De nombreux déchets organiques urbains, industriels et agricoles sont considérés comme des produits résiduaires organiques (PRO). Ils sont potentiellement recyclables en agriculture comme amendement ou fertilisant pour le sol avec selon le type de déchet la mise en œuvre de traitements biologiques (digestion anaérobie, compostage). Du fait de l'utilisation de produits chimiques, les PRO contiennent des micropolluants organiques (µPO) particulièrement quantifiés dans les boues d'épuration. Ces µPO peuvent être toxiques pour les humains et les écosystèmes bien que les concentrations dans les milieux aquatiques soient très faibles (ng-µg.L-1). La plupart de ces µPO ont un fort impact sur l'environnement. Lors des traitements biologiques des boues d'épuration, l'élimination des µPO dépend de deux processus (sorption et biodégradation) eux-mêmes contrôlés par les propriétés physicochimiques de la matière organique et des µPO et les microorganismes présents. La forte sorption et le piégeage des µPO ou leur biodégradation dans la matrice boue lors des traitements minimisent le risque de transfert à l'eau ou à la faune/flore après l'épandage des boues. Cette thèse se propose d'étudier le devenir de différents µPO (hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), nonylphénols (NP) et produits pharmaceutiques) lors du traitement de boues par digestion anaérobie et compostage en lien avec le devenir de la matière organique et l'affinité des µPO pour certaines fractions de cette matière organique. L'objectif est de mieux comprendre les mécanismes qui régissent l'élimination des µPO et in fine d'estimer comment améliorer le procédé pour limiter les transferts au continuum sol/eau/biote. Dans un premier temps, un protocole de caractérisation de la matière organique a été couplé avec un dosage de µPO au cours d'une incubation anaérobie, sur une matrice modèle (boue) et sur des composés modèles (HAP, NP). Les résultats ont montré que les µPO dissipés se situent dans les compartiments les plus accessibles et les plus dégradables de la matière organique et que cette dissipation est pilotée par la dégradation de la matière ; de plus, un phénomène de vieillissement a été observé pour des molécules dopées. Les résultats démontrent que les µPO étudiés ici ont une affinité pour les matières organiques complexes de type humiques. Lors des incubations, seule la moitié de la matière organique est caractérisée. Le protocole de caractérisation de la matière organique a été modifié pour aller plus loin dans la caractérisation « matière » mais aussi en vue d'une application sur la localisation des µPO tout au long d'un système de traitement comprenant digestion et compostage. Ce protocole a donc été revu afin de pouvoir caractériser des matrices de type lignocellulose. Ce protocole a été appliqué à des échantillons issus de la digestion anaérobie et du compostage de boues en laboratoire. Ces procédés sont capables d'éliminer une partie des µPO ; le couplage des deux augmentant le taux d'élimination. L'évolution des fractions matière reflètent la dégradation de la matière organique lors des traitements. De plus, le devenir des µPO étudiés est piloté par le devenir de la matière organique nous permettant de proposer des stratégies d'optimisation de leur dissipation.Les résultats acquis permettent de déterminer des taux d'abattement des µPO lors des traitements des boues mais aucune information n'est donnée quant aux mécanismes précis d'élimination. Les mêmes traitements ont été menés en utilisant des molécules marquées au 14C. Les résultats obtenus sur trois molécules (fluoranthène, NP et sulfaméthoxazole) montrent que les µPO ne sont pas minéralisés lors de la digestion anaérobie. Lors du compostage des boues digérées, une minéralisation du NP apparaît lors de la phase de maturation. Diverses hypothèses peuvent alors expliquer l'élimination constatée au cours des traitements sans molécule marquée : métabolites ou résidus non extractibles sont formés. / Animal manures, urban organic wastes including sewage sludge, food processing and other industrial wastes are considered as organic wastes that are potentially recycled in agriculture as soil amendment or fertilizer after biological treatment like anaerobic digestion and composting.Due to the use of chemicals and industrial activities, these organic wastes contain organic micropollutants, particularly quantified in sewage sludge. These micropollutants are a family of organic compounds which may be toxic for humans or ecosystems even though their concentrations in aquatic environments are usually low (µg to ng.L-1). Most of them have huge impacts on environment (e.g. some of them are endocrine disruptors