Ce travail de recherche s'intègre dans un projet de développement d'un procédé de traitement des effluents par séparation magnétique s'inscrivant dans une démarche d'écoconception. Pour ce faire, nous avons préparé des billes d'alginate encapsulant des nanoparticules magnétiques et du charbon actif. Les matériaux composant ces billes possèdent des propriétés adsorbantes permettant l'extraction de polluants ; leurs propriétés magnétiques permettent de les séparer magnétiquement de l'effluent à traiter. La formulation et la caractérisation des billes magnétiques est le point essentiel de ce travail. Différentes formulations ont été testées en modifiant les quantités de matériaux précurseurs ainsi que le mode de réticulation de l'alginate. Les capacités d'adsorption des billes vis-à-vis de deux colorants utilisés comme modèles de polluant organique, le bleu de méthylène et le méthyl orange, ont été étudiées. La modélisation des isothermes d'adsorption a permis également de comprendre les mécanismes mis en jeu. Les cinétiques d'adsorption ont également été étudiées et modélisées.

Ce travail a pour cadre l'étude de la récupération des métaux précieux complexes en solution grâce a du charbon actif. Il a permis de comprendre les mécanismes fondamentaux de l'adsorption dans un système modèle constitue d'une solution d'ion dicyanoaurate et de charbon actif. Les interactions entre cette solution et le solide ont été caractérisées par diverses techniques: la pHmétrie, la titrimétrie, la zetamétrie, la potentiométrie et la thermodésorption. Ces méthodes ont permis d'avoir des renseignements sur la nature des groupements fonctionnels à la surface du charbon, groupements constituant les sites responsables de l'adsorption des complexes. De même par une méthode de traitement originale gaz-liquide-solide, nous avons modifié la nature de ces sites et leur répartition à la surface du charbon, ce qui a permis d'améliorer la capacité d'adsorption du charbon. Cette modification dépend de la nature et de la pression du gaz utilise. L'étude thermodynamique a montré que l'adsorption de l'ion dicyanoaurate sur le charbon peut être représentée assez correctement par l'équation de Langmuir généralisée à plusieurs types de sites. L'adsorption s'effectue de façon plutôt localisée, avec interaction sur des sites d'énergie différente. La vitesse d'adsorption de l'ion dicyanoaurate sur le charbon actif a été étudiée en fonction de plusieurs paramètres physico-chimiques: la température, les conditions hydrodynamiques comme la vitesse d'agitation et le rapport solide/liquide, la concentration initiale en complexe, la nature des substances étrangères, et la nature du gaz en contact avec la solution. Le mécanisme d'adsorption se déroule en trois étapes. La réaction limitante est la diffusion à travers un film pendant le début de la réaction, puis la diffusion-adsorption dans la structure poreuse au voisinage de l'équilibre.

Face à la pollution persistante des eaux naturelles par les pesticides, le charbon actif en grain (CAG) représente une réelle possibilité de traitement, de plus en plus souvent mis en œuvre en potabilisation. L'efficacité de ce traitement dépend des équilibres et des cinétiques d'adsorption, de l'hydrodynamique du réacteur et de la compétition avec la matière organique naturelle contenue dans les eaux brutes destinées à la potabilisation. Dans ce cadre, l'objectif de cette recherche est double : élaborer un protocole d'acquisition des paramètres d'équilibre et de cinétique d'adsorption compétitive et concevoir un logiciel de simulation de l'adsorption sur lit de CAG. L'approche théorique s'appuie sur : (1) le modèle de la diffusion de surface homogène (HSDM) qui prend en compte le coefficient de transfert de masse externe (kf) et le coefficient de diffusion superficielle (Ds) pour modéliser la cinétique d'adsorption, (2) la théorie de la solution adsorbée idéale (IAST) pour modéliser la compétition et (3) l'introduction d'un composé fictif (EBC) qui représente la matière organique naturelle. Le travail expérimental consiste d'une part à réaliser des isothermes d'adsorption sur l'eau ultra pure, l'eau réelle et l'eau réelle diluée par de l'eau ultra pure afin d'obtenir les paramètres d'équilibre. D'autre part, des cinétiques d'adsorption, effectuées sur colonne différentielle d'adsorption (DCBR), permettent d'acquérir les coefficients de diffusion superficielle. Les programmes de simulation ont été conçus, écrits et validés sur plusieurs résultats issus de la littérature. Ces programmes ont ensuite été impliqués dans le protocole global de simulation du filtre de charbon actif en grain réel. Pour une eau naturelle, ce protocole a été mis en œuvre sur trois pesticides et deux charbons actifs en grain.

