Les eaux usées peuvent possiblement être traitées par un système membrane intégré et combinant les procédés de bioréacteur à membrane (BAM) et d’osmose inverse (OI) pour une élimination efficace des micropolluants en vue de la réutilisation des eaux. Cependant, le rejet des concentrats d’OI dans l’environnement pourraient représenter un danger en raison de la toxicité de certains de leurs composés (micropolluants, sels, matières organiques). Une des solutions possibles peut être de recycler le concentrat d’OI vers le BAM. Néanmoins, une étude approfondie s’impose pour une telle configuration car le recyclage mettrait en jeu la recirculation de matière organique non biodégradable, ou de fortes concentrations en sels ou micropolluants, qui pourraient finalement engendrer, directement ou indirectement, un colmatage de la membrane ainsi qu’une modification de l’activité bactérienne dans le BAM. Les effets du recyclage de concentrat d’OI sur les performances de BAM ont été étudiés de deux différentes manières, en distinguant les effets à court-terme (ou court temps de contact) et les effets à long-terme (ou long temps de contact). Les résultats montrent qu’après un temps de contact de 3 heures entre le concentrat et les boues, les concentrations en protéines et polysaccharides dans le surnageant restent inchangées par rapport au début de l’opération. Une analyse HPLC-SEC a permis d’étudier les effets du concentrat d’OI sur la production de matières microbiennes solubles de types protéique. Un pic de concentration en substances protéiques ayant une masse moléculaire de 10 à 100 kDa a été observé dans le surnageant juste après l’addition du concentrat d’OI. Le pouvoir colmatant des boues n’a lui pas été modifié après l’injection du concentrat d’OI. Cette observation ouvre sur la possibilité de développer une opération d’OI comme traitement tertiaire en aval du BAM. La combinaison BAM-OI pourrait donc être une solution envisageable pour traiter le concentrat d’OI. Pour les longs temps de contact, les résultats ont montré que l’impact de l’effluent toxique (concentrat d’OI) sur les boues dépendait du rendement de l’opération d’OI et des caractéristiques du concentrat. Les mêmes tendances ont été observées quelle que soit la composition du concentrat en sels et en matière organique, puisqu’une augmentation de la concentration en protéine a été mise en évidence. L’effet du recyclage du concentrat d’OI a aussi été étudié à différents débits et avec différentes caractéristiques. Les effets sur les performances globales du BAM ainsi que sur son colmatage ont plus particulièrement été investigués. Le taux d’abattement en termes de Demande Chimique en Oxygène (DCO) est, dans tous les cas, supérieur à 93 %, quel que soit le débit de recyclage. Des résultats similaires ont été obtenus en termes de Carbone Organique Dissous. De plus, l’efficacité de la nitrification n’a pas été affectée en présence de concentrat d’OI dans le BAM. L’analyse HPLC-SEC a révélé un pic important de concentration en composés protéiques dans le surnageant, avec des masses moléculaires comprises entre 10 et 100 kDa et entre 100 et 1000 kDa. Par conséquent, une augmentation significative du pouvoir colmatant des boues a été observée et attribuée à la présence de protéines. Par ailleurs, le recyclage du concentrait d’OI n’a pas eu d’effet sur l’élimination de la carbamazépine et du diclofenac dans le BAM. Au contraire, l’élimination du ketoprofene a légèrement baissé, en passant de 94 à 72 %. Enfin, l’effet du recyclage de concentrat d’OI sur la biodégradation a été révélé comme insignifiant, ce qui indique que le recyclage du concentrat d’OI pourrait être une bonne alternative pour réduire les concentrats d’OI et limiter leur rejet dans l’environnement. / Wastewater effluents can be treated by an integrated membrane system combining membrane bioreactors (MBR) and reverse osmosis (RO) for effective removal of micropollutants in the field of high-quality water reuse. However, discharging the RO concentrate waste stream directly into the natural environment could lead to serious problems due to the toxic components contained in the concentrates (micropollutants, salts, organic matter). A possible solution could be the recirculation of RO concentrate waste to the MBR. However, such an operation should be studied in detail since the recirculation of non-biodegradable organic matter or high concentrations of salts and micropollutants could directly or indirectly contribute to MBR membrane fouling and modification of the biodegradation activity. The effects of RO concentrate recirculation on the MBR performances were investigated in two different ways of contact, i.e. short term peak contact and long-term continuous contact at various operating conditions. The results demonstrated that after 3 hours of contact time between the sludge and concentrate, the same values of both protein and polysaccharide concentrations were found in the supernatant, compared to that at the beginning of the reactor. HPLC-SEC analysis was employed to study the effects of RO concentrate on the production of protein-like SMPs. A significant peak of protein-like substances with a molecular size of 10-100 kDa was observed immediately in the supernatant after the addition of RO concentrate. Besides, no significant change was found of the sludge fouling propensity after the injection of RO concentrate into the activated sludge. This