Les mangroves sont de plus en plus mentionnées comme outil de bioremédiation potentiel dans le traitement des eaux usées (EU). Actuellement, les effets des rejets d’EU sur la macrofaune, et plus particulièrement sur les crabes de mangrove, ne sont pas clairs. Ces espèces sont dites ingénieurs de cet écosystème, notamment grâce à leur activité de bioturbation qui permet, entre autres, l’infiltration des EU dans le sédiment via leurs terriers. L’objectif ont donc été d’étudier l’impact du rejet d’EU domestiques sur la physiologie (osmorégulation, métabolisme et balance oxydative) de 3 espèces de crabe (2 Sesarmidae et 1 Ocypodidae) par une approche combinant expérimentations en laboratoire et sur le terrain en utilisant un site pilote expérimental sur l’île de Mayotte. Ces crabes qui vivent dans la zone intertidale ont un mode de vie bimodal et font fréquemment face à des salinités variables. Ils sont de bons hyper-hypo-osmorégulateurs et sont adaptés à cette vie à l’interface entre terre et eau aussi bien au niveau de la régulation ionique que de la respiration. Les résultats indiquent que la densité des terriers diminue dans les zones d’écoulement des EU et que la communauté des espèces est modifiée avec la dominance de Parasesarma guttatum (PG) qui n’est pas une espèce bioturbatrice. Les EU induisent donc une modification potentielle du fonctionnement de l’écosystème. PG diminue son métabolisme alors que les deux autres espèces étudiées l’augmentent significativement. Immergées dans les EU, les trois espèces étudiées présentent des atteintes de la fonction osmorégulatrice (activité de la Na+/K+-ATPase et épaisseur d’épithélium branchiale) et de la balance oxydative (formation d’espèces réactives de l’oxygène dans l’hémolymphe et enzymes antioxydantes des branchies) en laboratoire mais des effets moins marqués sont observés chez les crabes maintenus in situ dans des terriers artificiels. Les biomarqueurs étudiés peuvent ainsi être utilisés pour mesurer l’état physiologique des crabes soumis à des rejets d’EU domestiques. Ces atteintes qui entraînent des coûts métaboliques supplémentaires peuvent mener à la réduction de leur fitness, contribuant à expliquer les observations écologiques. De plus, les résultats montrent que les crabes violonistes sont les plus sensibles, suivis des deux Sesarmidae alors que PG semble mieux adapté pour éviter les EU. Si aucun dysfonctionnement majeur n’a été observé à l’échelle de l’écosystème jusqu’à présent, il convient de maintenir un suivi régulier de ces espèces, en tenant compte de leur spécificité en termes d’activité bioturbatrice et de santé physiologique. / Mangroves are increasingly proposed as a bioremediation tool for wastewater (WW) treatment. However, this practice can impact mangrove crabs which are key engineer species of the ecosystem through their bioturbation activities. Their burrows are directly involved in the bioremediation process allowing WW infiltration in the sediment. This study aimed to determine the effects of WW on the physiology (osmoregulation, bioenergetics, oxidative balance) of 3 species of crabs (2 Sesarmidae and 1 Ocypodidae) with laboratory and in situ experiments (burrow density and caging experiment in an experimental area with controlled WW releases on a mangrove located on the island of Mayotte). These crabs inhabit the intertidal area of variable salinity with a bimodal life (aquatic and terrestrial). They are good hyper-hypo-osmoregulators and well adapted to terrestrial life both in terms of osmotic and aerial breathing capacities. Burrow density decreases in flat areas where WW flows and crab community is altered with a marked dominance of Parasesarma guttatum (PG) (a species with no bioturbation activity). This change may induce drastic alterations of the ecosystem functioning. The bioenergetic response of PG is totally different from the other studied species. PG decreases its metabolic rate in WW but the other species have increased metabolic activity. Moreover, after laboratory exposure the 3 species show impairments in their osmoregulatory capacity (Na+/K+-ATPase activity and epithelium gill thickness) and oxidative balance (reactive oxygen species formation in haemolymph and antioxidant enzyme activity in gills) due to WW exposure in laboratory conditions. In situ, encaged crabs showed a similar but reduced pattern. These effects could decrease their fitness and may also explain the observed ecological changes. The biomarkers used in this study may be a useful tool to monitor crab populations. Moreover, our results show that fiddler crabs are the most sensitive to WW followed by other Sesarmidae. PG seems better adapted to avoid WW exposure. Even if no major dysfunction is observed at the ecosystem level yet, WW release should be carefully monitored nevertheless with an emphasis on crab bioturbation activity and their physiological health according to species sensitivity.

