutés dans les sols non saturés hétérogènes en soulignant le rôle de la géométrie des interfaces ainsi que celui des conditions aux limites comme des facteurs clés pour la quantification des écoulements préférentiels. / The heterogeneity of the unsaturated zone plays an important role in the water and solutes transfer as it accentuates both the development of stagnant zones for water and preferential flow. Therefore, the validation of predictive models requires the development of specific experimental tools to observe and quantify the transport mechanisms involved in a heterogeneous unsaturated system. The aim of this thesis is to describe the combined effect of infiltration, capillary barrier and sloping layered soil on both flow and solute transport processes in a large physical model (1x1x1.6 m3) called LUGH (Lysimeter for Urban Groundwater Hydrology) and a 3D numerical flow model. Sand and a soil composed of a bimodal sand-gravel mixture were placed in the lysimeter represent one of the commun structural and textural elements of the heterogeneity observed in the vadose zone under an infiltration basin of Lyon (France). The soil was compacted in two configurations: a uniform profile and a profile with two layers having a slope of 14°. Water and an inert tracer (KBr) were injected from the top of the lysimeter using a specific water sprinkler system and collected at 15 different outlets at the bottom. The 15 breakthrough curves obtained presented high heterogeneity, emphasising the establishment of a preferential flow resulting from both capillary barrier and soil layer dip effects. Numerical modelling led to better understanding of the mechanisms responsible for these heterogeneous transfers and it was also used to perform a sensitivity analysis of the effects of water velocity (water and solute flux fed by the sprinkler) and the slope interface. The results show that decreasing velocity and increasing the slope of the interface can lead to the development of preferential flows. In addition, the offset of the centre of gravity of the flow distribution at the output increases linearly as a function of the slope angle of the layered soil. This paper allows coupling the hydrodynamic approach with the transfer of pollutants in unsaturated heterogeneous soil and highlighting preferential flow by flow modeling.

Depuis le début des années 2000, la station d’épuration n’est plus seulement perçue comme une installation industrielle traitant les eaux résiduaires urbaines afin d’en minimiser leurs impacts sur le milieu naturel, mais aussi comme un moyen de récupérer des ressources : eau, nutriments, énergie. Ce travail de thèse traite de cette dernière ressource, l’énergie. Comment tendre vers la station d’épuration auto-suffisante en énergie, voire encore productrice d’énergie sans en affecter l’efficacité de traitement? A l’aide d’une filière de traitement ancienne revisitée : le procédé A/B (Adsorption/Bio-oxydation), le bilan énergétique de la station peut tendre vers la neutralité en réduisant les demandes liées à l’aération et en optimisant la production de biogaz. Ce travail de doctorat se concentre principalement sur la méthanisation des boues issues de ce procédé A/B afin d’en connaître leurs caractéristiques et leur digestibilité, de les comparer avec la digestion anaérobie de boues davantage connues et enfin d’utiliser ces résultats pour dresser le bilan énergétique du procédé A/B, ceci à partir des données récoltées sur un pilote de 50 m3/j installé sur la station d’épuration de Kranji à Singapour. Les boues A et B présentent respectivement les productions spécifiques de méthane respectives de 290 et 135 LCH4/kgMVentrante en conditions mésophiles. Le procédé A/B avec ses deux étages de boues activées permet de capter un maximum de carbone en première étape de traitement pour le transférer directement en digestion. En effet, la production totale de boues provient à 90% des boues A et seulement à 10% des boues B ce qui porte à 95% la production de méthane attribuée aux boues A. Ces résultats induisent une production d’énergie supérieure par rapport à une filière de traitement conventionnelle avec un seul étage de boues activées. Par ailleurs, ce procédé permet de diminuer les besoins en aération pour le traitement des pollutions carbonée et azotée, tout en gardant les mêmes efficacités de traitement. Il est ainsi possible de conclure que la filière de traitement des eaux usées en procédé A/B présente un degré d’efficacité énergétique proche de 300% (ratio entre l’énergie électrique produite à partir du biogaz et la consommation énergétique liée à l’aération), ce qui représente 