Le dessalement de l’eau de mer par osmose inverse connait un intérêt croissant depuis une vingtaine d’années afin de répondre aux besoins en eau potable et en eau d’irrigation dans de nombreuses régions dans le monde. Cependant, le bore contenu dans l’eau de mer est incomplètement éliminé par osmose inverse et des concentrations supérieures à la valeur limite de 0,3 mg/ sont obtenues. Dans cette étude, nous présentons des résultats sur l'élimination du bore de l'eau de mer en utilisant une technique hybride de résine échangeuse d'ions/microfiltration sans addition continue de résine. Une membrane de microfiltration en céramique a été utilisée pour retenir la résine échangeuse d'ions dans le réservoir d'alimentation et la boucle de circulation tandis que la solution modèle de bore ou l’eau de mer était continuellement ajoutée. Tout d'abord, des résines fines de taille moyenne 40 - 60 µm ont été obtenues par broyage et tamisage de résines commerciales (Amberlite IRA743, Diaion CRB05 et Purolite S108). Les résines ont ensuite été testées en système batch pour obtenir les cinétiques de sorption et par la technique hybride de sorption/microfiltration pour mesurer les courbes de perçage et le flux de perméat. L'effet de la dose de résine, de la concentration initiale en bore, de la pression transmembranaire et de la taille des pores de la membrane a été étudié. Dans une deuxième partie, l’effet de la taille des particules de résine sur les courbes de perçage en sortie d’une colonne a été déterminé et une comparaison entre les performances d’une colonne et d’un système hybride a été proposée. Dans une dernière partie, les isothermes et cinétiques de sorption expérimentales sont comparées à des équations classiques, et les courbes de perçage en colonne et en système hybride sont modélisées. En conclusion, il est suggéré que le procédé hybride de résine échangeuse d'ions et microfiltration sans ajout continu de résines peut être une technique possible pour l'élimination du bore / The maximum concentration suggested by the World Health Organization is 0.3 mg/L. In this study, we investigated a hybrid process for boron removal from water which associates sorption on ion exchange resin and microfiltration, without continuous resin addition. First, fine resins were obtained by grounding and sieving at 40 and 60 µm commercial resins (Amberlite IRA743, Diaion CRB05 and Purolite S108). The resins were then tested in batch to obtain the kinetics and in the hybrid sorption/microfiltration process to measure breakthrough curves and permeate flux. A ceramic microfiltration membrane was used to retain the ion exchange resin in the feed tank and the circulation loop while the boron solution was continuously added and the permeate collected for analysis. The effect of resin dosage, boron initial concentration, transmembrane pressure and membrane pore size was studied. In a second part, the effect of the size of the resin particles on the breakthrough curves measured at the outlet of a column was determined and a comparison between the performances of a column and a hybrid system are proposed. For the Amberlite IRA743 resin, the overall process was tested: reverse osmosis followed by hybrid sorption/microfiltration. The hybrid process was able to re-duce concentration of bacterial and phytoplankton cells thanks to the steric rejection by the microfiltration membrane, suggesting that the same membrane can be used as a pretreatment before reverse osmosis in a desalination plant. In a final part, the experimental isotherms and kinetics are compared with classical models, and the breakthrough curves obtained with a column and with the hybrid sys-tem are modelised. Overall, it is suggested that the hybrid process of ion exchange resin and microfiltration without continuous addition of resin may be a possible technique for boron removal

Les thématiques liées à l’eau sont un enjeu majeur pour notre environnement. De nombreux procédés de traitement des eaux sont disponibles. Dans ce travail, nous avons développé une alternative au traitement actuel des eaux, de façon à proposer une technologie moins coûteuse, plus facile à opérer et moins consommatrice en produits chimiques.Dans ce cadre, nous avons développé un procédé hybride associant un procédé membranaire de microfiltration à l’oxydation/ précipitation du fer pour le traitement des eaux avec des teneurs élevées en fer fournies par la SONEDE (Société nationale d’exploitation et de distribution des eaux de Sfax, Tunisie).L’étude concerne la précipitation du fer par bullage d’air dans un réacteur couplé à une microfiltration en utilisant plusieurs membranes (commerciale (Kerasep) ou préparées au Laboratoire