that can feminize fishes in rivers with concentrations of few ng.L-1).During biological treatments of sewage sludge, micropollutants elimination depends on two processes (sorption and biodegradation) that are driven by physicochemical properties of organic matter and micropollutants and microorganisms. Strong sorption and trapping of organic micropollutants or their biodegradation in sludge matric during anaerobic digestion and composting can minimize their transfer into water or biota after spreading.This thesis aims at studying the fate of organic micropollutants (polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), nonylphenols (NPs) and pharmaceuticals compounds) during sludge treatment by anaerobic digestion and composting in link with the fate of organic matter and the micropollutants affinity for some organic matter fractions. The objective is to better understand the mechanisms which control the micropollutants elimination and estimate how to improve the process to minimize environmental impact.First, a method for sludge organic matter characterization is coupled to organic micropollutants quantification during a model batch process (anaerobic incubation), on a model matrix (sludge) and model compounds (PAHs, NPs). Results show that dissipated micropollutants are located in more accessible and degradable fraction of organic matter and that dissipation is driven by organic matter degradation; furthermore, ageing phenomenon is observed for spiked compounds. Results show that micropollutants have strong affinity for complex organic matter (humic-like substances).During incubations, the quantity of characterized organic matter corresponds only to 50 % of chemical oxygen demand. A modified protocol for characterizing organic matter is set up to go further on organic matter characterization but also to apply it to localization of organic micropollutants. This protocol is also modified in order to characterize other organic matrices (compost).The new protocol is applied to samples from anaerobic digestion and composting of sludge at lab-scale. Anaerobic digestion and composting are able to eliminate organic micropollutants. Coupling both processes increases micropollutants removal. The fate of organic matter pools during processes mimics the fate of organic matter. A link between the fate of organic matter and the fate of organic micropollutants is determined during anaerobic digestion and composting.The results allow determining organic micropollutants removal during anaerobic digestion and composting of sludge but no information is given about the removal mechanisms. Anaerobic digestion with composting is set up at lab-scale with the use of organic 14C labelled micropollutants. The results with three molecules (fluoranthene, sulfamethoxazole, nonylphenols) show that organic micropollutants are not mineralized during anaerobic digestion. During composting, only nonylphenols are mineralized during the maturation phase. Hypothesis about micropollutants removal are the production of metabolites or the formation of non-extractable residues.

La pratique du dragage d'entretien déplace chaque année dans le bassin de la Seine des volumes moyens de 150 000 m3. Ces sédiments accumulent des polluants et c'est pourquoi leur devenir soulève des questions environnementales que nous avons souhaité éclaircir au cours de ce travail. Un bilan des réglementations internationales concernant la gestion de ces matériaux de dragage (MD) nous a permis de noter que cette question au niveau Européen et surtout Français restait posée. Nous avons ensuite décrit les différentes étapes subies par le sédiment depuis l'opération de dragage jusqu'à sa destination finale. Nous avons, grâce à des échantillonnages de sédiments dans le bassin de la Seine, déterminé la qualité des sédiments avant dragage. L'étude de distributions géographiques (SIG) a montré que les fortes concentrations en micropolluants étaient majoritairement retrouvées à l'aval direct des sources de pollution. Après une description des sites d'échantillonnage et des méthodes d'analyse utilisées, nous avons présenté les résultats concernant le suivi de la mise en dépôt de matériaux de dragage provenant du bassin de la Seine dans l'étang du Rouillard. Ce site de dépôt en eau est situé au sein d'une base de loisirs (Verneuil-sur-Seine, 78). Il a reçu de juin 1999 à septembre 2001 200 000 m3 de MD provenant de la Seine à l'aval de Vitry (94) jusqu'à Vernon (27) et de l'Oise à l'aval de Compiègne (60). Le mode de mise en dépôt utilisé remet en suspension les MD avec de l'eau de Seine pour faciliter leur pompage et remblaiement dans l'étang. Cependant, cette remise en suspension modifie