73% d’auto-suffisance énergétique globale en considérant le cas de la station de Kranji en boues activées conventionnelles traitant les pollutions en carbone et en azote. / Since the early 2000’s, wastewater treatment plants (WWTP) have not been only seen as a mean to reduce the impact of the harmful emissions towards water bodies but also as a way to recover the resources contained in the raw wastewater: water, nutrients and energy. This doctorate seeks to study the latter one. How to tend to the energy self-sufficient or even energy positive WWTP without altering its treatment efficiencies? Using an old wastewater treatment process: the A/B process (Adsorption/Bio-oxidation) and state-of-the-art technologies, the energy autarky of a WWTP can become a reality by reducing its electricity consumption related to the aeration and by optimizing its energy production through anaerobic digestion. This work mainly focuses on the anaerobic digestion of the sludge produced by the A/B process. It aims at evaluating their characteristics and digestibility and thus at comparing these to the ones of better-known sludge such as primary, secondary and mixed sludge from a conventional wastewater treatment system. Eventually, these results with the addition of data collected on a 50 m3/d A/B process pilot plant on the Water Reclamation Plant of Kranji, Singapore, are used to draw the energy balance of the A/B process and to try to make a comparison to conventional systems. The A/B process produces the A and B sludge which respectively show specific methane productions of 290 and 135 LCH4/kgVSintroduced in mesophilic anaerobic digestion and can be considered quite similar to primary and secondary sludge respectively from conventional WWTPs. With its two stages of activated sludge, this process enables the early entrapment of carbon to be directly transferred to the digesters. Indeed, 90% of the sludge production comes from the A sludge in matter of Volatile Solids, which brings to 95% the biogas production to be ascribed to this sludge. Hence, the A/B process does produce more energy than a conventional single-stage activated sludge. It also reduces the aeration demand for the biological treatment of the carbon and nitrogen pollutions whilst complying with the same treatment performances. Drawing the energy balance of the A/B process leads to the conclusions that this process presents an energy efficiency of 300% by comparing only the electrical needs for the aeration (40-70% of the whole plant demand) and the electricity production from biogas generation, which, at the end, represents an energy self-sufficiency of 73% considering the Kranji conventional water reclamation plant.

Les bassins de retenue des eaux pluviales sont utilisés pour préserver la qualité des eaux réceptrices par sédimentation pendant le temps de pluie. Cependant, les efficacités du bassins n'étaient pas satisfaisants en raison de la mal compréhension du processus de sédimentation. Afin de mieux comprendre ces processus dans des ouvrages in situ, cette thèse porte à la fois sur des expérimentations in situ et sur les modélisations de l'hydrodynamique et du transport particulaire dans les bassins de retenue pilotes et in situ. Cette recherche s’est appuyée en grande partie sur le bassin Django Reinhardt (BDR) à Chassieu (volume: 32000 m3, surface: 11000 m2) dans le cadre de l’OTHU et sur les données expérimentales obtenues par Dufresne (2008) et Vosswinkel et al. (2012). Les échantillons de sédiments ont été prélevés et leurs caractéristiques physiques ont été analysées en laboratoire dans le but de cerner leur distribution spatiale. Concernant la modélisation numérique, les simulations de l’hydrodynamique en régime permanent ont été réalisées à l'aide du logiciel CFD Fluent et ont été évaluées à partir de l’analyse de corrélation entre le comportement hydrodynamique du bassin et la distribution spatiale des caractéristiques physiques des sédiments. Les conditions limites sur le fond couramment utilisées et largement décrites dans la littérature ont été testées dans le but de représenter la distribution spatiale des sédiments et l’efficacité de décantation du BDR. Les conditions testées sont : i) contrainte de cisaillement critique ou bed shear stress – BSS et ii) énergie cinétique turbulente critique ou bed turbulent kinetic energy - BTKE. L’approche Euler-Lagrange dite « particle tracking » a été mise en œuvre. En raison de l'échec de prédiction des zones de dépôt à l’aide des conditions limites disponibles (BSS et BTKE), une nouvelle relation a été proposée pour estimer le seuil BTKE. La condition à la limite obtenue en utilisant