de Sciences des Matériaux et de l’Environnement (Sfax) à base d’argile, alumine et charbon actif. Deux types d’eaux ont été étudiés : une eau synthétique préparée au laboratoire ayant une certaine concentration en fer dissous et une eau réelle riche en fer provenant d’un forage de la région de Sfax. L’influence des paramètres suivants a été étudiée : concentration initiale en fer, pH et pression transmembranaire. Le procédé a été également évalué pour le traitement de l’eau de forage de la région de Sfax. Pour mieux comprendre le procédé hybride d’aération/MF, des résultats obtenus avec différentes membranes en filtration frontale sont présentés.Dans un objectif d’intensification des procédés, une autre technique de deferrisation est étudiée en considérant un traitement membranaire seul de nanofiltration en appliquant une membrane organique spirale de type NF 2125A (Applied Membranes ®, USA). Les résultats obtenus sont prometteurs en termes de flux de filtration, de rétention en fer et qualité du perméat, conforme aux recommandations de l’OMS.D’un point de vue efficacité, le procédé hybride d’aération/MF donne un flux de perméat plus important que celui issu de la NF. En conclusion, ces deux procédés peuvent s’avérer être des alternatives avantageuses à un procédé classique d’aération suivi d’une filtration sur sable / Water-related issues are a major challenge for our environment. Many processes of water treatment are available. In this work, we have developed an alternative to the current treatment of water, so as to propose a technology less expensive, easier to operate and less consuming chemicals.In this context, we have developed a hybrid process combining a microfiltration membrane process with the oxidation / precipitation of iron for the treatment of water with high iron contents provided by the SONEDE (National Society of Water Exploitation and Distribution Of Sfax, Tunisia).The study concerns the precipitation of iron by bubbling air in a reactor coupled with microfiltration using several membranes (commercial (Kerasep) or prepared at the Laboratory of Materials and Environment Sciences (Sfax) based on clay , Alumina and activated carbon Two types of water have been studied: a synthetic water prepared in the laboratory with a certain concentration of dissolved iron and a real water rich in iron coming from a drilling of the region of Sfax. Parameters were studied: initial iron concentration, pH and transmembrane pressure The process was also evaluated for the treatment of drilling water in the Sfax region. To better understand the hybrid aeration / MF process, results obtained with different membranes in frontal filtration are presented.In order to intensify the processes, another deferrisation technique is studied by considering a single membrane treatment of nanofiltration by applying an organic spiral membrane of type NF 2125A (Applied Membranes ®, USA).The results obtained are promising in terms of filtration flux, iron retention and permeate quality and conform with WHO recommendations. From an efficiency point of view, the hybrid aeration / MF process gives a permeate flow more important than that of the NF. In conclusion, these two processes can prove to be advantageous alternatives to a conventional aeration process followed by sand filtration

La dépollution est aujourd’hui un enjeu majeur pour la protection de l’environnement et un développement durable. Les technologies membranaires et les procédés d’oxydation avancée jouent un rôle de plus en plus important dans le traitement de l'eau que ce soit pour la production d’eau potable que pour le traitement des eaux usées urbaines ou industrielles. La photocatalyse hétérogène est un procédé d’oxydation avancée permettant la génération des espèces très oxydantes comme les radicaux OH•, en présence d’eau et de dioxygène, lors de l’irradiation de certains solides semi-conducteurs au premier rang desquels on retrouve le dioxyde de titane. L’objectif final visé dans cette thèse est le développement de filtres photocatalytiques performants mis en œuvre dans des procédés hybrides couplant séparation et photodégradation. Le mode d’élaboration envisagé pour ces filtres photocatalytiques est basé sur une voie de synthèse en rupture utilisant un polymère biosourcé, la cellulose, à la fois comme réactif (source d’oxygène) et support mécanique pour la croissance de nanoparticules de TiO2 à partir de tétrachlorure de titane. La première partie de la thèse est dédiée à une revue bibliographique qui porte principalement sur les procédés membranaires et hybrides, le dioxyde de titane et ses propriétés photocatalytiques et sur les propriétés chimiques, structurales et microstructurales