Au cours des dernières années, la production excédentaire et sans cesse croissante de bioglycérol a provoqué une chute spectaculaire de son prix. Au cours des dernières années, un grand nombre de processus chimiques et biologiques ont été élaborés pour transformer le bioglycérol en divers produits à haute valeur ajoutée, tels que la dihydroxyacétone, l'acide glycolique, le 1,3-propanediol (1,3-PDO), 1,2-propanediol (1,2-PDO), l'acide glycérique, l'acide lactique, le carbonate de glycérol etc. Malheureusement, ces procédés souffrent de nombreux inconvénients comme par exemple, un coût élevé de production. Par conséquent, dans cette étude, une synthèse simple et robuste, basée sur un processus électrochimique a été introduite afin de convertir le bioglycérol en une grande variété de composés à haute valeur ajoutée. Cette étude rapporte pour la première fois l'utilisation de la résine Amberlyst-15 comme milieu réactionnel et comme catalyseur d'oxydo-réduction pour la conversion électrochimique du glycérol. La performance électrochimique du système composé par la résine Amberlyst-15 et l’électrode au platine (Pt), a été comparée à celle utilisant un milieu électrolytique conventionnel acide (H2SO4) ou alcalin (NaOH). D'autres paramètres tels que la température de réaction (température ambiante à 80 °C) et l’intensité du courant appliqué (1,0 A à 3,0 A) ont également été examinés. Dans les conditions expérimentales optimales, ce nouveau procédé électrocatalytique permet de convertir le glycérol, soit en acide glycolique, avec un rendement de 45% et une sélectivité élevée de 65%, soit en acide glycérique, avec un rendement de 27% et une sélectivité de 38%. D’autre part, deux autres électrodes ont été préparées et testées dans la réaction de transformation du glycérol : une électrode au charbon actif (ACC) et une électrode composite au noir de carbone et diamant CBD). A notre connaissance, il n’existe pas dans la littérature d’étude de transformation électrochimique du glycérol utilisant ce type d’électrodes. Dans ce travail, nous avons montré que le glycérol peut être oxydé en divers composés d’oxydation mais peut également être réduit avec succès en acide lactique,1,2-PDO et 1,3-PDO. Trois paramètres de fonctionnement, tels que la quantité de catalyseur (6.4 -12.8% w/v), la température de réaction [température ambiante (27°C) à 80 °C] et l’intensité du courant appliqué (1,0 A à 3,0 A), ont été testés. L'étude a révélé que, pour une quantité de catalyseur 9.6% w/v Amberlyst-15, un courant de 2,0 A et une température de 80 °C, la sélectivité en acide glycolique peut atteindre jusqu'à 72% et 68% (avec un rendement de 66% et 58%) en utilisant respectivement l’électrode ACC et l’électrode CBD. L'acide lactique a aussi été obtenu avec une sélectivité de 16% et un rendement de 15% en utilisant l’électrode ACC et une sélectivité de 27% pour un rendement de 21% dans le cas de l'électrode CBD. Enfin, l'électrooxydation et l'électro-réduction du glycérol a été effectuée dans une cellule à deux compartiments séparés par une membrane échangeuse de cations (Nafion 117). L’étude s’est focalisée sur l’électro-réduction. Trois cathodes (Pt, ACC et CDB) ont été évaluées dans les conditions suivantes : 2.0 A, 80 °C et 9.6% w/v Amberlyst-15. Les trois électrodes ont permis de réduire le glycérol en 1,2-PDO. Nous avons obtenu une sélectivité de 61% avec l’électrode au Pt et une sélectivité de 68% avec L’électrode CBD. En fait, c’est l’électrode ACC qui a démontré les meilleures performances puisqu’elle a permis de réduire le glycérol en 1,2-PDO avec une sélectivité élevée de 85%. Enfin, la réaction conduit aussi à la formation d’acétol et de diéthylèneglycol. Les mécanismes de formation des différents produits obtenus à partir de chaque réaction sont proposés. / The price of crude glycerol has significantly decreased worldwide because of its oversupply. Many chemical and biological processes have been proposed to transform glycerol into numerous value-added products, such as glycolic acid, 1,3-propanediol (1,3-PDO), 1,2-propanediol (1,2-PDO), glyceric acid, and lactic acid. However, these processes suffer from several drawbacks, including high production cost. Therefore, in this study, a simple and robust electrochemical synthesiswas developed to convert glycerol into various value-added compounds. This study reports for the first time the use of Amberlyst-15 as a reaction mediumand redox catalyst for electrochemical conversion of glycerol. In the first part, the electrochemical performance of Amberlyst-15 over platinum (Pt)electrode was compared with that of conventional acidic (H2SO4) and alkaline (NaOH) media. Other parameters such as reaction temperature [room temperature (27°C) to 80 °C] and applied current (1.0 A to 3.0 A) were also examined. Under the optimized experimental condition, this novel electrocatalytic method successfully converted glycerol into glycolic acid after 8 h of electrolysis, with a yield of 45% and selectivity of 65%, as well as to glyceric acid after 3 h of electrolysis, with a yield of 27% and selectivity of 38%. In the second part of this study, two types of cathode electrodes, namely, activated carbon composite(ACC) and carbon black diamond (CBD) electrodes, were used in electrochemical conversion of glycerol. To the best of our knowledge, electrochemical studies of glycerol