cette nouvelle relation a été testée sur un bassin pilote (Dufresne, 2008) et sur le BDR en régime permanent. Les résultats obtenus n’étaient pas très satisfaisants concernant la prédiction des zones de dépôt et l’efficacité de décantation dans le bassin BDR, même en considérant une distribution granulométrique non uniforme. Afin de mieux prédire les zones de dépôt dans le BDR, une nouvelle méthode a été proposée en considérant le transport des particules, leur décantation et leur érosion en régime transitoire. Sur la base de la méthode proposée pour le transport des particules, la décantation et l'érosion en régime transitoire, plusieurs modélisations avec différentes conditions limites ont été réalisées dans un bassin de retenue pilote rectangulaire (Vosswinkel et al., 2012). Les prédictions des efficacités et des zones de dépôt en régime transitoire avec la méthode proposée sont satisfaisantes / Stormwater detention basins are used to preserve the quality of receiving waters by sedimentation during the wet weather. However, the removal efficiencies of basin were not satisfactory due to the not well understanding of the sedimentation processes. In order to further understand these processes in the real facilities, this thesis therefore focuses both on in situ experiments and modeling of the hydrodynamic and sediment transport in field detention basin and in small scale basin in laboratory. This research was supported by large part on the Django Reinhardt basin (DRB) in Chassieu within the OTHU program and the experimental data deriving from Dufresne (2008) and Vosswinkel et al. (2012). Samples of sediments accumulated in the basin were collected and their physical characteristics were analyzed in order to determine their spatial distribution. Concerning numerical modeling, the hydrodynamic simulations in steady state were performed using CFD software Fluent and were evaluated by the correlation analysis between the hydrodynamic behavior of DRB and the spatial distribution of the physical characteristics of sediments. The bed boundary conditions used in the literatures were tested in order to represent the spatial distribution of sediments and removal efficiency of DRB. The conditions tested were: i) critical bed shear stress - BSS and ii) critical bed turbulent kinetic energy - BTKE. Because of the failure prediction of DRB deposit zones with usual bed boundary conditions, a new relationship based on particle settling velocities has been proposed to estimate the BTKE threshold for the bed boundary condition. The proposed boundary condition was tested in a pilot basin (Dufresne, 2008) and the DRB using the Euler-Lagrange approach under steady flow conditions. The results were not very satisfactory regarding the DRB deposit zones, even considering non-uniform grain size. In order to better predict the deposit zones and settling efficiency in field detention basins, a new method has been proposed accounting for the sediment transport, settling and erosion under unsteady conditions. Based on this proposed method for representing the particle transport, settling and erosion processes under unsteady conditions, various simulations with different bed boundary conditions were carried out in a pilot rectangular basin (Vosswinkel et al., 2012). The predictions of removal efficiencies and deposition zones are satisfactory. Hence, taking into account transient effects on both hydrodynamics and sediment transport leads to drastically improve the spatial and temporal distributions of sediments in settling detention basins.

Les filtres plantés de roseaux à écoulement vertical (FPR-V) pour le traitement des eaux usées domestiques sont relativement bien développés en France et permettent de réaliser un traitement poussé de la matière carbonée et la nitrification. La robustesse de cette filière réside également dans sa capacité à accepter des surcharges hydrauliques en temps de pluie. Cependant ces limites d’acceptation hydraulique ne sont pas bien définies et demandent à être optimisées. La conception des FPR-V pour accepter des surcharges hydrauliques est un travail complexe car le contexte local affecte fortement les débits d’eau entrants dans la station lors d’un événement pluvieux. Dans de tels cas, la conception de filtres demande l’utilisation de modèles dynamiques. Ces modèles s’appuient le plus souvent sur une approche mécanistique et sont à l'origine conçus et utilisés pour la recherche. Cependant, si ces modèles sont des outils puissants pour décrire en détail la dynamique du FPR-V, ils sont généralement trop complexes à manipuler pour des utilisateurs non experts. Choisir entre une