finding proposes the opportunities to develop RO process as a tertiary treatment of the membrane bioreactor (MBR), hence, the integrated MBR - RO concept with the RO concentrate recirculation to the MBR might be a solution to treat the concentrate waste stream produced by RO. During the long-term continuous contact, the results demonstrated that the impact of the toxic flow on activated sludge depends on the recovery of the RO step and the characteristics of the concentrate but the same trends were observed whatever the organic matter and salt contents of the concentrates: the concentration of proteins increased. The effects of the reverse osmosis concentrate recirculation, at different flow rates and with different characteristics, to the MBR were investigated. Their impacts on MBR global performances, especially the MBR fouling were evaluated. The removal efficiencies of chemical oxygen demand (COD) at the different flow rates of concentrate were greater than 93%. Similar results for the dissolved organic carbon removal efficiency were found in the MBR. Additionally, the presence of RO concentrate in the MBR did not inhibit the nitrification process. HPLC-SEC analysis employed to study the effects of RO concentrate on the production of protein-like SMPs demonstrated a significant peak of protein-like substances corresponding to 10-100 kDa and 100-1000 kDa molecules in the supernatant. Thus a significant increase of sludge fouling propensity was observed, which could be attributed to the increased quantity of protein-like substances. Furthermore, the recirculation of RO concentrate to the MBR did not significantly affect the removal of carbamazepine and diclofenac in the MBR. Meanwhile, the removal rate of ketoprofen was impacted slightly by the RO concentrate recycling to the MBR (from 94 to 72%). Finally, the effect of the concentrate on sludge activity was studied and no significant effect was observed on biodegradation, indicating that the return of the concentrate to the MBR could be a good alternative for the reduction of concentrate quantities before disposal to the environment.

L’augmentation des températures et des pressions de travail des centrales de production d’énergie représente un enjeu considérable en termes de réduction d’émission de polluants et d’augmentation d’efficacité énergétique. Pour cela, des matériaux plus performants par rapport à ceux employés actuellement doivent être utilisés afin de résister aux environnements sévères (hautes températures, 100% vapeur d’eau, pression…). Malgré les bonnes propriétés mécaniques de bon nombre d’aciers, l’application d’un revêtement protecteur capable de former une couche d’oxyde dense, protectrice et stable à haute température, est essentielle. Ainsi, dans le cadre du projet Européen FP-7 « POEMA », nous nous sommes intéressés aux mécanismes de formation de revêtements de diffusion d’aluminium sur des aciers ferrito-martensitiques et austénitiques fréquemment employés dans ce type de centrales. Des études sur la colmatation des fissures éventuellement parues durant l’aluminisation des aciers ont été également réalisées. Les mécanismes de dégradation des revêtements B2-(Fe (Ni))Al ont ensuite été étudiés sous 100% vapeur d’eau et sous air à 650 et 700°C jusqu’à 10000 heures et sous différentes pressions (1 et 300 bar). Nous avons démontré que la pré-oxydation induite lors de l’élaboration du revêtement permet de faire croître une fine couche protectrice de α-Al2O3 qui se développe au cours de l’oxydation. Cependant, les longues expositions sous fortes pressions de vapeur promeuvent la diffusion cationique de Fe, ceci donnant lieu à des petits nodules surfaciques d’oxyde. Enfin, les mécanismes de dissolution des revêtements avec un acide dilué ont été étudiés afin de montrer la possibilité de décaper puis de réaluminiser les matériaux initialement revêtus. / Higher energy efficiencies can be achieved by the increase of temperatures and pressures in power plant, thus allowing the reduction of the polluting emissions. Therefore, more efficient materials, compared to those currently employed, have to be used in order to resist to harsh environmental conditions (high temperatures, steam, pressure…). Despite of the good mechanical properties of many steels, the elaboration of a protective coating able to form a dense, protective and stable oxide layer at high temperature, is necessary. Thus, in the framework of the “POEMA” European project, the mechanisms of the formation of aluminium diffusion coatings were studied on ferritic-martensitic and austenitic stainless steels that are currently employed in power plants. The sealing of cracks eventually created during the aluminisation of steels was also studied. The degradation mechanisms of the B2-(Fe (Ni))Al coatings were then studied in steam and in air at 650 and 700°C up to 10000 hours and under different pressures (1 and 300 bar). We have demonstrated that the pre-oxidation induced during the elaboration of coatings grew a thin protective oxide scale composed of α-Al2O3 which developed further upon oxidation. Nevertheless, the long exposures under high steam pressures promoted the cationic diffusion of Fe, thus allowing the formation of small surface oxide nodules. Finally, the dissolution mechanisms of coatings with a diluted acid have been studied in order to demonstrate the possibility of strip and realuminise the materials initially coated.

