This diploma thesis deals with the efficiency of removal of pharmaceuticals from drinking water by selected adsorption materials. The first part describes sources of pharmaceuticals in drinking water and possible ways of contaminating water by pharmaceuticals. Subsequently, the pharmaceuticals most commonly found in the environment - nonsteroidal anti-inflammatory drugs, antibiotics, psychiatric drugs and sex hormones - are described in more detail. Next, the thesis describes the processes used for removal of pharmaceuticals. These are activated carbon adsorption, membrane processes and advanced oxidation processes. The last chapter of the theoretical part of the thesis deals with water treatment plants, where the technologies for removing drugs are already in operation. In the practical part of this thesis an experiment was performed and evaluated, for a purpose of comparing the efficiency of selected sorption materials in the removal of diclofenac from water. Filtrasorb F100, Bayoxide E33 and GEH were used.

Ce travail de thèse concerne le développement de catalyseurs Fe/Faujasite afin de dégrader un cocktail de micropolluants provenant d’une eau réelle de rivière dans la Meurthe (France) avec le procédé photo-Fenton hétérogène. Les micropolluants étudiés appartiennent à 4 grandes familles : des principes actifs pharmaceutiques, des produits de soins cosmétiques, des perturbateurs endocriniens, et des composés perfluorés. Pour la première fois, dans cette thèse, la dégradation d’un mélange de 21 micropolluants à l’état de traces (2 – 80 ng/L) provenant d’une réelle eau de rivière non-dopée a été effectuée. Cependant, le fait de travailler avec des concentrations très faibles en polluants reste un challenge notamment en ce qui concerne les aspects de chimie analytiques. Ce travail de thèse est donc divisé en deux grandes parties. Dans un premier temps, il a été nécessaire de trouver la meilleure eau réelle contenant un nombre élevé de micropolluants de différentes natures à des concentrations de l’ordre de quelques ng/L mais inférieures à 100 ng/L. Pour cela différentes campagnes de prélèvement ont été effectuées dans les deux principales rivières de la région Lorraine, la Meurthe et la Moselle, en différents lieux et différentes périodes de l’année. L’eau provenant du site de Moulin Noir a été choisie. Dans une deuxième partie, nous avons développé des catalyseurs fer/Faujasite pour pouvoir tester leur efficacité pour la dégradation des micropolluants provenant du site de Moulin Noir par le procédé photo-Fenton hétérogène. Dans une étape intermédiaire, l’optimisation des paramètres opératoires du procédé photo-Fenton avec nos catalyseurs a été effectuée en utilisant deux macropolluants modèles, phénol et diclofenac / Twenty one 21 micropollutants including pharmaceuticals, personal cares product, endocrine disruptors and perfluorinated compounds presenting at ng/L in the real water of Meurthe river, were successfully quantified and removed using heterogeneous photo-Fenton process. To achieve this goal, an analytical-catalytic methodology was developed and the work steps were performed linked together in a cycle-like manner. The use of the sensitive and efficient multi-residual SPE-LC-MS/MS analytical method allowed us to analyze and quantify the mixture of micropollutants present in a complex matrix during 3 periods of the year with different weather conditions, from 5 sampling sites. Results showed that the highest concentrations of most of the present micropollutants are observed in October at ng/L, Moulin Noir sampling site found to contain the largest number and type of these pollutants, the WWTP was not efficient in the removal of the micropollutants present in water and the drinking water used from tab was totally safe from micropollutants. The calculation of the fluxes and estimation of the mass balance at the rivers confluence confirmed the good precision and reliability of our measurement methodology, and specify the most suitable site for water to be taken from to be used in the removal tests which was Moulin Noir. Having the appropriate water sample, an efficient iron impregnated Faujasite catalyst was developed and used in a photo-Fenton process for the micropollutant removal tests. After characterization and optimization of the different experimental factors using the 2 model macropollutants, phenol and diclofenac, the real tests were performed on real water samples from Moulin Noir. The results demonstrated the good efficiency of the photo-Fenton process with the cocktail of 21 micropollutants. Except for sulfamethoxazole and PFOA, the concentrations of all the other micro-contaminants became lower than the limit of quantification of the LC-MS/MS after 30 minutes or 6 hours of photo-Fenton treatment depending on their initial concentrations under the effect of both adsorption and Fenton mechanisms. Comparing the photo-Fenton process to heterogeneous photocatalytic degradation over TiO2, Faster micropollutants removal occurred with the zeolite