conversion using these electrodes have not been reported yet. Glycerol was also successfully reduced to lactic acid, 1,2-PDO, and 1,3-PDO, in addition to oxidation compounds (e.g. glycolic acid). Three operating parameters, namely, catalyst amount (6.4% to 12.8% w/v), reaction temperature [room temperature (27 °C) to 80 °C], and applied current (1.0 A to 3.0 A), were tested. In the presence of 9.6% w/v Amberlyst-15 at 2.0 A and 80 °C, the selectivity of glycolic acid can reach 72% and 68% (with yield of 66% and 58%) for ACC and CBD electrodes, respectively. Lactic acid was obtained as the second largest compound, withselectivity of 16% and yield of 15% for the ACC electrode and 27% selectivity and 21% yield for the CBD electrode. Finally, electro-oxidation and electroreduction of glycerol were performed in a two-compartment cell separated by a cation exchange membrane (Nafion 117). This study only focused on the electroreduction region. Three cathode electrodes (Pt, ACC, and CBD) were evaluated under the following conditions: 2.0 A, 80 °C, and 9.6% w/v Amberlyst-15. ACC demonstrated excellent performance in the electroreduction study and successfully reduced glycerol to 1,2-PDO, with a high selectivity of 85%. The selectivity of 1,2-PDO on Pt and CBD was 61% and 68%, respectively. Acetol and diethylene glycol were also obtained. The reaction mechanisms underlying the formation of these products are then proposed.

Les vapeurs de composés organiques volatils (COV) représentent un risque chimique pour les travailleurs. Les cartouches de protection respiratoires sont un moyen efficace contre les expositions à ces vapeurs. L’objectif de cette thèse est la modélisation de l’exposition des cartouches dans les situations complexes : présence d'un mélange de vapeurs et cycle d’utilisation, à partir d’une étude expérimentale basée sur l’adsorption dynamique sur colonne. Suite à la contribution de R. Chauveau (thèse UL – 24/11/2014) la présente thèse poursuit l’étude sur la modélisation de l’adsorption des mélanges de vapeurs. Des expositions à des mélanges de COV et une étude cinétique par la méthode chromatographique perturbative ont été effectuées. Le deuxième volet est consacré à la modélisation d’un cycle d’utilisation en 3 étapes (exposition - stockage – réutilisation), pour 6 COV : acétone, acétonitrile, 2-butanone, cyclohexane, dichlorométhane et éthanol. Les temps de claquage ont pu être prédits correctement pour les mélanges acétone/éthanol et cyclohexane/heptane. Une déviation est observée pour le mélange éthanol/cyclohexane car l’équilibre d’adsorption n’a pu être reproduit avec précision par les modèles et parce que la présence d’une covapeur influe grandement sur les cinétiques d’adsorption en mélange. Les travaux ont révélé des failles dans l’approche préventive consistant à assimiler une exposition de mélanges à une exposition à celle du composé le plus volatil en lui affectant la concentration totale du mélange. En ce qui concerne les risques liés à une réutilisation des cartouches, des percées immédiatement après réutilisation (IBUR) ont été observées expérimentalement. Ce comportement a pu être décrit par un modèle de diffusion statique. Le risque d’IBUR est élevé pour les COV diffusant rapidement : l’acétonitrile, l’acétone et le dichlorométhane. Une évaluation est proposée pour distinguer les propriétés du système qui influencent l’apparition de l’IBUR / Volatile organic compounds (VOC) represent a chemical risk for workers. Respiratory protective cartridges are effective equipment against vapours exposure. The objective of the present PhD thesis is the modelling of cartridge exposure in more complex situations: presence of vapours mixture and reuse cycle, from a dynamic adsorption experimental study in column bed. Further to the contribution of R. Chauveau (PhD thesis -24/11/2014), the present manuscript extends the study vapours mixtures adsorption on activated carbon. The second section is devoted to model a cycle use in 3 steps (exposure - storage – reuse), for 6 VOC: acetone, acetonitrile, 2-butanone, cyclohexane, dichloromethane and ethanol. VOC mixtures exposure and kinetic study by the method of perturbative chromatography have been carried out. The service life is correctly predicted for acetone/ethanol and cyclohexane/heptane mixtures. A deviation has been observed for ethanol/cyclohexane mixture because the adsorption equilibrium has not been accurately reproduced by model. These works have also pointed out inconsistency in the preventive approach which assimilates a mixture exposure to single vapour exposure by the most volatile compound at concentration the sum of that of all components of the mixture. Regarding the risks related to cartridge reuse, immediate breakthrough upon reuse (IBUR) has been experimentally recorded. This behaviour can be described by a static diffusion model. The mass transfer in the particle by surface diffusion is the main reason. The risk of IBUR is higher for fast diffusing VOC: acetonitrile, acetone and dichloromethane. An assessment is suggested in order to distinguish the properties of the system which can influence the occurrence of IBUR