Malgré leur fort développement en assainissement domestique urbain, les bioréacteurs à membranes (BaM) pâtissent de phénomènes de colmatage, induisant des coûts énergétiques et de maintenance importants. L’aération séquencée des membranes par des grosses bulles est l’une des stratégies pour limiter le colmatage ; son impact a fait l’objet de plusieurs études mais reste globalement mal compris, notamment du fait de la complexité de ces systèmes, multiphasiques et opaques. L’hydrodynamique des réacteurs reste mal caractérisée en présence de boues. Pour apporter des éléments de compréhension aux mécanismes de limitation du colmatage par injection d’air, un pilote de filtration membranaire semi-industriel (2 m3, 3 sous modules fibres creuses Puron®) a été conçu, dimensionné et installé sur l’unité de traitement des jus (TDJ) de la station d’épuration Seine Aval (SIAAP), afin d’être alimenté en boues biologiques dans des conditions réelles de fonctionnement. Le suivi des paramètres opératoires du pilote et de ses performances de filtration sur une période de 5 mois avait un double objectif : (i) mieux caractériser la dispersion du gaz pour différentes conditions de fonctionnement (paramètres de l’aération, concentration en boues de l’alimentation), (ii) hiérarchiser les facteurs qui limitent le colmatage des membranes. Il s’agit in fine de proposer des stratégies d’aération adaptées et efficaces pour limiter le colmatage. Afin de caractériser la dispersion du gaz dans le réacteur, une méthodologie innovante basée sur la tomographie de résistivité électrique (ERT) a été adaptée au pilote. Les conditions d’utilisation de l’ERT (nombre d’électrodes de mesure, séquence de quadripôles) ont été sélectionnées à travers une étude numérique, de même que les paramètres d’inversion nécessaires pour reconstituer la cartographie des résistivités à partir des mesures expérimentales. Cette étude numérique poussée, réalisée sous COMSOL, a permis de conclure à l’intérêt de la méthode pour représenter la distribution des phases dans la géométrie considérée. L’ERT a donc été appliquée au pilote alimenté en boues, pour différentes conditions d’aération. Le jeu de données de filtration a par ailleurs été analysé par logique floue, à l’aide du logiciel FisPro. Les arbres de décision obtenus, en analysant les résultats de manière globale et en les regroupant par conditions opératoires similaires, ont mis en évidence l’impact prépondérant des variables suivantes sur la dérive de perméabilité observée (comprise entre - 9 et 2 LMH/bar) : la différence de DCO entre le surnageant des boues et le perméat (DDCO) traduisant une phase colloïdale complexe, et la concentration en matières en suspension (MES), ayant toutes deux un impact négatif sur les performances de filtration. Une augmentation du débit d’air conduirait à une limitation de la dérive de perméabilité, sauf lorsque la variable DCO est élevée (> à 500 mg/L), cette hypothèse restant cependant à vérifier sur une base de données plus conséquente. Le modèle ainsi obtenu par logique floue permet de mieux simuler les évolutions de perméabilité que les modèles obtenus par régression linéaire multivariée (erreurs de 0,61 et de 0,70 respectivement), et ce malgré une incertitude relative importante sur la mesure de perméabilité (jusqu’à 16 %). Ces résultats sont cohérents avec la dispersion du gaz observée par ERT : son homogénéité dépend de la concentration en MES et du débit d’air injecté. A forte concentration en MES (6 – 10 g/L), des zones préférentielles de passage des bulles ont été observées, en particulier à faible débit d’air, expliquant ainsi un colmatage plus important. L’utilisation nouvelle dans ce contexte de ces techniques, ERT et logique floue, donne des résultats qui confortent l’intérêt d’adapter l’aération (débit, séquençage) aux caractéristiques des boues notamment leurs concentrations, et qui permettent d’envisager des stratégies de contrôle de ces paramètres / Membrane bioreactors (MBRs) are widely used in the wastewater treatment sector. However, membrane fouling mitigation remains challenging, and leads to important maintenance and energy costs. Several strategies have been developed industrially to enhance MBR productivity, including coarse bubble sequenced aeration for fouling mitigation. The way such aeration participates in sludge hydrodynamic patterns is an important research topic. However, the methods currently used for hydrodynamic characterisation suffer from several drawbacks, mainly due to the system’s complexity (three phases with opaque deformable solids). More research is needed to characterize hydrodynamics in MBRs filled with activated sludge. A semi-industrial reactor (2.0 m3) was designed and equipped with three hollow fiber membrane modules (KMS Puron) to contribute to fill this knowledge gap. The reactor was continuously fed with activated sludge from one of the reactors of the Seine Aval (SIAAP) wastewater treatment plant. Operating