et l’évolution thermique de la cellulose. Après un descriptif des matériels et méthodes mis en œuvre dans l’étude expérimentale sont d’abord présentés et discutés les résultats obtenus sur la préparation et la caractérisation de poudres purement minérales, à base de TiO2, et de poudres composites TiO2-carbone. L’effet du dopage du TiO2 par différents métaux de transition afin d’améliorer ses propriétés fonctionnelles est ensuite examiné. Une simplification du procédé de synthèse consistant à éliminer tout usage de solvant est exposée dans le chapitre suivant. S’appuyant sur le savoir-faire précédemment acquis en matière de synthèse et sur les performances photocatalytiques préalablement mesurées, le dernier chapitre est consacré aux travaux préliminaires menés sur la préparation de filtres photocatalytiques et sur l’évaluation leurs performances fonctionnelles. / The pollution is definitely a major issue for environmental protection and sustainable development. Membrane technologies and advanced oxidation processes play more and more a key-role in the treatment of water both for the production of drinking water and for the treatment of municipal and industrial wastewaters. Heterogeneous photocatalysis is an advanced oxidation process for generating highly oxidizing species such as OH• in the presence of water and dioxygen, under irradiation of some semiconducting solids like titania (TiO2). The targeted objective for this PhD work is the development of efficient photocatalytic filters to be implemented in hybrid processes coupling separation and photodegradation. The innovative route investigated for preparing such photocatalytic filters is based on the use of a bio-based polymer, i.e. the cellulose, both as reactant (oxygen source) and mechanical support for the growth of titania nanoparticles from titanium tetrachloride. The first part of the thesis is dedicated to a literature review mainly focused on membrane and hybrid processes, on titanium dioxide and its photocatalytic properties and on the chemical, structural, microstructural and thermal behaviour of cellulose. After a description of the experimental procedures, the second part of this manuscript is first dedicated to the presentation and the discussion of the experimental results on the preparation and characterization of pure titania powders and of TiO2-carbon composite powders. The effect of titania doping by different transition metals in order to improve its functional properties is then examined. Simplification of the synthesis process by removing any is described in the next chapter. From the previously developed know-how on synthesis and photocatalytic performance, the last chapter is devoted to preliminary work on the preparation of photocatalytic filters and on the assessment of their functional properties.

Ces travaux sont centrés sur l’étude des potentialités d’utilisation de la pervaporation, procédé de séparation par membrane, en couplage avec des procédés de séparation ou de réaction. L’objectif principal est d’évaluer la faisabilité technico-économique, le gain potentiel mais aussi les limites de son application compatible avec une exploitation industrielle. La détermination de ce gain passe par la simulation des procédés qui nécessite une modélisation correcte des processus élémentaires. Une modélisation à plusieurs niveaux est proposée. Elle permet de prendre en compte les différents systèmes d’études : matériaux membranaires et cas d’application et de donner le choix du nombre de paramètres ajustables en fonction des données expérimentales disponibles. Cette démarche a été appliquée à deux applications différentes. Le premier cas correspond à la récupération de butanol à partir de milieu de fermentation. Cette étude a montré des gains sur la productivité de la fermentation par couplage direct du fermenteur avec la pervaporation équipée de membrane hydrophobe. Le second cas correspond à la séparation eau/acide acétique, avec pour objectif la minimisation de la consommation énergétique pour un cahier des charges fixé. Le couplage retenu met en œuvre une étape de distillation suivie d’une étape de pervaporation équipée d’une membrane hydrophile. Les performances de quatre membranes ont été déterminées expérimentalement pour cette application. Enfin, une méthodologie est proposée permettant de déterminer les performances minimales de membrane permettant d’atteindre, en fonction des spécifications du cahier des charges, un gain énergétique par rapport au procédé conventionnel / The potential economical interest of using pervaporation, a membrane separation process, in hybrid processes (with separation or reaction unit) has been investigated. The main