Les procédés membranaires hybrides (PMH) allient la filtration membranaire basse pression à l’usage du charbon actif en poudre (CAP). Afin de diminuer les coûts opérationnels du procédé, il a été proposé de laisser vieillir le CAP dans le PMH et donc de minimiser le dosage de CAP frais. Peu d’information est disponible quant à la capacité résiduelle d’adsorption de suspensions de CAP âgées. L’importance relative de l’adsorption et de la biodégradation dans les réacteurs à CAP âgés sur le traitement des composés dissous est inconnue, ce qui empêche notamment l’optimisation du procédé. <p><p>Le principal objectif de ce projet de recherche est de décrire la performance du contacteur à CAP du PMH pour l’enlèvement de l’azote ammoniacal, du carbone organique dissous (COD), du COD biodégradable (CODB) et des micropolluants. Dans ce projet, l’emphase est placée sur l’opération du PMH avec de hauts temps de rétention de CAP. <p><p>La première phase de ce projet a consisté en une série de développements méthodologiques, base nécessaire à l’étude du CAP âgé. Des méthodes permettant la quantification de la biomasse hétérotrophe et nitrifiante colonisant le CAP âgé ont mis en évidence des densités de biomasse similaires à celle du charbon actif en grain en surface de filtre biologiques. L’irradiation aux rayons gamma a été démontrée comme une méthode adéquate pour produire des témoins abiotiques à partir de CAP de 10 et de 60 jours.<p><p>La seconde partie de cette étude s’est concentrée sur la démonstration de l’efficacité du PMH pour l’enlèvement de l’azote ammoniacal, du COD, ainsi que d’un mélange de micropolluants. Les cinétiques d’enlèvements ayant lieu au sein de des contacteurs à CAP ont été simulées en laboratoire sous diverses conditions (température, concentration en CAP, âge de CAP, matrice d’eau variable, temps de contact). Deux modèles cinétiques prédisant l’enlèvement de l’azote ammoniacal et du COD dans le PMH ont été développés sur base des simulations en laboratoire suivies sur CAP neuf, colonisé et abiotique. <p><p>De manière générale, les travaux réalisés au cours de ce doctorat ont mis en évidence le rôle majeur de l’adsorption résiduelle sur l’enlèvement de la contamination dissoute. Alors que l’enlèvement d’azote ammoniacal a majoritairement eu lieu par nitrification, le COD et les micropollutants sont principalement adsorbés sur le CAP colonisé. Il a aussi été montré que la capacité d’adsorption résiduelle des suspensions de CAP âgées peut agir en tampon, permettant de faire face à une augmentation soudaine de la concentration en azote ammoniacal, en COD ou en micropolluants. Le suivi des cinétiques d’enlèvement a permis de démontrer que la concentration, l’âge de CAP et le temps de rétention hydraulique (TRH) sont trois paramètres clefs pour l’optimisation du procédé. D’un point de vue économique, un TRH inférieur à 15 min est néanmoins désiré pour limiter les coûts du procédé. Par ailleurs, l’intérêt économique associé à l’augmentation de l’âge du CAP peut-être atténué par le besoin d’augmenter la concentration en CAP si l’adsorption est le mécanisme visé. De façon générale, ce projet démontre qu’une optimisation à l’échelle pilote du procédé est nécessaire car les objectifs de traitement, la qualité de l’eau à traiter et le fait que les 3 paramètres d’opération soient inter-reliés complexifient l’optimisation du PMH. Étant donné l’impact du TRH sur le coût du PMH, de futures recherches devraient viser à l’optimisation du mélange. <p>Hybrid membrane processes (HMPs) couple membrane filtration with powdered activated carbon (PAC). In HMPs, low-pressure membranes ensure an efficient particle removal, including protozoan parasites such as Cryptosporidium, while the PAC contactor is devoted to the removal of dissolved compounds. Such processes are emerging as a promising alternative to conventional treatment chains, which no longer allow the drinking water facilities to comply with increasingly stringent regulations on the treated water quality. To decrease the operating costs associated with virgin PAC consumption, it was suggested to let the PAC age in the PAC contactor of the process. Until now, the potential of using aged PAC in HMPs has been demonstrated for ammonia and DOC removal, but the potential to remove micropollutants remains unknown. It is suggested that the biological activity in aged PAC contactors contributes significantly to the removal of the dissolved compounds. Yet, neither the extent of the biomass on the aged PAC, nor the residual adsorption capacity, was quantified. No study focused on discriminating the mechanisms responsible for the treatment when using aged PAC suspensions. Most of the data published on HMPs using aged PAC were gathered at pilot scale under warm water conditions, yet the efficiency of the process is most likely sensitive to temperature changes. There is currently little information available on the efficiency of HMPs under cold water conditions. This lack of information hinders the optimization of the HMP, leading to sub-optimal usage of aged PAC.