La recherche visait à développer une technologie de biofilm à base de biofilms de microalgues pour le traitement des effluents riches en phosphore en vue de la production de produits de valeur secondaires, tels que la récupération du phosphore.Des recherches fondamentales ont été menées pour sélectionner des souches de microalgues efficaces en termes de traitement efficace des eaux usées et de production de biomasse algale, afin de mettre au point un procédé avec une faible addition d'électricité et de réactifs chimiques. Au total, 21 souches de microalgues ont été sélectionnées et sept souches ont été sélectionnées en fonction de leur taux de croissance. Le taux de croissance et l'efficacité d'élimination des éléments nutritifs de six souches ont été évalués dans différentes conditions de traitement des eaux usées synthétiques. Chlorella vulgaris ACUF_809 a montré une efficacité d'élimination du phosphate supérieure à celle des souches sélectionnées. Chlorella sp. ACUF_802 a également été caractérisé par l'effet des conditions limitant l'azote et le phosphore dans le milieu de croissance. Des expériences en laboratoire ont été effectuées pour évaluer les performances de formation de biofilm sur des tissus. L’activité photosynthétique, le pourcentage de colonisation et la croissance de la biomasse ont été étudiés pour deux Chlorella spp. Les différences dans les performances de formation de biofilm étaient observées entre les souches. Il a été constaté que l’analyse combinée de méthodes optiques non destructives est une méthode efficace pour surveiller les premières étapes du développement d’un biofilm. L'épaisseur moyenne du biofilm (106,37 ± 47 µm) a été mesurée. En outre, la distribution et la localisation des phosphates au cours du développement des biofilms C: pyrenoidosa ACUF_808 et C. vulgaris ACUF_809 ont été examinées au fil du temps, tout en préservant le contexte spatial. En utilisant des mesures physiologiques combinées, des techniques microscopiques, spectroscopiques et spectrométriques de masse ont été déterminées pour déterminer la croissance cellulaire, l'adhésion cellulaire, la performance physiologique, l'élimination des nutriments (phosphate et nitrate) et l'accumulation de phosphate visualisée au niveau des cellules dans les biofilms.La production de biomasse et l'efficacité d'élimination des nutriments par les microalgues Scenedesmus vacuolatus et C. vulgaris ACUF_809 à partir d'eaux usées synthétiques dans un nouveau photobioréacteur (PBR) de biofilm en laboratoire ont été étudiées. Le développement de biofilms sur du tissu de coton a été suivi dans le PBR dans des conditions semi-discontinues pendant 41 jours. S. vacuolatus ACUF_053 a obtenu l’élimination complète des éléments nutritifs et cinq étapes de développement du biofilm ont été identifiées: 1) fixation, 2) formation de biofilm, 3) maturation I, 4) sélection / adaptation et 5) maturation II. En revanche, le développement du biofilm de C. vulgaris ACUF_809 a montré une croissance de la biomasse plus régulière et une efficacité d'élimination constante. Cette recherche offre de nouvelles informations fondamentales dans le domaine de la formation de biofilms de microalgues pouvant être utilisées dans un plus large éventail d'applications scientifiques, notamment la possibilité d'un traitement couplé des eaux usées avec une récupération potentielle du phosphate / The aim of this Ph.D. research was to develop a bench scale microalgae biofilm technology for phosphorus rich effluents treatment toward the production of secondary valuable products, i.e. phosphorus recovery.Fundamental research was conducted to select efficient microalgae strains in terms of successful wastewater treatment and algal biomass production, in order to develop a process with low addition of electricity and chemical reagents. A total of 21 microalgae strains were screened and seven strains were selected according to their growth rate. The growth rate and nutrient