parameters, activated sludge properties as well as process performances were monitored for five months with two objectives: (i) to characterize gas dispersion for different operating conditions (aeration strategy, activated sludge concentrations), (ii) to rank activated sludge properties and operating conditions, according to their impact on fouling mitigation. The ultimate goal is to propose adapted aeration strategies allowing sustainable filtration performance. In order to characterize the gas dispersion in a complex geometry such as MBR membrane tanks, an innovative approach based on electrical resistivity tomography was adapted to the pilot conditions. A numerical approach was used to define the experimental design in terms of electrode positions, quadripole sequences but also inversion parameters, used to reconstruct resistivity maps from experimental datasets. This numerical study, performed on COMSOL, demonstrated the ability of the ERT method to observe different patterns in the membrane zone. ERT was therefore applied to characterise bubble dispersion in the semi-industrial membrane bioreactor filled with activated sludge and operated using different aeration conditions. The dataset obtained from filtration monitoring was analysed using fuzzy logic. The resulting fuzzy decision trees, constructed from the whole dataset or from subsets clustering similar operating conditions, pointed out the impact on the permeability evolution of two main factors: the COD difference between activated sludge supernatant and permeate (COD), standing for complex colloidal phase, and Mixed Liquor Suspended Solid (MLSS) concentration. Both variables emphasizing fouling at high values. Also, an air flow rate augmentation seemed to mitigate fouling, except at high COD concentrations (> 500 mg/L), where its impact was reversed. This last observation needs further investigation, on a larger dataset. The model obtained from fuzzy logic allows a better simulation of permeability evolutions compared to multivariate linear regression (errors of 0.61 and 0.70, respectively), despite a relatively high measurement uncertainty of permeability (up to 16 %). Those results are consistent with the gas dispersion observed with ERT measurements: homogeneity of gas dispersion depends on MLSS concentration and air flow rate. At high concentrations of MLSS (6 g/L and 10 g/L), a high air flow rate is required for the bubbles to be distributed on the whole membrane zone and preferential flow paths have been observed, especially at low air flow rate. This gas dispersion heterogeneity explains worsened filtration performance. In this context, the new use of these technics, ERT and fuzzy logic, provided results that reinforce the interest to link aeration parameters to sludge properties, their MLSS concentration in particular, leading to consider control strategies for these operating parameters.

Les technologies à membranes sont en plein développement ; toutefois, les problèmes de colmatage limitent cette expansion. Les acides humiques présents dans les eaux naturelles induisent des chutes de production des membranes et sont à l'origine de fortes diminutions des durées de vie des matériaux filtrants. L'objectif principal de ce travail a été de développer une approche originale du colmatage de membranes basses pression d'ultrafiltration (UF). L'originalité de ce travail est de proposer plusieurs outils d'autopsie de membranes à deux échelles, l'une macroscopique (par des mesures de perméabilité hydraulique, dont sont déduites les résistances de colmatage et l'indice de colmatage MFI-UF) et l'autre microscopique (par la détermination de la dimension fractale des particules d'acides humiques et leurs agrégats déposés à la surface de la membrane). En utilisant une combinaison de ces outils macroscopiques, microscopiques et in situ, nous avons développé une nouvelle méthodologie pour l'analyse d'un gâteau d'acides humiques sur une membrane et ainsi permis d'évaluer plus finement que jusqu'ici la nature, les mécanismes, et les conséquences du colmatage de membranes basses pression. Cette méthode a été appliquée aux fibres creuses (vierge et colmaté par l'eau de surface naturelle), combinées avec l'autopsie de membrane. De plus, un nouvel appareillage semi-automatique de la mesure du potentiel d'écoulement, mise au point par nos soins, a permis de réaliser des investigations à l'intérieur de la structure de la membrane afin d'y déceler le cas échéant la présence de matière organiques naturelles (MON). La dernière partie est consacrée à une étude du prétraitement d'une solution d'acides humiques en présence de.bentonite modifiée (dénommée mont-Al-CTAB) afin de tenter de limiter le colmatage par les MON. La méthode de prétraitement employant la bentonite s'est avérée efficace en réduisant la résistance totale du gâteau d'acides humiques, en particulier en provoquant la diminution de la dimension fractale du gâteau formé en présence de bentonite.