objective is to determine benefits and limitations of its use for an industrial application. The determination of the interest is predicted by simulation which requires a good understanding and a good representation of the elementary phenomenon of mass transfer and thermodynamic. A multilevel pervaporation modelling is developed, which takes into account the system variability (membranes and compounds) and allows choosing the number of fitted parameters according to the available experimental data. Two different industrial applications are studied. First, the recuperation of butanol from a fermentation medium is exposed. This case study has shown the gain on fermentation productivity when pervaporation, equipped with hydrophobic membrane, is used in direct coupling with fermenter. Next, the dehydration of acetic acid is studied with the aim of reduction the energy consumption of the conventional process. The configuration which has been selected involves a distillation column followed by a pervaporation module, equipped with a hydrophilic membrane. Performances of four membranes have been experimentally determined by for this application. Finally, a simulation methodology is developed, which can be applied to determine the membrane performances that need to be achieved to replace conventional processes with a hybrid process while respecting industrial specifications

La présence de micropolluants organiques dans l’environnement et notamment le milieu aquatique, est devenue une préoccupation grandissante au cours des années. En effet, les micropolluants sont éliminés de façon variable par les différents systèmes de traitement des eaux. Ainsi, les stations d’épuration constituent une voie majeure de dissémination de ces composés dans l’environnement. Ces substances chimiques doivent être suivis et traités car elles peuvent avoir des effets indésirables sur les organismes une fois rejetées dans l’environnement. La biodégradation étant un des mécanismes de transformation dominant pour les micropolluants, les procédés biologiques, et notamment les procédés hybrides (biomasse libre et fixée), semblent pertinents pour les éliminer efficacement. Dans ce travail, nous nous sommes focalisés sur la biodégradation de la carbamazépine (CBZ), du diclofénac (DCF) et du diuron (DIU) par des microorganismes sélectionnés en utilisant un bioréacteur hybride. La méthodologie proposée a reposé sur la mise en place de tests de biodégradation en batch afin de sélectionner des microorganismes pertinents pour la dégradation des molécules cibles, avant de travailler avec un bioréacteur hybride. Les souches sélectionnées ont permis de dégrader complètement le DCF en moins de 24 heures et ont montré des résultats encourageants en 72 heures pour les autres composés. L’efficacité des souches a ensuite été évaluée sur des bioréacteurs hybrides prototypes sous différentes conditions. Bien que l’élimination du DCF ait été importante en conditions stériles, la cinétique observée était plus faible. La CBZ et le DIU ont quant à eux été faiblement éliminés. / The occurrence of organic micropollutants in the environment and notably in the aquatic bodies has become a growing concern over the years. Indeed, micropollutants are variably eliminated with different wastewater treatment systems. Thus, wastewater treatment plants represent the main transfer pathways for micropollutants to enter the environment. Among these chemical substances present in the environment at very low concentrations, pharmaceutical compounds and pesticides are of a great concern because of their potential adverse effects to ecosystems. Since biodegradation is one of the predominant transformation pathway for micropollutants, biological processes and notably hybrid processes (combining free and supported biomasses), seem relevant to remove them efficiently. In this work, our interest focuses on the biodegradation of carbamazepine, diclofenac, and diuron by selected microorganisms using a hybrid bioreactor. The methodology developed in this work consisted in the implementation of batch degradation experiments in order to select efficient microorganisms able to break down target molecules, before evaluating their efficiency using a hybrid bioreactor. The selected strains allowed degrading completely diclofenac by a co-metabolism process in less than 24 hours, and showed encouraging results in 72 hours for the other compounds. Then, the efficiency of selected strains has been evaluated using hybrid bioreactors prototypes under different conditions. Even though the removal of diclofenac was very high under sterile conditions, the observed kinetic was lower. Carbamazepine and diuron showed low removal.