removal efficiency of six strains were evaluated under different synthetic wastewater conditions, Chlorella vulgaris ACUF_809 showed superior efficiency of phosphate removal compared with the strains screened. Chlorella sp. ACUF_802 was characterized additionally by the effect of nitrogen and phosphorus limitating conditions in the growth medium. Laboratory scale experiments were done to evaluate the biofilm formation performance on textile fabrics. Photosynthetic activity, colonization percentage and biomass growth were investigated for two isolated Chlorella spp. Diffferences in biofilm formation performance were obswerved between the strains. It was found that combined analysis of non-destructive optical methods is an effective methodology for monitoring the early stages of biofilm development. Biofilm average thickness (106.37 ± 47 µm) was measured. Furthermore, as a promising valuable recovery product, phosphate distribution and localization during C: pyrenoidosa ACUF_808 and C. vulgaris ACUF_809 biofilms development were examined over time and keeping the spatial context unaltered. Using physiology measurements combined to advance microscopic, spectroscopic and mass spectrometric techniques were determined cellular growth, cell adhesion, physiological performance and nutrient (phosphate and nitrate) removal and visualized phosphate accumulation at single-cell level within the biofilms.Biomass production and nutrient removal efficiency by the microalgae Scenedesmus vacuolatus and C. vulgaris ACUF_809 from synthetic wastewater in a new laboratory configuration biofilm photobioreactor (PBR) was studied. Biofilm development on cotton fabric was followed in the PBR under semi-batch conditions during 41 days. Complete nutrient removal was obtained by S. vacuolatus ACUF_053 and five stages in the development of the biofilm were identified: 1) attachment, 2) biofilm formation, 3) maturation I, 4) selection/adaptation and 5) maturation II. In contrast, C. vulgaris ACUF_809 biofilm development showed a more regular biomass growth and constant removal efficiency. This research offers novel fundamental information in the field of microalgae biofilms formation with a scope for a wider range of scientific applications, including the possibility of coupled wastewater treatment with potential recovery of phosphate

Au Burkina Faso, l'un des soucis majeurs demeure la gestion des eaux usées et excréta. Dans l'optique de trouver une alternative à l'assainissement autonome (assainissement non collectif), des technologies biologiques rustiques par cultures fixées sur supports fins, destinées aux petites et moyennes collectivités ont été expérimentées. Le premier volet du travail expérimental à consister à évaluer les performances comparées du sable et des fibres de coco en traitement d'eaux résiduaires urbaines après un processus anaérobie par lagunage. Dans une deuxième étape, ont été évaluées les performances épuratoires de filtres plantés de Andropogon gayanus Kunth et Chrysopogon nigritana (Benth) Veldkamp deux poaceae des zones tropicales. Les abattements moyens d'élimination de la pollution biodégradable sont respectivement de 99% et 98% à la sortie du filtre à sable et de celui de substrat de coco. Cependant, il y a une DCO ajoutée due à l'extraction de composés phénoliques du substrat de coco qui occulte les performances réelles de ce support de culture. Toutefois, en l'absence d'une bonne nitrification au sein du massif de substrat de coco, contrairement au sable, nous avons relevé une élimination de l'azote sous forme d'ammonium avec un rendement de 75%. Par ailleurs, ce matériau végétal par sa structure très poreuse a montré une plus grande capacité à éliminer les sels minéraux comparativement au sable. Quant aux filtres plantés de Andropogon gayanus et Chrysopogon nigritana, si les deux pilotes ont assuré des abattements de plus de 97% de la DBO5, le premier a assuré un prélèvement plus important des nutriments (N et P).