Occurrence of organic micropollutants (OMPs) in aquatic environment is a worldwide concern. A long list of anthropogenic substances, including pharmaceuticals, hormones, etc., are frequently detected in natural water sources. Wastewater treatment plants are one main source of OMPs pollution, but also a key step to control OMPs dissemination into the environment. This dissertation focuses on the evaluation of Membrane Aerated Biofilm Reactor (MABR) as a sustainable process to treat wastewater polluted by OMPs. Furthermore, application of high intensity pulsed light is proposed as an innovative tertiary treatment to produce reclaimed water of high quality. In Chapter 1, a literature review was performed to investigate the occurrence and toxicity of 12 selected organic micropollutants (OMPs) in surface and ground water and the limitations of current available biological processes. Among these technologies, systems with enriched nitrifying activity were able to enhance the removal of specific OMPs through cometabolic activities. Thus, I proposed the use of a MABR with enriched nitrifying biomass to treat OMP polluted water. In Chapter 2, I studied the influence of biofilm thickness on the removal of 13 OMPs via MABR. Results demonstrated OMP removal was dependent on biofilm thickness and bacterial cell density. MABR demonstrated important efficiencies in the removal of ammonium, COD, acetaminophen and triclosan at early stages of biofilm thickness. However, the removal of nonpolar, hydrophobic 4 OMPs and anionic, acidic OMPs required thicker biofilms, achieving maximum removal at biofilm with 1.02 mm thickness and 2.2 × 106 cell mL-1. In Chapter 3, the contribution of sorption and biodegradation in the removal of OMPs via MABR was evaluated. At three stages of biofilm thickness studied, biodegradation dominated the removal for most OMPs. Heterotrophs played an important role in OMP biodegradation at all biofilm thickness, while autotrophic nitrifiers enhanced their contribution at thickness beyond 0.58 mm. Increased removal of pollutants like estrone and ethinyl estradiol were linked to the MABR enrichment with nitrifying bacteria. Sorption was essential for the removal of lipophilic and recalcitrant pollutants like triclosan. Finally, to provide high quality treated water for reuse, Chapter 4 explores the use of high-intensity pulsed light (HIPL) as post-treatment. The number of pulses and optical energy dose have a significant impact on the OMPs removal. HIPL demonstrated fast kinetics and efficient photodegradation – with significant OMPs removal within milliseconds. The findings from my Ph.D. dissertation indicate that MABR combined with high-intensity pulse light may be an effective treatment train for the efficient removal OMPs present in municipal wastewaters. This combined treatment process could potentially pave the way to produce high quality reclaimed water for various reuse purposes.

Die Verschmutzung von Süßgewässern mit organischen Mikroschadstoffen ist ein Problem, das sich weltweit zunehmend verschärft. Die vorliegende Doktorarbeit soll zu einem besseren Verständnis des Verhaltens einzelner Mikroschadstoffe und deren Transformationsprodukten in Flüssen beitragen, sowie die Rolle relevanter Einflussfaktoren untersuchen. Verhalten verschiedener Stoffe wurde im Oberflächenwasser eines urbanen Flusses analysiert. Es zeigte sich, dass die Sonneneinstrahlung für einige Verbindungen der wichtigste Einflussfaktor ist, während andere eher biologisch abgebaut wurden. Die Mahd von Makrophyten hatte ebenfalls stoffspezifische Folgen auf den Abbau. Um langfristige Variabilität von Stofftransport besser zu verstehen wurde eine neue Methode zur Schätzung des Stofftransports anhand von Schwankungen der elektrischen Leitfähigkeit getestet. Einige Stofftransportparameter änderten sich über die Jahreszeiten hinweg und transiente Speicherung unterschied sich zwischen den Flussabschnitten. Um im Besonderen den Einfluss von mikrobieller Diversität und von hyporheischem Austausch zu bewerten, wurde ein Meskosmenexperiment mit 20 rezirkulierenden Fließrinnen entwickelt. Es konnte festgestellt werden, dass vor allem mikrobielle Diversität einen starken Einfluss hat. Der neue Versuchsaufbau kann zukünftig für die Untersuchung weiterer Variablen Verwendung finden. Schließlich wurden Mikroschadstoffe und Transformationsprodukte in der hyporheischen Zone der Fließrinnen analysiert. Das Verhalten war sowohl stoffspezifisch als auch fließwegspezifisch. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung des oberflächennahen, hyporheischen Austauschs auf den Stoffabbau. Im Allgemeinen konnte die hohe Variabilität des Abbaus von Mikroschadstoffen mit besonderer Relevanz der hyporheischen Zone und der mikrobiellen Diversität nachgewiesen werden. Diese Faktoren sollten in zukünftigen Forschungsvorhaben besonders berücksichtigt werden. / Contamination of freshwaters with organic micropollutants is a worldwide emerging problem. The present thesis aims to contribute to a better understanding of the variability of the behaviour of individual micropollutants, the formation of transformation products in rivers and the specific role of relevant influencing factors. The behaviour of several substances was investigated in the surface water of an urban river by accounting for spatial and temporal dynamics. Solar radiation was identified to be the major driver for some compounds, while others were more susceptible to biodegradation. The response to macrophyte removal was also compound-specific. To better understand long-term variability of solute transport on a reach-scale a new method to estimate solute transport by use of electrical conductivity fluctuations was proposed and tested. Some solute transport metrics changed over the seasons and transient storage differed between river sections. To specifically assess the influence of microbial diversity and hyporheic exchange, a mesocosm experiment with 20 recirculating flumes was developed. It was found that microbial diversity in particular had a strong impact and the novel setup was suggested to be a useful method to test other variables in the future. Finally, the behaviour of micropollutants and transformation products in the hyporheic zone of the flumes was investigated on a centimeter-scale. The behaviour was found to be compound-specific as well as flowpath-specific. But several compounds were degraded most on the shortest, most oxic flowpath. The findings highlight the importance of shallow, small-scale hyporheic exchange for turnover of micropollutants. Generally, the high variability of micropollutant degradation depending on relevant influencing factors, specifically hyporheic exchange and microbial diversity, has been demonstrated. These factors are of great importance and need to be addressed and considered in future research.

Les travaux menés au cours de cette thèse ont pour objectif d’étudier l’applicabilité du procédé d’ozonation catalytique TOCCATA® au traitement avancé d’eaux résiduaires urbaines pour le contrôle des émissions en micropolluants. Ce travail couvre la détermination des propriétés physico-chimiques, structurelles et de réactivité de deux catalyseurs et l’optimisation de leur conditionnement pour le procédé d’ozonation catalytique. La caractérisation hydrodynamique du réacteur à co-courant ascendant triphasique en lit fixe utilisé pour la mise en œuvre du procédé a été également réalisée. Les processus élémentaires impliqués dans le procédé ont ensuite été étudiés séparément : transfert gaz-liquide, adsorption, ozonation simple et interaction ozone/matériau. Enfin l’ozonation catalytique a été étudiée vis-à-vis de l’élimination de la matière organique des eaux usées réelles. L’ozonation catalytique se montre moins sélective que l’ozonation simple et améliore le procédé en termes de transfert d’ozone et d’élimination du carbone organique. Des mécanismes et des lois cinétiques pour chacun des processus élémentaires ont été déterminés et une loi de vitesse globale de premier ordre pour le procédé d’ozonation catalytique est proposée. L’étude de l’influence de différentes variables opératoires a été effectuée en vue de l’optimisation du procédé. L’investigation a ensuite été élargie à l’élimination de micropolluants spécifiques (carbamazépine, diuron, kétoprofène, diclofénac, naphtalène) appliquée à des eaux synthétiques, ainsi qu’à des eaux résiduaires urbaines réelles. La plupart des composés sont dégradés après application d’une faible dose d’ozone par le procédé. L’étude de leurs propriétés et de leur affinité avec le système d’ozonation catalytique a permis d’expliquer leurs comportements. / This thesis aimed to study the application of the TOCCATA® catalytic process to urban wastewaters treatment in order to control micropolluant emissions. This work first focused on physico-chemical, structural and reactional properties of two catalysts and on the optimization of their conditioning for the use in the catalytic process. The hydrodynamic characterisation of the fixed bed triphasic co-current upflow reactor used for this study was realized. Elementary processes involved in the process were studied separately: gas-liquid transfer, adsorption, single ozonation, ozone/catalyst interactions. Catalytic ozonation was then investigated for the elimination of organic matter contained in real urban wastewaters. Catalytic ozonation appeared to be less selective than single ozonation and to improve the process in terms of ozone transfer and organic carbon removal efficiency. Mechanisms and kinetic laws were determined for each elementary process and a global first order kinetic law was proposed for catalytic ozonation. The study of various operating conditions (liquid and gas flows, ozone dose …) was conducted in order to optimize the process efficiency.Investigations were then extended towards specific micropollutants elimination (carbamazepine, diuron, ketoprofen, diclofenac, naphtalene) onto synthetic waters as well as real urban wastewaters. Most of the compounds were eliminated with low dose ozonation by the TOCCATA® catalytic ozonation process. The properties of the micropollutants and their affinities with the catalytic ozonation system were studied in order to explain their behaviours.