Les propriétés complexantes de deux polymères, l'un d'origine biologique (le chitosane) l'autre synthétique (la polyethyleneimine, PEI), ont été mises à profit pour fixer des ions métalliques, au premier rang desquels le mercure. Le procédé de couplage complexation-ultrafiltration permet dans des conditions expérimentales optimisées, d'atteindre des taux de rétention supérieurs à 95 %. Si l'efficacité du chitosane est fortement contrôlée par le pH : rétention négligeable à pH inférieur à 4, et optimale à pH proche de 5,5 ; dans le cas de la PEI, l'influence du pH est moins marqué. La rétention du mercure a été testée dans des solutions binaires (Ni, Zn, Pb et Cu). Les deux macroligands montrent une nette préférence pour le mercure vis-à-vis de métaux tels que Zn, Ni et Pb. Le modèle de filtration sur gâteau se révèle logiquement le plus approprié pour modéliser le colmatage dans le cas de ces expériences menées sur une cellule d'ultrafiltration statique.

Les particules ultrafines (PUF) sont de nos jours susceptibles de se retrouver massivement dans l’air des lieux de travail et dans l’environnement, notamment de par leur génération non-intentionnelle par certains procédés industriels. Du fait de la toxicité de plus en plus avérée de ces particules, l’air contaminé doit être extrait des lieux de travail et filtré avant d’être rejeté dans l’atmosphère. Les filtres classiquement utilisés sont des filtres à fibres plissés présentant l’inconvénient vis-à-vis des PUF d’être rapidement et irréversiblement colmatés. Afin de trouver une alternative à ces filtres, il a été décidé d’étudier les lits granulaires. Pour ce faire, la cinétique de colmatage des lits granulaires par des PUF a dans un premier temps été étudiée à l’échelle macroscopique et microscopique par suivi des évolutions des performances ainsi qu’en procédant à des observations de structure de dépôt. Evaluer la capacité des lits granulaires à se positionner en tant qu’alternative aux médias fibreux peut nécessiter la connaissance des performances des lits granulaires dans un grand nombre de configurations. Pour s’affranchir des expériences correspondantes, un modèle théorique de prédictions des performances des lits granulaires en cours de colmatage a été développé. Ce modèle a par la suite permis par une optimisation multicritère de trouver la configuration optimale d’un lit granulaire amélioré. Enfin, des essais préliminaires très prometteurs d’une manche granulaire permettant d’augmenter la surface de filtration et l’efficacité de collecte ont posé les bases d’une potentielle utilisation des lits granulaires pour la filtration de PUF dans l’industrie / The air of workplaces and the environment can be contaminated by ultrafine particles (UFP) coming mainly from a non-intentional generation emitted by some industrial processes. The toxicity of these particles being more and more admitted nowadays, the polluted air of the workplaces has to be extracted and filtered in order to protect the workers and the public, respectively. The commonly used filters are pleated fiber filters which are rapidly and sometimes irreversibly clogged by the UFP. In order to find an alternative to these pleated filters, it was decided to study the granular beds. To do so, the clogging kinetic of granular bed by UFP was studied. This was achieved by conducting both macroscopic and microscopic studies of the granular bed clogging consisting in the monitoring of the evolution of the performances and in performing visualizations of UFP deposit structures. Evaluate the ability of granular beds to be an alternative to fiber filters can require the knowledge of the granular bed performances evolution for a large number of configurations. In order to avoid the realization of the corresponding experiments, a theoretical model was developed. Then, this model permitted by a multi-criteria optimization method to find the optimal configuration of an improved granular bed. Finally, some preliminary and very promising tests of a cylindrical granular bed filter permitting to increase the surface filtration and the collection efficiency laid the groundwork of a potential use of granular beds for the industrial UFP filtration

La pénurie d'eau est devenue un des problèmes clés à résoudre, et pour y faire face, il est nécessaire de disposer d'unités de traitement de l'eau efficaces. Au cours des dernières décennies la technologie des membranes est devenue l'une des techniques les plus prometteuses pour le traitement de l'eau. Néanmoins, les membranes ont une durée de vie limitée et sont, par ailleurs, sujettes à des phénomènes de colmatage - le dépôt, l'adsorption et l'absorption de particules dans la structure de la membrane -, ce qui réduit leur productivité, et augmente les coûts opérationnels. Une approche pour minimiser ce problème consiste à modifier des membranes hydrophobes, mécaniquement et chimiquement stables, en y greffant des matériaux amphiphiles afin de réduire le colmatage. L'objectif principal de ce travail est de caractériser les propriétés anti-colmatage des membranes de PVDF (Polyvinylidene fluoride) modifiées avec différents types de copolymères PS-PEGMA (Polystyrene - Poly(ethylene glycol) methacrylate), tout d'abord par l'utilisation de techniques classiques, puis, par le développement et / ou l'adaptation de techniques microfluidiques couplés à la microscopie à fluorescence et l'utilisation de la cartographie par microspectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF). La cartographie IRTF a permis de