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Ce document synthétise l'ensemble des mes activités de recherche depuis mon doctorat, obtenu en 2006, jusqu'à mes travaux les plus récents et en cours effectués au Laboratoire Eau Environnement et Systèmes Urbains (LEESU) où je suis maître de conférences depuis 2007. Le LEESU est un laboratoire commun à l'Université Paris-Est Créteil Val de Marne (UPEC), l'Ecole des Ponts ParisTech, l'Université Paris-Est Marne-la-Vallée (UPEMLV) et AgroParisTech. L'objectif de mes travaux est d'obtenir une vision intégrée des micropolluants organiques en milieu urbain, de leur émission au milieu récepteur. Ils sont orientés vers les polluants prioritaires de la Directive cadre sur l'eau (DCE, Directive 2000/60/CE), les hydrocarbures aromatiques polycycliques, les polybromodiphényléthers, les alkylphénols, le bisphénol A et les phtalates. Ils s'intéressent d'une part à la production de polluants sur les surfaces urbaines, à leur transfert à différentes échelles, à leur comportement au sein des filières de traitement et finalement à leur devenir dans les milieux récepteurs. Après une introduction dédiée au contexte scientifique, j'ai opté pour une présentation de ce manuscrit selon 4 blocs regroupant la quasi-totalité de mes activités. Bien que perméables, ces blocs se structurent selon le devenir des micropolluants dans les eaux urbaines : * De l'atmosphère aux eaux de ruissellement ; * Dans les réseaux d'assainissement ; * Dans les filières de traitement ; * Dans les milieux récepteurs.

Parmi les différentes technologies pour produire un effluent conforme aux normes de rejet en vigueur, les Procédés par Boues Activées sont largement utilisés en tant que traitement biologique du fait de leur faible coût et de leur facilité d’implémentation. Ces procédés réalisent l’abattement des polluants en deux étapes : (1) la biodégradation par des microorganismes dans un bassin d’aération et (2) la séparation de la biomasse par décantation. Les paramètres opératoires peuvent agir sur l’efficacité du procédé, notamment en modifiant les propriétés des boues . L’objectif de ce travail est d’apporter un nouvel éclairage sur cette relation triangulaire en mettant en perspectives les propriétés de taille et de forme des flocs de boues et les performances du procédé de traitement. La première étape pour parvenir à cet objectif a consisté à développer une méthodologie de caractérisation des flocs de boues par analyse d’images à l’aide du microscope automatisé Morphologi G3 de Malvern Instruments. Le protocole de mesure proposé repose sur le choix de la cellule d’analyse, du facteur de dilution, du grossissement, du seuil de niveau de gris mis en œuvre pour la binarisation des images et du nombre total de particules analysées. Des boues provenant de plusieurs stations d’épuration ont été étudiées afin d’évaluer la robustesse de la méthodologie. Des différences en termes de propriétés de taille et forme - Diamètre équivalent (Deq), Circularité (C), Convexité (Cx), Solidité (S) et Rapport d’Aspect (RA) - entre les différentes boues sont clairement apparues. Le protocole de caractérisation de la morphologie étant établi et validé, deux campagnes expérimentales ont été mises en œuvre en utilisant un système à boues activées à l’échelle pilote alimenté par un effluent synthétique. Les descripteurs morphologiques ont été mesurés sur des échantillons d’environ 100 000 flocs permettant d’atteindre une statistique fiable aussi bien sur la taille que sur la forme des agrégats. La performance du procédé a été évaluée en suivant des indicateurs physicochimiques classiquement associés au traitement des eaux usées : Matières en Suspension (MES), Indice de Boue (IB), taux d’abattement de la Demande Chimique d’Oxygène (DCO) et de l’Azote (N). Cette stratégie a permis d’identifier des relations entre les performances d’épuration, la morphologie des agrégats et les paramètres opératoires. Pendant la première campagne, trois valeurs différentes de l’âge de boue ont été imposées : 15, 20 et 30 jours. Lors d’un changement d’âge de boue, la taille et la circularité des flocs biologiques augmentent temporairement avant de se stabiliser à nouveau à leurs valeurs initiales. Ainsi, en régime permanent, les distributions en taille et en circularité semblent indépendantes de l’âge de boue. Lors de la deuxième campagne, trois paramètres opératoires ont été modifiés : la charge organique, le taux de recirculation et le rapport DCO:N. Une charge organique élevée a provoqué une forte augmentation de la taille des flocs et une diminution de leur solidité. Ce résultat peut être expliqué par la croissance de bactéries filamenteuses qui impacte fortement la morphologie des flocs et la performance du procédé. L’augmentation du taux de recirculation et la diminution du rapport DCO:N ont, en outre, induit une légère réduction de la taille des flocs et une évolution peu significative des valeurs de circularité et convexité. L’analyse des distributions en 3 Dimensions couplant les données de taille et de forme s’est révélée un outil prometteur, permettant de proposer des mécanismes responsables de l’évolution des propriétés morphologiques des boues. Enfin, une autre approche a été développée sur la base de deux dimensions fractales reliant l’aire et le périmètre des flocs (Dpf) ou l’aire et la longueur maximale (D2). De brusques variations de Dpf et D2 ont été corrélées avec les phénomènes liés au développement de bactéries filamenteuses.