<p><p>The main objective of this research project is to describe the performance of the PAC contactor of HMPs in removing ammonia, dissolved organic carbon (DOC), biodegradable DOC (BDOC) and micropollutants. In particular, emphasis was placed on the operation of the HMP under high PAC residence times. On a more detailed level, the objectives of this project were (1) to develop and compare methods to quantify the biomass developed on aged PAC, (2) to develop a method to produce an abiotic control for aged PAC, (3) to characterize the removal kinetics of ammonia, DOC, BDOC and micropollutants occurring in the carbon contactor of an HMP, (4) to evaluate the impact of water temperature on the performance of the carbon contactor of an HMP, (5) to discriminate the relative importance of adsorption versus biological oxidation as mechanisms responsible for ammonia, DOC and micropollutants removal in the PAC contactor of an HMP, and finally (6) to differentiate the relative importance of the hydraulic retention time (HRT), the PAC age and the PAC concentration as key operating parameters on the optimization of the performance of the PAC contactor of an HMP.<p><p><p>To set the basis on the study of aged PACs, the first part of this research project consisted in methodological developments i) to quantify the heterotrophic and nitrifying biomass colonizing aged PAC, and ii) to create a reliable abiotic control of the colonized PAC, which is required for discriminating the mechanisms occurring on aged PAC. Heterotrophic and nitrifying biomass quantifying methods developed for colonized granular activated carbon (GAC) were successfully adapted to the aged PAC. The preferred methods were the potential 14C-glucose respiration (PGR) rate and the potential nitrifying activity (PNA), as they quantify the active heterotrophic and nitrifying biomass, which is most likely responsible for the depletion of BDOC and ammonia. An alternative method to the PGR, the potential acetate uptake (PAU) rate, was developed to alleviate the logistical and budgetary issues associated with the utilization of radio-labeled glucose. The densities (per gram of dry PAC) of both active heterotrophic and nitrifying biomasses were found comparable to that of the GAC sampled from the surface of a biological GAC filter. The gamma-irradiation was demonstrated as a reliable method to produce abiotic samples from soils, and was therefore chosen to produce abiotic colonized PAC samples in this project. In order to determine the optimized dosage of gamma-rays, increased doses were applied on PAC samples. Heterotrophic plate counts and methylene blue adsorption kinetics were used to determine respectively the lowest gamma ray dose required to inhibit the bacterial activity, and the highest dose that could be applied without affecting the aged PAC adsorption capacity and kinetics. Refractory DOC (RDOC) adsorption kinetics confirmed the accuracy of the dose chosen as the adsorptive behavior of the aged PAC was not affected. PGR rates were decreased 83% at the optimized dose. The gamma-irradiation method was therefore proven efficient and used in the following work phases of this research.<p><p>The second part of this study focused on the removal of ammonia, DOC and a mixture of micropollutants. Firstly, the PAC contactor of an HMP was simulated at lab-scale to monitor ammonia removal kinetics. Three PAC concentrations (approximately 1-5-10 g/L) of three PAC ages (0-10-60 days) were tested at two temperatures (7-22°C), in settled water with ambient influent condition (100 µg N–NH4/L) as well as under a simulated peak pollution scenario (1000 µg N–NH4/L). The kinetics evidenced that ammonia flux at pilot scale limited biomass growth (HRT = 67 min). In contrast, PAC colonization was not limited by the available surface and thus, PAC concentration was not a key operating parameter under the colonizing conditions tested (5-10 g/L). Ammonia adsorption was significant onto virgin PAC but the ammonia nitrification was crucial to reach complete ammonia removal at 22°C. When using colonized PAC, the 60-d PAC offered a better resilience to temperature decreases (78% at 7°C) as well as lower operating costs than the 10-d PAC (<10% at 7°C). Significant ammonia adsorption was also evidenced on 60-d PAC suspension, most probably due to PAC and the presence of suspended solids, but not on 10-d PAC. Adsorption and nitrifying activity were superior on 60-d PAC than on 10-d PAC at 7°C. In case of peak pollution, the process was most probably phosphate-limited but a mixed adsorption/nitrification still allowed 50% ammonia removal on 10-d and 60-d PAC at 22°C. A kinetics based model was developed to predict ammonia removals and to determine the relative importance of the adsorption and nitrification on colonized PAC under the conditions tested. <p><p>DOC, BDOC and RDOC removals occurring in the PAC contactor of an HMP were also simulated at lab-scale. Similar conditions to that of the ammonia removal kinetics were tested. The initial ammonia concentration remained untouched in the water matrices (settled water and raw water) but the BDOC-to-DOC ratio was altered by pre-ozonation (0 to 1.5 g O3/g C). The 10-d and 60-d abiotic controls were used to discriminate DOC adsorption from biodegradation. DOC biodegradation contributed marginally to DOC removal in the investigated conditions and DOC adsorption was increased at higher temperature. An original model integrating the PAC age distribution was developed to predict DOC removal in aged PAC contactors operated at steady-state. At a mean PAC residence time of 60-d, the younger PAC fraction (25-d and less) was primarily responsible for DOC adsorption (> 80%). This fraction represents 34% of the mass of PAC in the contactor. When using a water matrix with a higher initial DOC concentration (raw