Dans un contexte de raréfaction de la ressource en eau, le traitement des eaux usées peut permettre de constituer des réserves d’eau durables et valorisables pour des usages variés tels que l’irrigation des cultures, la recharge de nappe phréatique ou encore une utilisation directe par les industries grandes consommatrices d’eau (cimenterie, aciéries…). Ainsi, la nécessité d’améliorer le traitement des eaux usées en sortie de STEU devient primordial afin d’assurer une qualité chimique et microbiologique de l’eau compatible avec sa réutilisation. Le traitement des micropolluants constitue notamment un nouveau défi pour les STEU. Si des projets de recyclage des eaux usées émergent pour les grandes STEU, le potentiel des petites ou moyennes STEU, qui constituent près de 90% des installations en France, reste inexploité à l’heure actuelle. Pour y remédier, les procédés d’oxydation avancée, notamment ceux basés sur l’UV, se présentent comme des solutions de traitement prometteuses. L’objectif de cette étude est de démontrer que la technologie UV/H2O2 est efficace et économiquement réaliste pour la désinfection et l’élimination des micropolluants organiques dans ces petites et moyennes STEU. Dans une première phase, un pilote de laboratoire UV/H2O2 a été évalué en conditions réelles (débit, matrice) sur des modèles bactériens et sur des micropolluants estrogéniques (E1, E2 et EE2) dans les eaux usées traitées d’une STEU. L’efficacité du traitement est comparée à celle de la photolyse seule. Il a été montré que le traitement UV/H2O2 permet une amélioration de la désinfection en assurant une destruction des bactéries contrairement à la photolyse seule qui ne fait qu’inactiver les micro-organismes. D’autre part, les doses UV (plus petit 600 mJ/cm²) et les concentrations en H2O2 étudiées (30-50 mg/L d’H2O2) permettent d’abattre plus de 80% de l’ensemble des micropolluants ciblés et de l’activité biologique (estrogénicité) associée, sans former de sous-produits estrogéniques ou toxiques au regard des tests d’activité employés dans l’étude (YES et Vibrio Fisheri). Parallèlement, il a été montré que le procédé UV/H2O2 est également efficace pour éliminer plus de 70% des produits pharmaceutiques (diclofénac, ibuprofène et naproxène) à 1000 mJ/cm². Sur la base des paramètres de traitement établis en pilote de laboratoire, un prototype a été dimensionné pour la STEU de Vercia (filtre planté de roseaux, 1100 EH, Jura). Les conditions de traitement mises en œuvre (dose UV plus pertit 1000 mJ/cm², [H2O2] = 15 mg/L) ont permis d’obtenir une eau de très haute qualité bactériologique et des abattements des micropolluants suivis supérieurs à 90%. Cette expérimentation à échelle réelle a permis d’estimer le coût global de cette technologie à environ 0,28 €/m³. L’ensemble de ce travail de recherche conclue à l’efficacité et au fort potentiel de la technologie UV/H2O2 pour le recyclage des eaux usées traitées des petites et moyennes STEU. / Water scarcity is a growing concern worldwide. In this context, treated wastewater is seen as a sustainable water resource which could be used for different purposes such as irrigation, groundwater recharge or industrial activities. Reclaimed water is an environmentally and economically solution, still poorly developed in France. However, an increasing demand is expected in the coming years. Therefore, treatment enhancement in wastewater treatment plant could be necessary in order to meet chemical and biological water quality requirements which will depend on the final use of the treated water. The treatment of emerging micropollutants is one of the new challenge WTP will have to cope with. Enhanced treatment processes (ozonation, activated carbon, membrane filtration) have already been set up in large WTP but small and medium WTP, representing around 90% of the French WTP, are still lacking of affordable treatment solutions. However, UV based advanced oxidation process (AOP) could be a promising technology in order to produce a water of high quality. The aim of this study is to demonstrate that UV/H2O2 process is technically and economically efficient for the disinfection and the removal of micropollutants in small and medium WTP. First of all, a UV/H2O2 pilot at a laboratory scale was assessed on bacterial models as well as estrogenic micropollutants (E1, E2 and EE2) in treated wastewater. Treatment efficiency was compared to UV photolysis. It was shown that UV/H2O2 treatment increased the disinfection process by destroying the cellular membrane integrity whereas the UV photolysis could only inactive the bacteria. Moreover, when combining UV (plus petit 600 