description détaillée et une manipulation facile dépendra des objectifs de modélisation. Quand des objectifs de dimensionnement global sont visés par les concepteurs, l'utilisation de modèles simplifiés semble une bonne alternative. Les modèles simplifiés sont faciles à utiliser pour la conception de FPR-V mais ils sont peu nombreux. Cependant ils sont adaptés à des configurations spécifiques liées au traitement des surverses de déversoirs d’orage, ce qui n’est pas le cas pour les FPR-V traitant des eaux usées domestiques. En effet, pour ce type de FPR-V les vitesses d’infiltration du système varient considérablement. En conséquence, ce travail de thèse a pour objectif de développer un modèle hydraulique simplifié des FPR-V qui permettra de guider les concepteurs dans le processus d’adaptation des FPR-V pour traiter les eaux usées domestiques des périodes de temps sec et de temps de pluie. Le modèle simplifié permet de relier (i) l’hydraulique du filtre, en simulant le temps de noyage à la surface, et (ii) les performances biologiques, en établissant des «alertes de dysfonctionnement », basées sur l'évaluation des performances épuratoires et sur les variations des formes azotées à la sortie du filtre mesurées en continu. Les «alertes de dysfonctionnement» représentent la charge hydraulique maximale qu'un filtre peut accepter sans compromettre son activité biologique. Le modèle simplifié a été utilisé pour la modélisation hydraulique du FPR-V à long terme (i) pour analyser l’impact du contexte local et la conception du filtre dans l’acceptation de surcharges hydrauliques. Grâce à cet analyse, (ii) on peut proposer les dimensionnements de FPR-V qui arrivent à mieux gérer l’acceptation des surcharges hydrauliques. / French vertical-flow constructed wetlands (VFCW) directly treating raw wastewater are known to perform well on for SS, COD and nitrification. They are also known to robustly cope with hydraulic overloads during rainfall events. Although numerous systems have been installed in areas equipped with a combined sewer, the limits of stormwater acceptance remain ill-defined and need to be improved. Looking at the various VFCW designs and usages reported in the literature, it is difficult to draw any consensus on their hydraulic limits. Consequently, designing VFCW to accept hydraulic overloads is a complex task, as local context strongly impacts inlet flows produced during rainfall events. Dynamic models appear a requisite for filter design in such cases. Numerical CW models have essentially focused on horizontal flow, with few attempting to study VFCW dynamics which are more commonly tackled via mechanistic models. Although mechanistic models are powerful tools for describing processes within the VFCW, they are generally too complicated to be readily used by designers. The choice between detailed description and easy handling will depend on the modelling aims. If the aim is a global design tool, simplified models offer a good alternative. However, the simplified models geared to studying VFCW dynamics are extremely reduced. They are easy-handling for design and well-adapted to specific purposes (combined sewer overflow -CSO- treatment) but not necessarily to VFCW treating combined sewer wastewater, where long-term infiltration rates vary significantly. Consequently, this PhD thesis work focused on developing a simplified hydraulic model of VFCW to guide designers through the process of adapting VFCW systems to treat domestic wastewater in both dry and rain events. The simplified model makes it possible to link (i) hydraulics, by simulation of ponding time variations, (ii) biological performances, by establishing “dysfunction alerts” based on treatment performance assessment and variations in online N forms effluent from the young VFCW. These “dysfunction alerts” plot the maximal hydraulic load that a filter can accept without compromising its biological activity. The simplified model was used to model long-term hydraulics in the VFCW (i) to analyze the impact of local context and filter design on hydraulic overload acceptance (using “dysfunction alerts” and bypass discharges) and (ii) to propose VFCW designs for accepting hydraulic overload in different contexts. The modelling demonstrates that VFCW can limit days with bypass discharges to less than 20 times per year without jeopardizing filter performances. Moreover, the most problematic scenario on stormwater treatment remains a watershed with high imperviousness coefficient and low slope under a Bretagne-type climate, demonstrating that the filter is more sensitive to periodicity and duration than to intensity of rainfall events.