les conditions physico-chimiques au sein des MD et est susceptible d'entraîner des relargages de polluants présents dans les sédiments dragués. Nous avons donc suivi l'évolution temporelle de différents paramètres (paramètres in situ, matière organique, nutriments et micropolluants) dans les eaux superficielles de l'étang remblayé, dans les sédiments et leurs eaux interstitielles, ainsi que dans les eaux de la nappe phréatique en contact avec le dépôt. Le suivi de la qualité des eaux superficielles de l'étang a permis de montrer que l'impact majeur de la pratique est l'apport de nutriments et, en particulier, l'apport d'ammonium, et de carbone organique. Ces apports entraînent une eutrophisation de l'étang confirmée par les mesures de chlorophylle a. Il est également apparu clairement que les micropolluants présents dans les MD introduits dans l'étang n'ont pas été relargués vers les eaux superficielles pendant la période étudiée. Cependant, les effets à plus long terme restent à étudier. Les dépôts de l'étang ont joué un rôle important dans la mobilisation ou non des polluants qu'ils contiennent. En effet, ils sont le siège de la diagenèse qui englobe des procédés biologiques et/ou physico-chimiques qui tendent à minéraliser le dépôt. Nous avons mis en évidence l'activité ammonifiante et dénitrifiante du dépôt. Nous avons également constaté la dégradation de la matière organique de ce dépôt entraînant le relargage de carbone organique et de phosphore. Le dépôt a également joué le rôle de puits de micropolluants : à court terme, nous avons effectivement constaté une accumulation des ces polluants à la surface du dépôt. Grâce à l'observation de la qualité des eaux de la nappe située à proximité de l'étang du Rouillard au moyen des piézomètres, nous avons pu noter que la qualité de cette nappe était très peu modifiée. Des calculs de flux de polluants au cours des trois années de mise en dépôt ont permis, d'une part de vérifier nos hypothèses concernant les déplacements d'eau : les infiltrations ont lieu majoritairement depuis la nappe ou la Seine vers l'étang. D'autre part, nous avons pu confirmer les tendances déduites des observations de l'évolution des concentrations en polluants mesurées. Dans une perspective de gestion durable, ce travail a permis de proposer des alternatives de gestion des MD dans le bassin de la Seine et enfin, propose des travaux ultérieurs destinés à approfondir la connaissance des mécanismes observés sur le terrain par des recherches en réacteurs et/ou en site pilote expérimental.

Les activités anthropiques génèrent une contamination à de faibles doses des boues de station d'épuration par des micropolluants organiques persistants tels que les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), les polychlorobiphényles et le nonylphénol. Cette étude porte sur la détermination de l'influence des microorganismes au cours de la méthanisation sur le devenir de ces trois familles de micropolluants. Un protocole spécifique a été mis au point pour extraire des microorganismes de leur écosystème d'origine tout en conservant la singularité structurelle et fonctionnelle des communautés. Trois communautés, au passif de pollution différent, ont ainsi été soumises à la même pression de sélection (substrat et disponibilité en micropolluant) dans des bioréacteurs continus de méthanisation. Ces trois écosystèmes se sont alors distingués parfaitement via les caractéristiques de leurs communautés et la réalisation de fonctions diverses de digestion. Or, la dégradation des micropolluants a convergé dans ces 3 systèmes, démontrant l'absence de lien direct entre méthanogenèse et dégradation de ces molécules et une absence de spécialisation des communautés pour cette dégradation. En outre, il a été observé que la répartition des micropolluants au sein de la boue est influencée par les voies métaboliques des communautés. Plus le degré de digestion est avancé, plus les micropolluants sont abondants dans le compartiment aqueux et sorbés à la matière dissoute et colloïdale. Des fonctions, spécifiques de la dégradation des micropolluants, ont été étudiées (i) en suivant l'assimilation de phénanthrène marqué au 13C en culture batch, source principale de carbone, ce qui n'a pas permis d'observer sa minéralisation et (ii) en recherchant la présence de gènes fonctionnels ce qui n'a pas permis la détection des fonctions ciblée. Des activités œstrogéniques, androgéniques, dioxin-like et HAP-like, l'activité HAP-like est la plus exprimée dans les réacteurs à l'équilibre. Le degré de digestion, via une modification de la répartition des HAP, explique l'augmentation de l'activité HAP-like dans le compartiment aqueux des boues les