Dans le cadre de l'application de la directive cadre sur l'eau, la liste des substances « prioritaires » a été révisée et une nouvelle liste dite « de vigilance » a été récemment proposée pour des substances dont les connaissances sur l'exposition et la dangerosité sont à documenter. Or, les stations de traitement des eaux usées (STEU) domestiques actuelles, majoritairement des procédés secondaires biologiques, n'ont pas été conçues pour éliminer les micropolluants. Si elles en éliminent une grande partie, de nombreux micropolluants organiques (pesticides, composés pharmaceutiques, hormones, etc.) sont encore présents dans les eaux traitées. Certains procédés de traitement complémentaires (ou tertiaires) intensifs ou extensifs ont récemment été étudiés de façon à déterminer leur capacité à éliminer des micropolluants considérés comme réfractaires au traitement biologique (peu biodégradable ou faiblement sorbables sur les MES) et/ou présents en fortes concentrations dans les eaux usées brutes. Ainsi, l'oxydation par l'ozone ou par le peroxyde d'hydrogène, et l'adsorption sur charbon actif présentent des rendements supérieurs à 70% pour la majorité des pesticides et des pharmaceutiques étudiés. Concernant les procédés extensifs, de récentes études suggèrent que le rayonnement solaire pénétrant dans une colonne d'eau (ex. zone de rejet végétalisée, ZRV de type bassin) permettrait d'éliminer partiellement certains micropolluants par photodégradation (diclofénac, kétoprofène, etc.). L'objectif général de ce travail de doctorat était d'améliorer la compréhension des processus d'élimination des micropolluants organiques quantifiés en sortie de traitement secondaire par deux procédés de traitement complémentaire prometteurs : la photodégradation dans une ZRV de type bassin et l'oxydation à l'ozone mis en oeuvre par une tour d'ozonation sur une STEU réelle. Nous avons développé une méthodologie commune qui a été appliquée à l'étude de ces deux processus pour une sélection de 63 micropolluants réfractaires au traitement secondaire. La première étape a consisté à réaliser un état de l'art sur les études cinétiques disponibles dans la littérature. Deux bases de données ont ainsi été créées pour documenter les constantes cinétiques et rendements d'élimination pour 12 micropolluants. Ce travail a permis d'avoir une vision critique sur ces données issues de la littérature, notamment en ce qui concerne le réalisme des expérimentations vis-à-vis du traitement complémentaire d'eaux usées traitées. Lors de la deuxième étape, des études à l'échelle pilote ont été menées afin d'améliorer les connaissances sur les mécanismes d'élimination par oxydation par voie directe (photons ou O3) ou bien par voie indirecte (OH●). Ainsi, la voie de dégradation majeure (directe ou indirecte) a été déterminée pour les micropolluants étudiés. L'influence de certains paramètres physico-chimiques de l'effluent (nitrates, nitrites, MES, MOD) a également été abordée. Deux modèles numériques permettant de simuler l'élimination des micropolluants par photodégradation ou oxydation à l'ozone, respectivement, ont été développés et calés à partir des résultats obtenus. Dans la troisième étape, nous avons évalué les performances d'élimination des micropolluants à l'échelle des procédés de traitement complémentaire. Les constantes cinétiques mesurées expérimentalement ont permis de classer en 3 groupe (rapide, intermédiaire et lent) 47 micropolluants selon leur cinétique de dégradation par oxydation à l'ozone et, d'autre part, 42 micropolluants selon leur cinétique de photodégradation. Enfin des prévisions effectuées avec les deux modèles ont été comparées avec les mesures sur site. Ces résultats ont confirmé leur utilisation possible comme outil d'aide à la prédiction du comportement des micropolluants en traitement complémentaire / In the context of the implementation of the Water Framework Directive, the list of "priority" substances has been revised and a new list called "vigilance" was recently proposed for substances whose knowledge on exposure and dangerousness need to be document. However, current domestic wastewater treatment plants(WWTP), mostly secondary biological processes, were not designed to eliminate micropollutants. If WWTP eliminate the most part, many organic