water) or a lower affinity for PAC (pre-ozonated settled water), the residual adsorption capacity of that older fraction was proven useful. <p><p>Lastly, a mixture of micropollutants (atrazine, deethylatrazine (DEA), linuron, microcystin, caffeine, carbamazepine, sulfamethoxazole, diclofenac, progesterone and medroxyprogesterone) was spiked at environmentally relevant concentrations (from 130 ng/L to 33 µg/L) in settled water (0 and 0.85 gO3/gC). The micropollutants concentration depletion was monitored over a period of 7h to 48 h on 1 g/L of 0-d, 10-d, 60-d PAC and gamma-irradiated 60-d PAC. Even in presence of NOM, the spiked micropollutants were rapidly adsorbed on aged PAC. No biodegradation was observed. Removals superior to 95% were reached within 5 minutes, and direct competition with NOM did not impact the efficiency of the process when micropollutants were spiked at environmentally relevant concentrations. Therefore, HMPs operated to remove DOC and ammonia can control transient micropollutant pollution and comply with the World health Organization recommendations for atrazine (2 µg/L) and microcystin (1 µg/L). However, the stricter European regulations for atrazine and DEA (0.1 µg/L) could not be met with 10-d and 60-d PAC under the operating conditions tested. Reaching such strict treatment objective would require a specific optimization of the process. <p><p>In general, this PhD research evidenced the role of the residual adsorption of aged PAC suspensions for the treatment of dissolved compounds. From the results obtained in this project, the potential of HMPs using aged PAC to remove micropollutants was evidenced. Additional research is however required to validate this potential under varied operating conditions. The modeling work improved the understanding of aged PACs. Finally, this research work provides original information on the optimization of HMPs. The optimization of the operating parameters will vary with the water quality targeted and the quality of the influent water. The PAC concentration, PAC age and HRT are inter-related. Therefore, it is recommended to optimize the operation of HMPs at pilot scale. Seasonal variations should be accounted for. An HRT of at least 15 min is required when the biological activity is mandatory to reach the water quality objectives. Lower HRT might be applied if adsorption is favored. Finally, as the HRT has a strong impact on the total cost of the process (capital and operational expenditure), PAC contactors’ hydraulic should be the point of focus of future research.& / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce travail, sur la dépollution de l’eau par OVHC sur charbon actif (CA), étudie l'interaction oxydation - adsorption : comment l'oxydation sur charbon de produits aromatiques modifie ses propriétés et en particulier sa capacité d'adsorption et d'oxydation (désactivation). Divers charbons commerciaux, mais aussi issus de boues activées, ont été caractérisés avant et après oxydation : propriétés texturales, composition élémentaire (CHNSO), fonctions de surface, pH au point de charge nulle et allure des courbes ATG. Seule leur teneur en cendres semble différer notablement. Les charbons actifs de boues ont une surface spécifique bien moindre (de 90 à 265 m².g-1) et un taux de cendres supérieur à 50% qui en font de moins bons adsorbants. Cependant la présence de métal, notamment le fer, a un effet positif sur l'oxydation catalytique. L'étude comparative en oxydation catalytique de 4 CA commerciaux en grains montre une désactivation intense (qui augmente avec la concentration de polluant) sur les 3-4 premières utilisations, puis une stabilisation. Le charbon résultant est nettement moins adsorbant. Les CA S23 et F22 ainsi stabilisés ont ensuite été utilisés pour déterminer la cinétique d'oxydation catalytique apparente et intrinsèque du phénol, grâce à un modèle incluant la diffusion. La comparaison de l'OVHC de 4 polluants aromatiques seuls et en divers mélanges synthétiques met en évidence des effets de mélange significatifs: les polluants les plus réfractaires en oxydation catalytique se dégradent beaucoup plus vite en mélange (ex 4NP) et inversement, les polluants les plus oxydés, lorsqu'ils sont seuls en solution, voient leur cinétique diminuer lorsqu'ils sont mélangés aux autres polluants (ex phénol, 4chlorophénol). Le mélange tend donc à uniformiser les comportements particuliers. Enfin, les essais de faisabilité du procédé de régénération oxydante AD-OX ont été effectués sur des effluents industriels. La régénération du charbon actif comme adsorbant est moins limitée qu'avec des mélanges de phénols substitués. / This work, on water treatment by catalytic Wet Air Oxidation (CWAO) using activated carbon (AC), aimed to study the interaction between oxidation-adsorption phenomena: how the oxidation of aromatic compounds on AC can modify its properties and specially its adsorption and oxidation characteristics (deactivation). Various commercials AC, and AC produced from activated sludge, have been characterized before and after oxidation by according methods such as textural characterization, elemental analysis (CHNSO), functional groups on carbon surfaces analysis, pH of the point of zero charge (pHpzc) analysis and thermogravimetric analysis (TGA); however, only their ash level was significantly different. In addition, the