plus digérées (et sa diminution dans le compartiment particulaire). L'activité HAP-like n'est pas entièrement expliquée par le dosage des HAP, ce qui suggère la présence d'intermédiaires métaboliques ayant une activité biologique et dont la nature différerait suivant le métabolisme exprimé par les communautés microbiennes. / Due to anthropogenic activity the sludge of wastewater treatment plants are contaminated by organic micropollutants like polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), polychlorinated biphenyls and nonylphenol. This study focuses on the influence of microbial communities on the fate of these three micropollutant families during the anaerobic digestion process. A specific protocol was developed to extract microorganisms from their native ecosystem while maintaining their structural and functional singularity. Three communities, with different pollution history, were thus extracted and subjected to the same selection pressure (availability of substrate and micropollutant) in continuous anaerobic digesters. These three ecosystems can be perfectly identified through the characteristics of their microbial communities and their global metabolism. However, our results show also that the degradation of micropollutant converged in these 3 systems, demonstrating no direct link between methanogenesis and micropollutant degradation and no specialization of the microbial communities toward this degradation. In addition, the distribution of micropollutants in sludge is influenced by the metabolic pathways of those communities. The more the digestion is advanced, the greater the micropollutants are abundant in the aqueous compartment and adsorbed to the dissolved and colloidal matter. Specific functions for micropollutant degradation were studied (i) by following the 13C-labeled phenanthrene assimilation as main carbon source, which did not allow observing its mineralization and (ii) by exploring the presence of functional genes, which did not allow the detection of the targeted functions. Among the estrogenic, androgenic, dioxin-like and PAH-like activities, PAH-like activity is more expressed in all reactors at the steady state. The different degrees of digestion, through a change in PAH distribution, explain the increase in PAH-like activity in the aqueous compartment of the most digested sludge (and its decrease in the particulate compartment). PAH-like activity is not fully explained by PAH quantification, suggesting the presence of by-products with biological activity and which could be different depending on the metabolic pathway of the microbial communities.

Les micropolluants organiques (MPO) tels que les HAPs, PCBs et NP sont sous la surveillance étroite des différentes agences de santé et de l'environnement à cause de leurs effets toxiques, cancérigènes et perturbateurs endocriniens sur les organismes vivants. Dans l'environnement, ils se retrouvent dans le sol, les aquifères, les eaux usées, et en raison de leurs propriétés hydrophobes, ces MPO sont principalement associés aux compartiments matière organique dans les boues d'épuration et les sédiments de rivières. La digestion anaérobie, procédé de stabilisation des boues, présente un potentiel pour l'abattement de ces composés. Les deux principaux mécanismes qui régissent l'abattement dans ces conditions des MPO sont le cométabolisme et la biodisponibilité. Leur double influence est évaluée dans ce travail, avec un focus fort sur l'étude des interactions MPO-matrice, la détermination de la distribution des MPO dans les compartiments physiques de la matrice (libre, sorbé à la matière dissoute et colloïdale (DCM) et sorbé aux particules) et avec une caractérisation fonctionnelle, physique et chimique détaillée de la matrice. Pour cela, des réacteurs anaérobies continus et batch ont été mis en œuvre avec des boues de caractéristiques différentes. L'abattement des MPO varie considérablement en fonction des caractéristiques des boues s'expliquant soit par des variations du niveau de cométabolisme, soit par les différents niveaux de biodisponibilité ; ceci suggère qu'une caractérisation détaillée de la matrice boue pourrait aider à prévoir les niveaux d'abattement des MPO. Par ailleurs, les cinétiques en batch montrent que l'abattement des MPO est associé aux premières étapes de la digestion anaérobie, conjointement à leur transfert du compartiment des particules vers le compartiment aqueux. L'abattement des MPO s'observe simultanément dans les trois compartiments libre, sorbé à la DCM et sorbé aux particules. Il est aussi noté l'importance du compartiment DCM sur l'abattement des MPO de haut poids moléculaire. Les coefficients de partage KDOC et