micropollutants (pesticides, pharmaceuticals, hormones, etc.) are still present in the treated water. Some tertiary treatment processes (or complementary) intensive or extensive recently been studied to determine their ability to remove micropollutants considered refractory to biological treatment (low biodegradable or low sorption on total suspended solids (TSS)) and / or present strong concentrations in raw water. Thus, oxidation by ozone or hydrogen peroxide, and the activated carbon adsorption have removal efficiencies higher than 70% for the majority of pesticides and pharmaceuticals. On extensive processes, recent studies suggest that solar radiation penetrating the water column (eg. soil-based constructed wetlands with basin) would partially eliminate some micropollutant with significant photodegradability (diclofenac, ketoprofen, etc.). The general objective of this PhD was to improve the understanding of the removal process of organic micropollutants quantified at the output of secondary treatment by two promising complementary treatment processes: photodegradation in a basin of soil based constructed wetlands and oxidation by ozone implemented by an ozonation tower on real WWTP. We have developed a common methodology that has been applied to the study of these processes for a selection of 63 micropollutants refractory to secondary treatment. The first step was to achieve a state of the art on kinetic studies in the literature. Two databases were created to document the kinetic constants and removal efficiencies for 12 micropollutants. This work allowed to have a critical view on the data from the literature, especially regarding the realism of the experiments for complementary treatment of treated wastewater. In the second step, studies on pilot scale have been carried out to improve knowledge about the oxidative removal mechanisms by direct (O3 or photons) or indirect pathway (OH●). Thus, the major contribution of degradation (direct or indirect) was determined for all micropollutants studied and the influence of specific physicochemical parameters of the effluent (nitrates, nitrites, TSS, DOM, etc.) was discussed. Two numerical models for simulating the removal of micropollutants by photodegradation or ozone oxidation have been developed and calibrated from the results. In the third step, we evaluated the removal performance of the micropolluants in the complementary treatment processes. The experimentally measured kinetic constants were used to classify in 3 groups (fast, medium and low) 47 micropollutants according to their kinetics of degradation by oxidation with ozone and, secondly, 42 micropolluants according to their photodegradation kinetics. Finally, predictions made with both models and were compared with measurements in real scale. These results confirmed their possible use as a tool to help to predict the behavior of complementary micropolluants treatment

L’estuaire de la Gironde est sujet à des épisodes d’hypoxie très marqués en été dans la Garonne estuarienne autour de Bordeaux, lorsque le bouchon vaseux y est très concentré, le débit fluvial faible et la température élevée. Les observations indiquent que la diminution des concentrations en oxygène est liée à la combinaison des facteurs naturels (apports par le bassin versant et hydrodynamique sédimentaire) et anthropiques (rejets d’eaux urbaines partiellement traitées). Afin de quantifier les mécanismes contrôlant les variations temporelles et spatiales de l’oxygène dissous, un modèle biogéochimique a été couplé à un modèle hydro-sédimentaire à 3D, capable de simuler le transport des variables dissoutes et particulaires, les réactions consommant l’oxygène, et la ré-aération par l’atmosphère. Le modèle biogéochimique reproduit bien les variations d’oxygène dans la Garonne à Bordeaux à l’échelle saisonnière et lunaire et permet de quantifier les contributions relatives des rejets urbains et des apports du bassin versant à la consommation en oxygène. Utilisé pour simuler des conditions futures (d’ici à 50 ans), le modèle indique que les phénomènes d’hypoxie estivale ont tendance à s’amplifier dans la Garonne estuarienne du fait de l’augmentation de la température de l’eau, de la diminution des débits fluviaux et de l’augmentation de la population dans l’agglomération