sludge based AC (SBAC) have a specific surface range of 90 to 265 m².g-1, which is lower than commercial AC, and with an ash level over 50%. Consequently they are less good adsorbents. However, the presence of metal, e.g. iron, has a positive affect on catalytic oxidation. The comparative study of catalytic oxidation with 4 commercial AC, show a severe deactivation (which increase with the pollutant concentration) on the first 3-4 utilizations before stabilization. The residual AC is clearly poor adsorbent. After stabilization, 2 commercials AC, only S23 and F22 CA, were studied on catalytic oxidation of phenol in term of apparent and intrinsic kinetics with including the diffusion effect in the model. The CWAO of 4 pure aromatic pollutants, and their various synthetic mixtures, showed mixing effects significantly: the most oxidation catalytic refractory pollutants were degraded rapidly when they mixed (e.g. 4-nitrophenol) but the kinetic was slow down for the pure pollutant whereas, the most oxidised pollutants, for pure solution, have an oxidation kinetic slower than when they mixed with others pollutants (e.g. Phenol, 4-chlorophenol). Therefore, the mixture tends to standardize from the individual behaviour. In conclude, the feasibility study of the oxidative regeneration process (AD-OX) was performed on industrial waste water. The regeneration AC as adsorbent is less limited than with mixtures of substituted phenols.

Les effluents industriels sont constitués de molécules de natures très diverses, plus ou moins réfractaires aux classiques traitements biologiques. Les normes de rejets évoluant régulièrement vers des contraintes de plus en plus sévères, il semble aujourd'hui nécessaire de proposer des solutions complémentaires pour atteindre de hauts rendements d'épuration. Le premier procédé mis en oeuvre dans ce travail est l'adsorption sur charbon actif. Le caractère novateur de cette technique se situe dans l'utilisation de charbons actifs fabriqués à partir de boues de stations d'épuration d'eaux usées. La seconde méthode est un procédé hybride innovant combinant adsorption et photocatalyse avec TiO2. Les eaux industrielles ciblées sont les effluents colorés, représentés par la tartrazine, et les effluents phénolés représentés par le phénol, l'acide p-hydroxybenzoïque, le p-chlorophénol er le p-nitrophénol. Pour traiter par adsorption les eaux chargées en phénols, plusieurs charbons actifs commerciaux et six charbons de boues ont été utilisés. Il ressort de cette première étude que, malgré leurs faibles surfaces spécifiques, certains charbons de boues présentent des performances très satisfaisantes. Le procédé séquentiel combinant adsorption et photocatalyse a été réalisé avec plusieurs matériaux: un tissu Ahlstrom contenant du charbon et du TiO2, un charbon actif avec dépôt de TiO2 par MOCVD puis un mélange de charbon actif et TiO2 en poudre. Des résultats prometteurs ont été obtenus pour dégrader la tartrazine, en particulier avec le TiO2 déposé sur charbon actif montrant que la proximité de sites d'adsorption et photocatalytique améliore les performances de l'oxydation / In order to explore a new sequential process for water treatment its two steps, adsorption on activated carbon and in situ photocatalytic oxidative regeneration, were investigated successively. Several commercial activated carbons (AC) and sewage sludge based activated carbons (SBAC) were tested with several phenols and one dye as pollutants. Despite low BET surface SBAC exhibits convenient adsorption properties. Photocatalysis on TiO2 was carried out with several materials to achieve activated carbon adsorption- egeneration process: a multilayer tissue with fixed granular AC and TiO2 on a sheet, a composite with TiO2, CVD deposited on AC, and AC-TiO2 powder mixture for comparison. Promising results were obtained especially with TiO2 deposited on AC proving the vicinity of adsorption and photocatalytic sites to be beneficial

La dégradation des ressources en eaux par la présence de matières organiques (MO) et de micropolluants nécessite la mise en œuvre de procédés de production d’eau potable robustes. Dans ce contexte, de nombreuses municipalités françaises comme Saint Cloud et Angers ont décidé d’implanter un procédé d’adsorption sur charbon actif en poudre couplé à l’ultrafiltration (CAP/UF). Le CAP est utilisé en amont des membranes afin d’éliminer les traces de micropolluants tandis que les membranes d’UF assurent une qualité d’eau produite excellente et constante au cours du temps. Cependant, les retours d’expérience montrent une dégradation des performances de séparation liée notamment à un vieillissement des matériaux membranaires ainsi qu’une vulnérabilité du procédé vis-à-vis de certains micropolluants émergents tels que les composés organiques polaires (PMOCs). Les travaux réalisés au cours de cette thèse visent à mieux comprendre les conséquences du vieillissement chimique des membranes utilisées dans ces procédés et d’évaluer l’efficacité d’élimination de micropolluants afin de proposer des voies d’optimisation. Plus particulièrement il a été montré que la cause principale de vieillissement est l’exposition au chlore des membranes durant les phases de lavage modifiant les propriétés des matériaux. En effet, les nombreux outils de caractérisation utilisés ont permis de mettre en évidence une