mJ/cm²) and H2O2 (30-50 mg/L), above 80% of the estrogenic compounds and the associated estrogenic activity could be removed. No high estrogenic or toxic by-products were detected by the two bioassays used in this study (YES and vibrio fisheri). The UV/H2O2 process could also degrade pharmaceuticals such as diclofenac, ibuprofen and naproxen (>70 % at 1000 mJ/cm²). In a second part, a full scale pilot was designed based on the previous results and set up in a WTP in Vercia (Jura). The treatment (UV fluence ≈ 1000 mJ/cm², [H2O2] = 15 mg/L) allowed to obtain a water of a very high bacteriological and chemical quality. The global cost of the process was estimated at around 0.28 €/m³. This study demonstrates the efficiency of the UV/H2O2 process in a small WTP and its high potential for reclaimed water production

The efficiency of wastewater treatment systems is commonly measured by the reductions of parameters such as biological oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD) and total suspended solids (TSS) and/or reductions in levels of selected macro compounds (e.g. long-chained hydrocarbons and inorganic compounds). Less attention has generally been paid to micropollutants with high potential toxic effects, such as polycyclic aromatic compounds (PACs), including unsubstituted and alkylated polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and dibenzothiophenes, polychlorinated biphenyls (PCBs), human pharmaceuticals and by-products formed during the treatment process. These organic micropollutants occur in wastewaters at trace and ultra-trace levels, therefore their detection requires advanced, costly analyses and large sample volumes. Furthermore, concentrations of micropollutants can fluctuate widely both diurnally and between days. Thus, in order to understand the fate of micropollutants in wastewaters there is a need to develop sampling techniques that allow representative samples to be readily collected. In the work underlying this thesis two types of diffusive passive samplers, semipermeable membrane devices (SPMDs) and polar organic chemical integrative samplers (POCISs), were used to monitor non-polar and polar organic micropollutants in wastewaters subjected to various treatment processes. The pollutants sequestered in these samplers represent micropollutants in the dissolved phase that are available for aquatic organisms. Further, since they collect pollutants in an integrative manner, i.e. they sample continuously during the selected exposure time (usually approx. one to ca. three weeks), the results provide time-weighted average (TWA) concentrations. In addition, the effects of various environmental factors on the uptake of analyzed micropollutants in POCISs and SPMDs were investigated using laboratory calibration and in situ calibration with performance reference compounds (PRCs). The results confirm that SPMDs are good sampling tools for investigating the efficacy of wastewater treatment processes for removing non-polar PACs and PCBs, and the effects of varying the process settings. In addition, analyses of process streams in municipal sewage treatment plants demonstrated that conventional sewage treatment processes are not optimized for removing dissolved four-ringed PAHs, some of the five-ringed PAHs, and tri- to hexa-chlorinated biphenyls. The removal of bioavailable PACs was enhanced by adding sorbents with high sorption capacities to the sludge used in the activated sludge treatment step, and a biologically activated carbon system was designed that robustly removed bioavailable PACs, with removal efficiencies of 96.9-99.7 percent across the tested ranges of five varied process parameters. In situ SPMD calibration data acquired show that uptake of PACs, described by SPMD sampling rates (Rs), were four to eight times higher than published laboratory calibrated Rs values, mainly due to strong (bio)fouling and turbulence effects. In addition, the laboratory calibration study demonstrated that temperature affects the POCIS uptake of pharmaceuticals. The uptake of four pharmaceuticals was higher, by 10-56 percent, at 18 °C compared to 5 °C. For two of the pharmaceuticals our data indicate that the uptake was lower by 18-25 percent at 18 °C. Our results also indicate that uptake of the studied pharmaceuticals was in the linear phase throughout the 35 day exposure period at both temperatures. Finally, calibration studies enabled aqueous concentrations of micropollutants to be more accurately estimated from amounts collected in the passive samplers.

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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.