bordelaise. Les simulations de différents scenarii de gestion indiquent que des soutiens d’étiage, une amélioration du traitement des eaux urbaines et éventuellement un transfert des rejets vers l’aval seraient nécessaires pour éviter une altération drastique de la qualité du milieu aquatique. / The Gironde estuary shows frequent events of hypoxia, particularly during summer in the Garonne tidal river near the city of Bordeaux, in the presence of a dense turbidity maximum, when river discharge is low and water is warm. Field observations reveal that decreases in oxygen concentrations are linked to the combination natural processes (inputs from the watershed and sediment hydrodynamics) and anthropogenic processes (loads of partially treated urban waters). In order to quantify the mechanisms controlling the temporal and spatial variations of dissolved oxygen, a 3D biogeochemical model was coupled to the hydro-sedimentary model. It allowed simulate the transport of solutes and suspended material, the biological reactions consuming oxygen, and the re-aeration by the atmosphere. The biogeochemical model reproduces satisfactorily the seasonal and neap-spring time scale variations of dissolved oxygen around the city of Bordeaux and quantifies the relative contribution of urban and watershed inputs to oxygen consumption. When used to simulate future conditions (50 years), the model indicates that summer hypoxia will likely increase in the future, due to the increase in water temperatures and decrease in river discharge (droughts), and increase in population in the megacity of Bordeaux. Simulation of different management scenarios indicate that support for low-water river discharge, improvement of waste water treatments, and eventually a displacement of urban load downstream will be necessary in order to avoid a drastic alteration of the quality of the aquatic system.

La croissance démographique mondiale induit une pression accrue sur les ressources en eau potable. Une des solutions pour répondre à cette problématique environnementale est de réutiliser les eaux en sortie de station d’épuration (STEP). Cependant, la présence de microorganismes pathogènes et de micropolluants bio-récalcitrants et potentiellement toxiques ne permet pas une réutilisation directe des effluents urbains. Les procédés membranaires peuvent alors être envisagés afin d’éliminer efficacement ces polluants à l’état de trace. Cependant, la mise en œuvre des procédés membranaires implique la production de retentâts concentrés en micropolluants dont le traitement n’est, à ce jour, pas envisagé. Cette thèse propose alors d’étudier l’ozonation pour le traitement de retentâts de nanofiltration (NF) dans le cadre de la réutilisation des eaux usées, l’ozone étant un puissant oxydant et précurseur de radicaux hydroxyles. Pour cela, quatre micropolluants pharmaceutiques ont été sélectionnés comme molécules cibles. Par la suite, l’étude de la NF a mis en évidence qu’elle peut constituer une alternative viable au standard industriel qu’est l’osmose inverse en assurant des rétentions élevées pour des coûts opératoires moindres. L’ozonation s’avère efficace comme prétraitement des concentrâts en éliminant totalement les polluants les plus réactifs à l’ozone moléculaire. Toutefois, ce procédé reste limité quant à l’abattement des polluants réfractaire à l’ozone du fait de l’inhibition de la voie radicalaire par la forte teneur en matière organique des retentâts. Finalement, bien que cette association de procédés soit prometteuse, un traitement supplémentaire en aval de l’ozonation serait nécessaire afin de permettre la réutilisation des retentâts traités et aboutir à l’avènement d’une filière épuratoire à zéro rejet liquide / Global population growth induces increased threat on drinking water resources. One way to address this environmental issue is to reuse water from wastewater treatment plant (WWTP). However, the presence of pathogenic microorganisms and potentially toxic organic micropollutants does not allow a direct reuse of urban effluents. Membrane processes such RO or NF can be considered to effectively eliminate these pollutants. However, the integration of membrane processes involves the production of concentrated retentates which require to be disposed. To date, no treatment is set