Kpart ont été calculés pour étudier les interactions MPO-matrice., Ces données couplées à celles de caractérisation fonctionnelle de la matrice par fluorescence 3D ont permis de construire un modèle explicatif et prédictif des interactions MPO-matrice à l'aide de la méthode de régression partielle des moindres carrés (PLS). Il a été constaté que le compartiment type acide humique a un rôle important dans les interactions MPO-matrice, principalement dans la phase aqueuse, et dans la phase particulaire, les protéines complexes régissent les interactions. Enfin, des modèles PLS explicatifs et prédictifs d'abattement total des MPO ont été construits. Il en ressort que l'abattement des MPO est favorisé par tous les paramètres du cométabolisme (abattement des divers compartiments matière) et par la concentration des MPO en phase aqueuse ce qui tenterait à confirmer que ce compartiment correspond au compartiment biodisponible. Le modèle prédictif basé sur les caractéristiques des boues initiales a identifié les concentrations initiales de MPO (libre, sorbé à la DCM et aux particules) comme les variables les plus importantes qui permettent de prédire l'abattement total des MPO. Cette étude contribue ainsi à mieux comprendre la répartition des MPO dans les matrices boue, et son implication dans le devenir des MPO, de prévoir cette répartition par une caractérisation fonctionnelle de la matrice et de proposer des stratégies pour optimiser l'abattement des MPO au cours de la digestion anaérobie. / Organic micropollutants (OPs) such as PAHs, NP and PCBs, are nowadays looked as environmental pollutants by environmental and health agencies because of their toxic, carcinogenic and endocrine disrupting effect on living organisms. Within the environment, they can deposit to soil, water bodies and sewage system and due to their hydrophobic properties, they are mainly associated with hydrophobic compartments such as organic matter in sewage sludge. Anaerobic digestion has been shown as a potential biological process for removing these compounds. The two main mechanisms that govern their anaerobic removals are the cometabolism and the bioavailability. In this work, cometabolism and bioavailability influences were evaluated focusing mainly on the study of the OP-organic matrix interactions, the determination of the OPs distribution among the physical compartments (free, sorbed to dissolved and colloidal matter (DCM) and sorbed to particles) combined with a detailed physical, chemical and functional matrix characterization. For this, continuous and batch anaerobic reactors were fed with different sludge samples. It was found that the OPs removals varied greatly as a function of sludge characteristics and that greater or lesser removal might be explained either by variations in cometabolism or by different levels of bioavailability, suggesting that a detailed characterization of the feed may help to predict the OPs removals. Additionally, batch kinetics demonstrated that OPs removals are coupled to the first step of the anaerobic digestion, jointly to the OPs transfer from the particules to the aqueous compartment. The OPs are simultaneously removed from the three physical compartments (free, DCM and particules). Moreover, it was highlighted the importance of the DCM fraction on the removal of the high molecular weight OPs. KDOC and Kpart partition coefficients were calculated to study the OP-organic matrix interactions coupled to a functional characterization by 3D fluorescence of the matrix in order to construct an explicative and predictive model of the OP-organic matrix interactions using partial least square regression (PLS). It was found that the humic acid-like compartment has a great role in the OP-organic matrix interactions mainly in the aqueous phase, and in the particulate phase, the complex proteins govern the interactions. Finally, explanatory and predictive PLS models of total OPs removals were constructed. It was concluded that OPs removals are favored by all cometabolic parameters (substrates removals) jointly to the aqueous OPs concentration which tends to confirm that this compartment corresponds to the bioavailable one. The predictive model based on the initial sludge characteristics, identified the initial OPs concentrations (free, DCM and particulate) as the most important variables that predict the total OPs removals. This study contributes to better understand the OPs distribution among the sludge compartments and its role in the fate and removal of the compounds, to predict this distribution through matter functional characterization and to propose strategies in order to optimize the OPs removals under anaerobic conditions.