L’objectif de ce travail est d’une part (i) étudier le comportement de la biomasse notamment la production d’EPS en présence des composés pharmaceutiques (un agent anticancéreux et cinq antibiotiques); et d’autre part, (ii) étudier les EPS dans le contexte de décantation des boues en présence d’agents fongiques et en situations réelles dans des stations d’épuration. L’étude en présence de l’agent anticancéreux a été réalisée dans des bioréacteurs à membranes. La présence de l’agent anticancéreux a induit l’augmentation de la production d’EPS agissant comme un mécanisme de protection microbienne qui était à l’origine du colmatage des membranes. L’effet de cinq antibiotiques a été évalué en réacteur batch. La famille des macrolides a montré un effet plus important sur l’activité microbienne avec une augmentation significative de la production d’EPS associée à un mécanisme de protection. La décantation des boues en présence des cultures fongiques a été conduite en réacteur pilote. Une amélioration spectaculaire de la décantation a été liée à une meilleure cohésion au sein des flocs imputable en grand partie à l’augmentation de la production d’EPS. Enfin, le diagnostic du procédé de traitement des eaux a été établi sur trois stations d’épuration des papeteries grâce à une double approche d’une part l’analyse physico-chimique des boues et d’autre part, l’exploitation statistique d’analyse en composantes principales (ACP) des paramètres technologiques enregistrées dans chaque station. Nous avons tenté d’exprimer sous forme de régressions linéaires ou polynomiales de deuxième degré, la décantation en fonction d’une quantité réduite des paramètres mesurés / The objective of this work is firstly, i) to study the microbial behaviour of the biomass especially the production of the EPS in the presence of pharmaceutical compounds (an anticancer product and five antibiotics); and secondly, ii) to study EPS in the context of the sludge settling in wastewater treatment plants. The study in the presence of the anticancer product was done in membrane bioreactors. The presence of the anticancer product provoked the production of the EPS as the protection mechanism which is at the origin of the membrane fouling.The effect of five antibiotics was evaluated in batch reactors. The family of macrolides showed the most important effect on the microbial activity with a significant increase of the EPS production which was associated with a protection mechanism.Sludge settling in the presence of fungi was carried out in a pilot reactor. The spectacularly improvement of the sludge settleability was related with a better cohesion inside of the flocs attributed to an increase of the EPS production.Finally, the diagnosis of different wastewater treatment processes was established in three paper mill wastewater treatment plants thanks to the double approach used here, the physico-chemical analysis of the sludge and the statistical analysis by principal components analysis of the different parameters recorded in each plant. We tried to describe the parameter related to the settling behaviour by linear or polynomial regressions of second degree in function of a reduced number of the measured parameters

La forte augmentation de la population mondiale entraîne une demande croissante en eau potable. La production d'eau potable est accompagnée par la génération de résidus du traitement de l'eau dont la boue d'aluminium qui est donc largement disponible mondialement. Ce travail se concentre sur l'identification des différentes voies de valorisation des boues d'aluminium afin de les réutiliser dans le domaine de l’environnement. Deux sources de boues d'aluminium, collectées en France et en Irlande, ont été étudiées dans divers domaines d’application en fonction de leurs caractéristiques. Tout d'abord, les boues d'aluminium ont été utilisées en remplacement d’une partie de l'argile dans la fabrication des briques, en incorporant différents pourcentages de boues d'aluminium et à différentes températures. Les briques résultantes ont été caractérisées et les résultats ont montré que les briques composées de boues d'aluminium et d'argile sont conformes aux « normes européennes et irlandaises » et démontrent ainsi le potentiel pour une application industrielle des boues d'aluminium dans la fabrication de briques en terre cuite irlandaises. Dans un second temps, les boues d’aluminium ont été utilisées comme adsorbant des polluants présents dans l’agriculture. Le glyphosate est un ingrédient actif dans les pesticides utilisés massivement dans l'agriculture irlandaise et représente une problématique environnementale. La boue d’aluminium et la tourbe irlandaise ont été comparées pour l’élimination du glyphosate lors de tests en pot à l’échelle laboratoire. Les résultats ont montré que la boue d’aluminium permet d’éliminer le glyphosate à plus de 99% et réduire les niveaux de DCO. Cet aspect scientifique a permis d’être dans la sélection des adsorbants possibles pour le traitement des eaux usées agricoles en Irlande. Le co-conditionnement et la déshydratation