corrélation entre la dégradation de l’agent hydrophile des membranes et l'augmentation de la perméabilité lors de l'exposition au chlore. L’étude des performances membranaires a mis en évidence une altération de la résistance au colmatage vis-à-vis de la MO pour les membranes exposées au chlore. Cependant les résultats obtenus pour évaluer les performances de sélectivité des membranes vis-à-vis de virus n’ont pas souligné d’altérations majeures. Les essais d’adsorption ont démontré l’efficacité limitée du CAP pour la rétention des PMOCs. En effet, parmi les molécules testées, les molécules aromatiques les plus hydrophobes sont efficacement adsorbées par le CAP tandis que les plus polaires sont peu éliminées. Finalement, l’utilisation de la nanofiltration ou l’osmose basse pression, présentant des taux de rétention en moyenne supérieurs à 90%, en font des solutions techniques de choix pour l’élimination des PMOCs. / The degradation of water resources by the presence of organic matter (OM) and micropollutants requires the implementation of robust drinking water production processes. In this context, many French municipalities such as Saint Cloud and Angers have decided to set up a powdered activated carbon adsorption process coupled to ultrafiltration (PAC/UF). PAC is used upstream of membranes to remove traces of micropollutants while UF membranes provide excellent and constant water quality over time. However, the feedback reveals a degradation of the separation performances related in particular to an aging of the membrane materials and a vulnerability of the process towards some emerging micropollutants such as polar organic compounds (PMOCs).The work carried out during this thesis aims to better understand the consequences of the chemical aging of the membranes used in these processes and to evaluate the micropollutants removal efficiency in order to propose optimization ways. More particularly it has been shown that the main cause of aging is the chlorine exposure of the membranes during washing phases modifying the properties of the materials. In fact, the numerous characterization tools used have made it possible to demonstrate a correlation between the degradation of the hydrophilic agent of the membranes and the increase in the permeability during exposure to chlorine. The study of the membrane performances revealed an alteration of the resistance to fouling towards OM for membranes exposed to chlorine. However, the results obtained to evaluate the selectivity performance of the membranes with respect to viruses have not underlined any major alterations. Adsorption tests have demonstrated the limited efficiency of PAC for PMOCs removal. Indeed, among the molecules tested, the most hydrophobic and aromatic molecules are effectively adsorbed on PAC while the more polar ones are slightly adsorbed. Finally, the use of nanofiltration or low-pressure reverse osmosis, with average rejection rates over 90%, makes them the technological solutions of choice for the removal of PMOCs.

Un suivi de deux filtres granulaires pleine échelle a été fait à une des usines de production d’eau potable de la Ville de Québec qui a une capacité de production de plus de 220 000 m3/jour. Un des filtres contient du sable et de l’anthracite, et l’autre du sable et du charbon activé en grains (CAG). Les deux filtres, qui sont précédés d’une inter-ozonation, ont été opérés dans les mêmes conditions pendant l’étude. Les qualités de l’eau brute, décantée, ozonée et filtrée ont été suivies pendant 32 semaines, de mai à décembre 2011, à raison de 2 échantillonnages dans un cycle de filtration à chaque deux semaines. Cette période correspond à peu près à la deuxième année d’opération après le changement des milieux filtrants dans cette usine. Le filtre avec CAG s’est avéré plus performant pour presque tous les paramètres de qualité d’eau considérés, en particulier en termes d’enlèvement de la matière organique biodégradable et non-biodégradable. Par contre, et contrairement à ce qui a été observé antérieurement, la réduction de la turbidité a été plus forte dans le filtre avec anthracite. Une analyse économique préliminaire et partielle montre que le meilleur enlèvement de la matière organique réalisé par le filtre avec CAG pourrait amener une économie significative due à une réduction de la demande en chlore mais que celle-ci serait masquée par le coût d’achat très élevé du CAG par rapport à l’anthracite. / A water quality monitoring was conducted on two full scale granular filters of the biggest water treatment plant of Québec City. One of the filters contains anthracite and sand layers, while the other contains granular activated carbon (GAC) and sand layers. Both filters, which are preceded by an inter-ozonation step, were operated in the same conditions during the study which happened during the second year of operation of these filters. The qualities of raw water, settled water, ozonated water and filtered water were monitored for 32 weeks, from May to December 2011, two times in a filtration cycle every two weeks. Globally, the GAC filter exhibited better organic matter removal performances but a lower turbidity removal performance than the anthracite filter. This allows a potential reduction in chlorine consumption for the GAC filter but this economy is shadowed by the very high cost of this filter media.