quantifier localement le greffage et de mettre en évidence l'hétérogénéité du greffage sur la membrane. Ces cartes, représentant l'importance du greffage sur la membrane, ont par ailleurs été corrélées au dépôt de protéines sur la surface. Des systèmes microfluidiques ont également été développés pour caractériser sous microscope à fluorescence l'adsorption de protéines fluorescentes sur une membrane en présence d'un débit. Cette étude permet de suivre in situ et en dynamique l'adsorption (lors de cycles de filtration) et la désorption (lors de cycles de rinçage) de protéines sur la membrane. Ces mesures locales ont été mises en regard avec des mesures de permeabilité lors de cycles filtrations/rinçage mettant en évidence un rôle anti-fouling en particulier pour les copolymères tri-blocs ou pour les copolymères à enchaînement aléatoire. / Water scarcity has become one of the key issues to solve, and efficient water treatment is paramount to treat water sources. In recent decades membrane technology has become one of the promising solutions for water treatment. Nevertheless, membranes are prone to fouling phenomena - the deposition, adsorption, and absorption of particles in the membrane structure -, which hinders their life-span and productivity, and raise operative costs. One approach to minimize this issue is to modify the already mechanically and chemically stable hydrophobic membranes with amphiphilic materials. The main aim of this work is to characterise the anti-fouling properties of PVDF (Polyvinylidene fluoride) membranes modified with different types of PS-PEGMA (Polystyrene - Poly(ethylene glycol) methacrylate) copolymers, firstly by using classical techniques, and then, by developing and/or adapting new ones: microfluidic devices coupled with fluorescence microscopy, and the use of Fourier Transform Infrared microspectroscopy (FTIR mapping). FTIR mapping allowed the local detection of the coating layer and showed its heterogeneous distribution on the surface of the membrane. These maps, that represent the importance of the coating on the membrane, were correlated with the deposit of proteins on the surface. Microfluidic systems were also developed to characterise the adsorption of fluorescent proteins on the membrane under a fluorescent microscope in the presence of a flow. This study allowed the in-situ and dynamic follow-up of the adsorption - during filtration cycles - and of the desorption - during rinsing cycles - of the proteins on the membrane. These local measurements were compared against permeability measurements during the filtration/rinsing cycles evidencing the anti-fouling role of the copolymers used for the modification of the membranes, particularly for the triblock and random copolymers.

Malgré une longue histoire de développement, l'hémodialyse (rein artificiel) possède encore quelques limitations, telles que la perte des propriétés initiales de la membrane en cours de traitement à cause du colmatage et la mauvaise élimination des toxines urémiques de taille moyenne. La présente étude fait partie d'un projet européen nommé BioArt dont le but est d'apporter des solutions à ces limites. Dans cet objectif, l'un des partenaires du projet a proposé le développement d'un nouveau concept de membrane double couche au sein de laquelle sont incorporées des particules adsorbantes. Une caractérisation complète de cette nouvelle membrane était alors nécessaire, plus précisément l'impact de la matrice mixte sur l'élimination des toxines urémiques de divers groupes devait être évalué, ainsi que la propension du matériau membranaire à se colmater. Les études des phénomènes de colmatage sont classiquement menées à l'échelle macroscopique (faisceau de fibres creuses) sans analyse à l'échelle d'une fibre isolée. Le but premier de la présente thèse a alors été de proposer un dispositif permettant une étude du colmatage membranaire induit par la protéine à l'échelle microscopique. Un dispositif microfluidique transparent dans lequel la membrane polymère est insérée a été élaboré et mis en œuvre pour la filtration des protéines modèles : l'albumine de sérum bovin (BSA) et l'a-lactalbumine. Grâce au couplage avec la microscopie de fluorescence, différents modes d'adsorption des protéines sur la surface de la membrane ont été observés et liés aux variations des conditions hydrodynamiques à l'intérieur de la puce. Il a été constaté, sous certaines conditions, une différence dans l'accumulation de protéines entre l'entrée, le centre et la sortie du canal tandis que dans d'autres conditions cet effet s'annule. En outre, un phénomène inattendu, l'agrégation de l'a-lactalbumine, a été observé au cours de la filtration. La localisation dans le canal et la forme des agrégats dépendent également des conditions hydrodynamiques et de la pression transmembranaire appliquée. Dans le but d'optimiser la conception de la membrane vis à vis de son aptitude à éliminer des molécules de taille moyenne de la circulation sanguine, un modèle mathématique a été proposé. L'objectif du modèle était, en prenant en compte la présence de particules adsorbantes à l'intérieur de la membrane double couche, de rendre compte de la combinaison des trois mécanismes d'élimination du soluté : la convection, la diffusion et l'adsorption. Le modèle permet de prédire l'influence de divers paramètres tels que la diffusivité de la molécule, l'épaisseur de la membrane, la présence de la convection, la charge en particules adsorbantes, sur l'intensification des flux à travers la