up to manage safely this pollution. This thesis project focuses on the application of ozonation for the treatment of NF retentates in the framework of the wastewater reuse. Ozonation is a powerful oxidation process able to react and degrade a wide range of organic pollutants. Four pharmaceutical micropollutants frequently detected in wastewater, were selected as target molecules. This study highlighted that NF can represent a viable alternative to the commonly used reverse osmosis process ensuring high retention at much lower operating costs. Ozonation appear to be effective to degrade the most reactive pollutants toward molecular ozone. However, this method is limited for the reduction of refractory ozone pollutants due to the inhibition of the radical chain by the high content of organic matter in the retentates. Finally, the ozonation processe appear to be a promising NF retentate treatment and further processing downstream of ozonation should allow reuse of treated retentates and lead to the emergence of a zero liquid discharge treatment scheme.

Le but ultime de cette recherche était d'élaborer un cadre qui intègre les efforts expérimentaux et de calcul pour évaluer l'exposition des IP en métal et métal - oxyde libérés de stations d'épuration et d'autres implications sur Laus où les biosolides peuvent être appliquées. La fondation de l'effort de calcul est composée de modèles de bilan de masse de Monte Carlo qui représentent les processus uniques qui affectent NP sort et le transport à travers les différents compartiments techniques d'une station d'épuration et LAU. Analyse fonctionnelle et des expériences de bioréacteurs dans les milieux naturels ont été utilisés pour déterminer les paramètres permettant de décrire les processus critiques qui ont un impact sur ​​le sort des infirmières praticiennes dans les eaux usées. Les résultats de cette recherche indiquent que simplifiée, mais l'évaluation de l'exposition toujours d'actualité de l'environnement spécifique nano est possible grâce à l'expérimentation de paramétrer des modèles adaptés. Boîte noire efforts de modélisation, qui ont été indiquées dans les études précédentes, ne montrent pas de désavantage par rapport à la discrétisation des compartiments techniques aussi longtemps que tous les mécanismes de transport et de devenir les principaux sont pris en compte. Le coefficient de distribution (γ), peut être utilisée pour prédire la distribution des NPs. Pour les NPs de métal et d'oxyde métallique étudiés, association globale préférentiel d'environ 90% ou plus avec la phase solide des eaux usées a été observé et prédit. En outre, les réactions d'oxydo-réduction auront une incidence sur l'exposition et doivent être pris en compte. / The ultimate goal of this research was to develop a framework that incorporates experimental and computational efforts to assess and better understand the exposure of metal and metal-oxide NPs released to WWTPs and further implications on LAUs where biosolids can be applied. The foundation of the computational effort is comprised of Monte Carlo mass balance models that account for the unique processes affecting NP fate and transport through the different technical compartments of a WWTP and LAU. Functional assay and bioreactor experiments in environmental media were used to determine parameters capable of describing the critical processes that impact the fate of NPs in wastewater. The results of this research indicate that a simplified, but still environmentally relevant nano-specific exposure assessment is possible through experimentation to parameterize adapted models. Black box modeling efforts, which have been shown in previous studies, show no disadvantage relative to discretization of technical compartments as long as all key transport and fate mechanisms are considered. The distribution coefficient (γ), an experimentally determined, time-dependent parameter, can be used to predict the distribution of NPs between the liquid and solid phase in WWTPs. For the metal and metal-oxide NPs studied, preferential overall association of approximately 90% or greater with the solid phase of wastewater was observed and predicted. Furthermore, NP transformations including dissolution, redox reactions, and adsorption will impact exposure and must be accounted for.