des boues de station d’épuration avec des boues d’aluminium liquides ont également été étudiés. Pour cela, le Jar test a été effectué sur des boues issues d’une station de traitement des eaux française. Les résultats ont montré que le rapport optimal de mélange des boues est de 1:1 (boues d’épuration : boues d’aluminium). Ainsi, la quantité de polymère utilisée peut être diminuée de 14 fois par rapport aux technologies actuelles. Cette approche a permis de montrer la possible valorisation des boues d’aluminium comme un moyen durable et technique permettant ainsi l’élimination des boues localement pour une même station de traitement des eaux. Une autre voie de valorisation des boues d’aluminium comme adsorbant pour la purification des gaz a été étudiée lors d’expériences d’adsorption de H2S dans un réacteur à lit fixe dans différentes conditions expérimentales. Les données expérimentales d’adsorption du H2S ont été modélisées à l'aide de modèles empiriques basés sur la cinétique des processus d'adsorption. Les résultats ont montré que les boues d'aluminium sont un adsorbant efficace pour l'élimination du H2S (capacité de 374,2 mg H2S / g solide) et que des mécanismes mis en jeu sont l'adsorption dissociative et l'oxydation. Les coefficients de transfert de masse globaux ont également été calculés et pouvant ainsi être utilisés pour la prédiction. Enfin, les gâteaux de boues d'aluminium ont été réutilisés pour la purification simultanée d’H2S et le traitement des eaux usées. Les résultats ont montré la capacité de cet adsorbant pour éliminer tout le H2S présent avec une grande efficacité d’élimination de la DCO, TN et TP. Ainsi, il a été démontré la valorisation des boues d’aluminium en tant qu’adsorbant pour une purification du H2S simultanée avec le traitement des eaux usées. / The production of drinking water always accompanied by the generation of water treatment residues (WTRs). Alum sludge is one of the WTRs, it is an easily, locally and largely available by-product worldwide. This work focuses on the identification of different ways to valorize the alum sludge for environmentally friendly reuse. Two alum sludges collected from France and Ireland have been reused in various fields as a function of their characteristics. Firstly, alum sludge was used as a partial replacement for clay in brick making, by incorporating different percentages of alum sludge and calcined at different temperatures (range from 800 to 1200 °C). The resultant bricks were tested for compression, Loss on Ignition, water absorption, appearance, etc. Results show that alum sludge-clay bricks have met the “European and Irish Standards” and demonstrated the huge industrial application potential for alum sludge in Irish clay brick manufacturing. Glyphosate is an active ingredient in pesticide which is massive employed in agriculture. Alum sludge and Irish peat were compared for glyphosate removal in pot tests, results show that alum sludge present significant glyphosate removal capacity (>99 %) and could reduce the level of Chemical Oxygen Demand (COD). It provided a scientific clue for sorbents selection when considering the agricultural wastewater treatment in Ireland and to maximize their value in practice. The co-conditioning and dewatering of sewerage sludge with liquid alum sludge was also investigated in Jar-test based on the case analysis of a water industry in France. Results show that the optimal sludge mix ratio is 1:1, the use of the alum sludge has been shown to beneficially enhance the dewaterability of the resultant mixed sludge, and highlighting a huge polymer saving (14 times less than the current technologies) and provided a sustainable and technical sludge disposal route for the local water industry. The use of alum sludge as a sorbent for gas purification was studied by H2S adsorption experiments in a fixed-bed reactor with various operating parameters. The experimental breakthrough data were modeled with empirical models based on adsorption kinetics. Results show that alum sludge is an efficient sorbent for H2S removal (capacity of 374.2 mg/g) and the mechanisms including dissociative adsorption and oxidation were proposed. Moreover, the overall mass transfer coefficients were calculated which could be used for the process scaling up. Finally, alum sludge cakes were reused in the novel aerated alum sludge constructed wetland (CW), which were designed for simultaneous H2S purification and wastewater treatment. Results show that H2S was completely removed in the six months’ trials, while the high removal efficiencies of COD, total nitrogen (TN), total phosphates (TP) were achieved. Thus, a novel eco-friendly CW for simultaneous H2S purification and wastewater treatment was developed. In the different approaches and process considered, in particular it was put in investigating and describing the mechanisms involved. Overall, this work demonstrated alum sludge could be a promising by- product for various novel beneficial reuse rather than landfilling and provided a “Circular Economy” approach for WTRs management.