membrane. Le modèle semble être un outil utile pouvant être appliqué à l'optimisation de membranes pour l'élimination des toxines. / Despite a long history of development, the hemodialysis procedure (artificial kidney) still possesses some limitations, such as loss of the initial properties of the membrane due to fouling and poor removal of the middle sized uremic toxins. The present study is part of an European project named BioArt the aim of which was to overcome these limitations. In that objective, one of the partners of BioArt project reported on the development of the novel promising concept of double layer membrane with embedded adsorptive particles. A thorough characterization of the new membrane was then necessary, more precisely the extent to which mixed matrix layer can improve the removal of the uremic toxins from various groups needed to be evaluated, as well as the propensity of the membrane material to become fouled. The studies of the fouling phenomena are conventionally performed at the macro scale (bundle of hollow fibers) without insights of what is happening at the scale of an isolated fiber. Therefore, the primary aim of the present Thesis was to transfer the research of the protein-induced membrane fouling from the macro to the micro scale. A novel transparent microfluidics device with the polymeric membrane inside has been developed and applied for the filtration of model proteins: bovine serum albumin (BSA) and a-lactalbumin. Thanks to the coupling of the microchip with the fluorescent microscopy, different patterns of protein deposition on the membrane surface were observed and related to the variations in the hydrodynamic conditions inside the microchip. It was found that at certain conditions one may observe the difference in protein accumulation in the inlet, the middle, and the outlet of the channel while at other conditions this effect vanishes. Additionally, the unexpected phenomena of a-lactalbumin aggregation was observed over the course of filtration. The location and shape of the aggregates were also dependent on the hydrodynamic conditions and the applied transmembrane pressure. Aiming to address the problem of membrane design optimization for the enhancement of the middle molecules elimination from the bloodstream, a mathematical model, which accounts for the presence of adsorptive particles inside the complex double-layer membrane, has been proposed. The objective of the model was to understand the interplay of three solute removal mechanisms: convection, diffusion, and adsorption. The model allows predicting the influence of various parameters such as molecule diffusivity, membrane thickness, the presence of convection, content of adsorptive particles on the flux intensification across the membrane. The developed model seems to be a useful tool, which may be applied to design optimized membranes for the removal of toxins.

Les bioréacteurs à membranes (BRM), combinant l’épuration biologique des eaux usées à une étape de séparation membranaire, ont montré de très bonnes performances en matière d’élimination de la pollution organique et azotée. Cependant, cette technologie présente des surcoûts de fonctionnement liés essentiellement à l’énergie dépensée pour fournir l’aération nécessaire à l’activité biologique mais utilisée aussi pour lutter contre les phénomènes de colmatage membranaire. Afin de réduire ces besoins énergétiques, un BRM dit autotrophe a été mis en place. Il est caractérisé par une alimentation à une charge organique faible, dont plus de 60% est éliminé par un traitement physico-chimique préalable. De ce fait, le BRM autotrophe assure principalement le traitement d’azote, qui peut être affecté par la limitation en carbone organique nécessaire à la réaction de dénitrification. Ce travail a pour objectif d’étudier le comportement d’un tel système et d’identifier les paramètres déterminants. L’étude a été conduite expérimentalement et par modélisation. Deux campagnes expérimentales ont été réalisées en régime permanent à des charges organiques et des âges de boues différents, suivies d’une expérimentation en régime transitoire provoqué par une montée de la charge en azote ammoniacal. Les résultats des campagnes ont montré qu’il est possible de baisser le rapport de DCO/N jusqu’à 4,5 et l’âge des boues à 40j sans pour autant perturber la dénitrification. Ces résultats ont été appuyés par une modélisation dynamique s’appuyant sur un modèle ASM3s-SMP qui a été développé ensuite calibré sur l’ensemble des résultats expérimentaux. L’analyse du phénomène du colmatage de la membrane au cours de l’expérimentation a montré une tendance au colmatage relativement faible par rapport aux BRM opérant dans des conditions usuelles (DCO/N>10). L’effet du nettoyage mécanique induit par l’ajout d’un matériau granulaire dans le module membranaire s’est avéré peu important dans les conditions étudiées. Une modélisation en régime permanent a permis de développer les expressions des grandeurs caractéristiques du fonctionnement du BRM. Après avoir été validées par des simulations conduites en utilisant le logiciel GPS-X®Hydromantis, ces équations ont permis, au moyen d’approches de modélisation différentes (modèle simple, ASM1 et ASM3), de repérer les paramètres opératoires et cinétiques les plus influents et de déterminer par des expressions analytiques le rapport DCO/N minimal requis pour une réaction de dénitrification complète. / Membrane Bioreactors (MBR) as a combination of biological wastewater treatment and a membrane