Dans le cadre des objectifs définis par la Directive Cadre sur l'Eau, ce travail de thèse porte sur la quantification du transfert de micropolluants organiques à la confluence entre la Fensch et la Moselle. Une nouvelle méthodologie a été développée pour déterminer les niveaux d'anthropisation dans les matrices environnementales. Basée sur la quantification exhaustive des marqueurs moléculaires, cette approche permet de comparer les apports naturels et anthropiques et de différencier les apports anthropiques selon leurs origines (combustion, pétrogénétique, eaux usées). Elle est parfaitement appropriée à l'étude de la matière organique des différentes matrices environnementales fournissant des informations beaucoup plus complètes que le dosage de quelques molécules cibles. Appliquée aux sédiments du système Fensch-Moselle, cette approche a permis d'analyser l'évolution des contributions organiques le long de la Fensch ainsi que leur transfert à la confluence avec la Moselle, tout en déterminant les sources principales de contamination. Ce travail souligne l'importance de l'hydrodynamisme sur la sédimentation et la biodégradation des micropolluants organiques. L'étude de ce système a également été l'occasion de développer deux outils utiles pour répondre à des questionnements environnementaux majeurs. Le premier, basé sur la déconvolution de l'unresolved complex mixture, permet de quantifier la masse de produits pétroliers accumulés dans des sédiments. Le second se base sur l'étude de la répartition des micropolluants organiques en phase aqueuse (dissous, colloïdale, particulaire) lors de la mobilisation de sédiments contaminés, permettant d'évaluer leur biodisponibilité.

La présence de micropolluants dans tous les milieux aquatiques est aujourd'hui une préoccupation importante. La réduction des émissions de micropolluants organiques vers le milieu aquatique par les stations d'épuration (STEP) domestiques est donc un enjeu important. Ce travail porte sur l'amélioration du traitement de ces substances par les traitements secondaires et tertiaires des STEP. En premier lieu, l'objectif a été de mieux comprendre les processus d'élimination des micropolluants organiques lors de leur passage au sein d'un procédé de type boues activées aération prolongée (BA-AP). Notre travail a consisté à proposer un outil permettant de prévoir a priori le comportement de substances organiques en BA-AP par rapport à certaines de leurs propriétés physico-chimiques (i.e. constante de Henry, log Dow, structure moléculaire). La démarche adoptée a consisté à sélectionner des données de rendements d'élimination fiables et robustes, puis à les associer aux caractéristiques physico-chimiques des substances. La méthode développée est simple ; elle nécessite de connaitre uniquement des paramètres physico-chimiques facilement accessibles et la structure moléculaire des substances. Elle constitue donc une alternative crédible aux méthodes faisant intervenir la modélisation. Cette méthode permet une prédiction a priori du niveau de traitement d'une substance (rendement supérieur ou inférieur à 70%) par les traitements secondaires existants. Dans un second temps, l'objectif a été de proposer une étape de traitement tertiaire, spécifique à l'élimination de micropolluants organiques réfractaires aux traitements secondaires. Le procédé proposé est une filtration sur support fin spécifique capable de retenir par des processus d'adsorption les substances ciblés (i.e. phytosanitaires et substances pharmaceutiques dont l'élimination est insuffisante en traitement secondaire conventionnel). Une étude bibliographique a permis tout d'abord de dresser un état des lieux sur les adsorbants utilisés et leur capacité d'adsorption. Suite à cette étude, la zéolite et l'argile expansée ont été retenus ; les potentialités d'adsorption de ces deux matériaux ont été étudiées à l'échelle laboratoire (tests en réacteur fermé) et à l'échelle pilote (suivi des performances de réacteurs à garnissage drainé à écoulement horizontal). Les tests d'adsorption en réacteur fermé montrent que les matériaux choisis (argile expansée et zéolite) possèdent une potentialité pour adsorber les substances étudiées (14 substances soient 10 pharmaceutiques et 4 pesticides). Le suivi des réacteurs ouvert confortent les résultats obtenus en réacteur fermé et démontrent que les matériaux étudiés possèdent un potentiel pour l'adsorption des substances ciblées, et ce y compris dans des conditions de filtration lente, proches des conditions