Cette thèse se propose de contribuer aux connaissances relatives à l'impact des facteurs spatiaux (occupation du sol) et temporels (saisons, étiages, pluies) sur la qualité des eaux de ressource à l'échelle du bassin versant. Ainsi les zones et conditions à risque pourront être identifiées à l'aide de l'exploitation et de l'interprétation de bases de données historiques et expérimentales de qualité d'eau à l'échelle du bassin versant de la Vilaine en Bretagne. Cette étude se focalise principalement sur les micropolluants, avec notamment les pesticides et les produits pharmaceutiques vétérinaires pour le contexte agricole, mais également les produits pharmaceutiques humains compte tenu de l'intérêt grandissant qui leur est porté dans le domaine de l'évaluation des risques sanitaires et environnementaux. De plus, cette thèse se propose également de contribuer à l'amélioration et à l'adaptation des traitements des produits pharmaceutiques humains en usine de production d'eau potable compte tenu de l'évolution de la règlementation et de la protection du consommateur.

Ce travail s’intéresse au traitement des effluents issus d’un petit bassin versant résidentiel urbain drainé par un réseau d’assainissement séparatif pluvial. Le traitement est effectué à l’aide d’une mare de sédimentation suivi d’un filtre planté de roseaux. L’instrumentation et les prélèvements permettent un suivi hydrodynamique et physico-chimique. Les résultats montrent que le système contribue fortement à la réduction de la pollution avant rejet au milieu récepteur. Les charges polluantes sont réduites de 70 à 100% pour tous les polluants (sauf la DBO5 et les nutriments, entre 4 et 100%). La mare de sédimentation a un rôle primordial dans l’élimination des polluants présents en phase particulaire, et plus particulièrement des HAPs (100%). Le filtre planté de roseaux intervient au niveau des polluants en phase particulaire non retenus par la mare, mais aussi au niveau des polluants en phase dissoute (nutriments, matière organique, micropolluants métalliques et pesticides). / This work deals with the treatment of effluents from a small urban residential catchment area drained by a separate sewer network. The treatment is made with a sedimentation pond and a constructed wetland. Instrumentation and samplings enable hydrodynamic and physic-chemical monitoring. Results show that the system deeply contributes to reduction of pollution before discharge into receiving water. The pollutant loads are reduced between 70 and 100% for all pollutants (except BOD5 and nutrients, between 4 and 100%). The sedimentation pond plays an essential role in eliminating pollutants in particulate phase, more specifically PAHs (100%). The constructed wetland treat pollutants in particulate phase that are not retained by the pond, but also pollutants in dissolved phase (nutrients, organic matter, metals and pesticides).

L'explosion démographique a conduit à une augmentation intensive des contaminants environnementaux issus de différentes émissions anthropiques, par exemple, les hydrocarbures de pétrole, les pesticides, les biphényles polychlorés (BPC) ainsi que d’autres déchets ménagers tels que les détergents utilisés comme nettoyants ménagers. Du fait de leur persistance et du point de vue toxicologique, les résidus de ces contaminants organiques, qui peuvent être détectés dans les différentes matrices environnementales (eau, sédiments, air et biotes), parfois à très faible concentration (micropolluants), ont conquis l'attention du public. Cette étude vise à déterminer les niveaux de concentration de contaminants sélectionnés dans les sédiments de surface et à identifier la source de ces produits chimiques dans le ruisseau Cortiou. Les résultats ont montré une forte contamination par les hydrocarbures dans la zone étudiée. De plus, ces résultats ont probablement reflété le fait que les processus de biodégradation se sont produits parallèlement à une répartition chronique des charges d’épuration non traitées. Ces polluants organiques ont également confirmé un effet néfaste sur le biote marin et plus particulièrement sur les communautés benthiques pour certaines stations / Demographic explosion has led to increase intensively environmental contaminants issued from different anthropogenic release e.g. petroleum hydrocarbons, pesticides, polychlorinated biphenyls (PCBs) and also other domestic waste such as detergents as household cleaner. Due to their persistence and the toxicological point of view, the remnants of these organic contaminants, which can be detected in the different environmental matrices (water, sediment, air and biota), sometimes with very low concentration (micropollutants), has gained the public attention. This study aims to determine the concentration levels of selected contaminants in surficial sediments and identifying the source of these chemicals in Cortiou Creek. The results showed high contamination by hydrocarbons in the studied area. Additionally, these results probably reflected that biodegradation processes occurred concomitantly with a chronic apportionment of untreated sewage loading. These organic pollutants also confirmed an adverse effect for marine biota and more particularly for benthic communities for some stations

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