separation step, showed high performances for organic and nitrogen compounds removal. However, this technology has high running costs linked to energy consumption for aeration. The latter has to be provided for the biological activity and for the membrane scouring that reduces membrane fouling phenomena. In order to decrease these expenses, an MBR called autotrophic was set. It is marked by low organic loading rates due to a physicochemical treatment removing more than 60% of the initial organic matter amount. Mainly, the autotrophic MBR is dedicated to nitrogen removal that can be influenced by the shortage of the organic substrate, needed to achieve the denitrification process. The aim of this work is the investigation of the behavior of such system and the identification of most determining parameters. Experimental and modeling studies were carried out. Two steady state experimental campaigns were performed at different organic loading rates and solid retention times. They were followed by an experiment at transient state induced by the nitrogen loading rate rise. Obtained results proved that operation at a COD/N ratio as low as 4.5 did not hamper the denitrification efficiency. Those results were reinforced by a dynamic modeling study based on a model called ASM3s-SMP that was developed and calibrated using the experimental results. Membrane fouling analysis during experimental campaigns showed low fouling propensities compared to MBR operating at more common conditions (COD/N>10). The mechanical cleaning effect due to the addition of a granular material to the membrane module was found insignificant in the case of these operating conditions.A steady state modeling study helped determining mathematical expressions of different variables, yields and rates describing the system operation. After a validation step based on simulations with the use of the GPS-X®Hydromantis software, these expressions associated to different modeling approaches (simple model, ASM1 and ASM3) allowed pointing out the critical operating and kinetic criteria in addition to the minimum COD/N ratio required for a complete denitrification reaction.

Les générateurs de vapeur sont d'imposants échangeurs de chaleur qui alimentent les turbines des centrales nucléaires à eau pressurisée. Au cours de leur exploitation, des dépôts d'oxydes s'y accumulent et obstruent progressivement des trous prévus pour le passage du fluide. Ce phénomène, appelé colmatage, pose des problèmes de sûreté. Une méthode de diagnostic est nécessaire pour optimiser la stratégie de maintenance permettant de s'en prémunir. La piste explorée dans cette thèse est l'analyse de la réponse dynamique des générateurs de vapeur lors de transitoire de puissance, à l'aide d'un modèle physique monodimensionnel. Deux améliorations ont été apportées au modèle existant au cours de la thèse : la prise en compte des débits perpendiculaires à l'axe du générateur de vapeur et la modélisation du déséquilibre cinématique entre la phase liquide et la phase vapeur. Ces éléments ont ajouté des degrés de liberté permettant de mieux reproduire le comportement réel des générateurs de vapeur. Une nouvelle méthodologie de calage et de validation a alors été proposée afin de garantir la robustesse du modèle.Le problème inverse initial était mal posé car plusieurs configurations spatiales de colmatage peuvent donner des réponses identiques. La magnitude relative de l'effet des dépôts suivant leur localisation a été évaluée par analyse de sensibilité avec la méthode de Sobol'. La dimension de la sortie fonctionnelle du modèle a au préalable été réduite par une analyse en composantes principales.Enfin, une méthode de réduction de dimension appelée régression inverse par tranches a été mise en œuvre pour déterminer dessous-espaces de projection optimaux pour le diagnostic. Une méthode de diagnostic plus robuste et mieux maitrisée que celle existante a pu être proposée grâce à cette nouvelle formulation. / Steam generators are massive heat exchangers feeding the turbines of pressurised water nuclear power plants. Internal parts of steam generators foul up with iron oxides which gradually close some holes aimed for the passing of the fluid. This phenomenon called clogging causes safety issues and means to assess it are needed to optimise the maintenance strategy. The approach investigated in this thesis is the analysis of steam generators dynamic behaviour during power transients with a monodimensional physical model. Two improvements to the model have been implemented. One was taking into account flows orthogonal to the modelling axis, the other was introducing a slip between phases accounting for velocity difference between liquid water and steam. These two elements increased the model's degrees of freedom and improved the adequacy of the simulati onto plant data. A new calibration and validation methodology has been proposed to assess the robustness of the model. The initial inverse problem was ill posed: different clogging spatial configurations can produce identical responses. The relative importance of clogging, depending on its localisation, has been estimated by sensitivity analysis with the Sobol' method. The dimension of the model functional output had been previously reduced by principal components analysis. Finally, the input dimension has been reduced by a technique called sliced inverse regression. Based on this new framework, a new diagnosis methodology, more robust and better understood than the existing one, has been proposed.