réelles. Les résultats obtenus démontrent le potentiel de matériaux minéraux microporeux à éliminer des micropolluants organiques de la phase dissoute et ainsi à se substituer au charbon actif, matériau onéreux et peu adapté aux petites collectivités. / The aim of the present work was to propose solutions to reduce organic micropollutants emissions by wastewater treatment plants (WWTP). First, the objective was to improve the comprehension of micropollutants behaviour in nitrifying activated sludge process. The use of a reliable removal efficiency dataset allowed setting up a removal efficiency prediction method only from the micropollutants physico-chemical characteristics (i.e. log Kow, Henry constant and molecular structure). This method represents a first progress through a better micropollutants removal by the existing secondary WWTP. Second, the aim was to set up a tertiary stage process to enhance the removal of micropollutants refractory to conventional WWTP. This tertiary stage process is a filtration of the secondary effluent by adsorbent materials that could represent a credible alternative to expensive materials such as activated carbons. Experimental approaches at different scales (lab and pilot) demonstrated that some alternative materials such as expanded clay and zeolite have the potential to adsorb refractory substances (e.g. pesticids and pharmaceuticals) and thus to decrease the concentration of organic micropollutants in effluent.

Dans le cadre des objectifs définis par la Directive Cadre sur l’Eau, ce travail de thèse porte sur la quantification du transfert de micropolluants organiques à la confluence entre la Fensch et la Moselle. Une nouvelle méthodologie a été développée pour déterminer les niveaux d’anthropisation dans les matrices environnementales. Basée sur la quantification exhaustive des marqueurs moléculaires, cette approche permet de comparer les apports naturels et anthropiques et de différencier les apports anthropiques selon leurs origines (combustion, pétrogénétique, eaux usées). Elle est parfaitement appropriée à l’étude de la matière organique des différentes matrices environnementales fournissant des informations beaucoup plus complètes que le dosage de quelques molécules cibles. Appliquée aux sédiments du système Fensch-Moselle, cette approche a permis d’analyser l’évolution des contributions organiques le long de la Fensch ainsi que leur transfert à la confluence avec la Moselle, tout en déterminant les sources principales de contamination. Ce travail souligne l’importance de l’hydrodynamisme sur la sédimentation et la biodégradation des micropolluants organiques. L’étude de ce système a également été l’occasion de développer deux outils utiles pour répondre à des questionnements environnementaux majeurs. Le premier, basé sur la déconvolution de l’unresolved complex mixture, permet de quantifier la masse de produits pétroliers accumulés dans des sédiments. Le second se base sur l’étude de la répartition des micropolluants organiques en phase aqueuse (dissous, colloïdale, particulaire) lors de la mobilisation de sédiments contaminés, permettant d’évaluer leur biodisponibilité / According to the objectives of the Water Framework Directive, this study deals with the quantification of the transfer of organic micropollutants at the confluence between Fensch and Moselle Rivers. A new methodology has been developed in order to quantify the anthropogenic pressure in environmental matrices. Based on the exhaustive quantification of molecular markers, this approach allows the comparison between natural and anthropogenic inputs and the differentiation between anthropogenic sources (pyrogenic, petrogenic, sewage waters). It is fully appropriate in order to study organic matter in different environmental matrices providing much more information than the quantification of few target compounds. In sediments of the system Fensch-Moselle, this approach has been applied in order to study the evolution of the anthropogenic pressure due to organic micropollutants along the Fensch River, their transfer at the confluence with the Moselle River and the major sources of contamination. This work highlights the relationship between hydrodynamism and settling and biodegradation of organic micropollutants. Together with the mutimolecular approach, two methodologies have been developed in order to answer to major environmental questionings. The first one, based on the deconvolution of unresolved complex mixture, allows quantifying the amount of petroleum by-products stored in sediments. The second one is based on the analysis of organic micropollutants in aqueous phases (dissolved, colloidal, particulate) during mobilization of contaminated sediments, which allows the evaluation of their bioavailability

Préserver les ressources en eau est l’une des problématiques environnementales majeures du 21è siècle. Pour faire face à cette nécessité, il est essentiel de mettre en place une surveillance réglementée de la qualité des eaux et des rejets se déversant dans le milieu aquatique et de développer de nouveaux outils d’échantillonnage. L’échantillonnage ponctuel est la technique la plus facile à mettre en œuvre. Toutefois, elle n’est pas toujours représentative d’un milieu hétérogène parfois soumis à des variabilités spatiales et temporelles importantes. L’échantillonnage passif, notamment avec l’outil POCIS (Polar Organic Chemical Integrative Sampler), est une approche complémentaire aux techniques traditionnelles, qui permet de concentrer des molécules organiques semi-polaires directement sur site. La pertinence du résultat obtenu (la concentration moyennée sur la durée d’exposition), couplée à la simplicité de sa mise en œuvre en font a priori un outil de choix pour suivre des hydrosystèmes complexes.Dans ce contexte, des familles des composés diversifiées ont été sélectionnées : pesticides, composés pharmaceutiques, hormones stéroïdiennes et composés perfluorés. Au sein de chaque famille, plusieurs composés traceurs, présents dans l’environnement, comportant des propriétés physico-chimiques variées et aux statuts règlementaires différents (Directive Cadre sur l’Eau notamment), ont été choisis.Des essais d’optimisation de design du POCIS (quantité et nature de phase réceptrice, nature de la membrane) ont été conduits, menant à la validation de la configuration classique dans le cas général. L’influence de différents paramètres environnementaux pertinents : débit, température, matrice, présence de biofilm et dispositif de déploiement a été évaluée lors de calibrations de l’outil réalisées dans des systèmes de complexité croissante : au laboratoire, sur pilote et sur site.Les différents déploiements sur site (effluent de STEP et rivière) ont permis de valider l’utilisation de cet outil de prélèvement passif dans le cadre d’un suivi environnemental. Le potentiel du POCIS a été pleinement confirmé, tant en termes de logistique que de résultats (justesse par rapport aux concentrations mesurées par des techniques classiques, intégration d’événements ponctuels, limite de quantification…). / The protection of water resources is one of the major environmental stakes of 21st century. Regulation concerning water quality and effluents is therefore definitely needed, as well as new approaches regarding water sampling. Spot sampling is the easiest strategy. However, it may not be representative of a heterogeneous matrix, with sometimes important spatial and temporal variability. Passive sampling, including POCIS (Polar Organic Chemical Integrative Sampler) is a complementary approach, which enables an on-site pre-concentration of semi-polar organic compounds. The relevance of the result (time-weighted average concentrations) and the ease to implement POCIS make it an appropriate tool to monitor complex hydrosystems.Within this work, various compound classes were selected: pesticides, pharmaceuticals, steroid hormones and perfluorinated compounds. Among each family, several tracer molecules, widely encountered in the environment, with different physic-chemical properties and regulatory status (particularly in the Water Framework Directive), were chosen.POCIS design optimization (amount and nature of sorbent, nature of membrane) was carried out, leading to the validation of the standard configuration for general purposes. The impact of different relevant environmental parameters (flow-rate, temperature, matrix, biofouling and deployment device), was assessed during calibrations of POCIS conducted in systems of increasing complexity: in the laboratory, at pilot-scale and on-site.All on-site deployments (WWTP effluent and river) enabled to validate the use of this passive sampling tool in the framework of an environmental monitoring. The potential of this tool was fully confirmed, both logistically and in terms of results (trueness compared to concentrations measured with traditional techniques, integration of punctual events, quantification limit…).

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