La présence de micropolluants à l'entrée des opérations d'épuration d'effluents industriels induit des problèmes au cours du traitement par des procédés biologiques, certaines molécules n'étant pas nécessairement disponibles à la biodégradation. Parmi les molécules présentes dans les rejets d'origine pétrochimique ou chimique, les substances prioritaires les moins volatiles sont aussi les plus hydrophobes (ex : Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques) et ont tendance à s'adsorber majoritairement sur les matières organiques et les boues. A l'inverse, les molécules moins hydrophobes mais très volatiles comme les Benzène, Toluène, Ethylbenzène et p-Xylène ont une forte propension à être transférées dans l'atmosphère lors des phases d'aération. Le bioréacteur hybride étudié ici, reposant sur l'addition de supports adsorbants dans des procédés à boues activées, présente de nombreux avantages. D'une part l'addition de charbon actif en grain dans des procédés à boues activées permet de fixer les polluants ciblés, minimiser leur volatilisation et augmenter leur temps de séjour dans le procédé D'autre part, la réduction de leur concentration à un niveau non inhibiteur permet l'absorption des variations de charges qui sont fréquentes dans les effluents industriels. Enfin les supports ajoutés, sur lesquels se développent des biofilms, constituent des niches écologiques nouvelles pour les micro-organismes les plus lents à se développer. Ces derniers peuvent dégrader les molécules adsorbées dans les zones biorégénérables du charbon actif. Afin de caractériser les mécanismes physicochimiques et biologiques, des expériences en batch des phénomènes découplés et couplés ont été réalisées : cinétiques et isothermes d'adsorption et de biosorption, cinétiques de volatilisation et respirométrie. Egalement, deux pilotes à l'échelle laboratoire ont permis de suivre les performances épuratoires d'un bioréacteur séquencé conventionnel et d'un bioréacteur hybride à support adsorbant. Un modèle d'adsorption sur support hétérogène, développé sous Matlab® et un modèle intégrant le couplage des phénomènes en dynamique, développé sous Aquasim® ont été combinés. Le modèle global développé permet de simuler de façon dynamique le devenir des micropolluants (les outils précédents ne fonctionnant qu'en régime permanent). Les simulations réalisées concordent avec les résultats expérimentaux et permettent de conclure que les mécanismes d'élimination abiotiques jouent un rôle très important dans les « performances épuratoires » du procédé de traitement biologique aérobie conventionnel. Les transferts de BTEX de la phase liquide vers le compartiment gazeux sont significatifs (>99% en 2 heures) et les quantités d'HAPs détectées dans la fraction solide sont importantes (élimination moyenne >65% lors de la décantation primaire). Pour les Composés Organiques Volatiles (ex : BTEX), l'ajout de particules adsorbantes et l'analyse des modes opérationnels minimisant le transfert dans la phase gaz sont les points prépondérants. Des simulations prospectives mettant en jeu les phénomènes conjoints de biodégradation et d'adsorption du toluène et du naphthalène ont permis de montrer que le réseau méso-macroporeux est régénérable, que l'adsorption a lieu majoritairement dans ce compartiment et que le taux de biorégénération dépend de la quantité de biomasse maintenue. L'efficacité des bioréacteurs à supports adsorbants (Charbon Actif en Grain) a été démontré pour ces molécules, à conditions de gérer une période de biorégénération qui devra être optimisée à partir du modèle développé.

Ce travail s’intéresse à la synthèse de films minces composites Zn-Si-O et Ti-Si-O à l’aide d’un procédé hybride combinant le dépôt de silice par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) à partir du précurseur organométallique hexaméthyldisiloxane (HMDSO-Si2C6H180), et la pulvérisation réactive de zinc ou de titane. L’élaboration de revêtements dont la composition s’échelonne d’un oxyde métallique ZnOx ou TiOx à la silice est rendue possible en agissant sur le débit du précurseur. L’ajout de silicium dans le revêtement fait évoluer sa morphologie de colonnaire à dense. De plus un phénomène de compétition entre les composantes PECVD et pulvérisation du procédé est mis en évidence. Ainsi la mesure des vitesses de dépôt en fonction du débit d’HMDSO permet de déterminer les valeurs de débits critiques de précurseurs à partir desquelles le dépôt de silice par PECVD est initié, et pour lesquelles le recouvrement de la cible par le dépôt de silice se produit. Les caractérisations des revêtements montrent que ceux-ci sont constitués, dans une zone proche de l’interface avec l’acier d’un mélange d’oxydes non stoechiométriques qui diffère de manière importante d’un mélange ZnO+SiO2 ou TiO2+SiO2. Pour les revêtements de type Ti-Si-O le titane est en excès dans la zone proche de l’interface tandis que dans les revêtements de type Zn-Si-O le silicium est en excès. On observe alors une décroissance progressive de la concentration atomique respectivement de titane et de silicium lorsqu’on approche de la surface du revêtement. Ces évolutions peuvent être reliées à un effet de l’augmentation de la température dans la première phase de l’élaboration, qui agit sur la cinétique de dépôt par PECVD et conditionne l’état de contamination de la cible / The present work deals with the synthesis of Zn-Si-O and Ti-Si-O composite thin films by a hybrid process. The coatings are prepared by combining PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) of silicon oxide from hexamethyldisiloxane (HMDSO-Si2C6H180) and reactive sputtering of a zinc or a titanium target. Any composition of the deposited layer can be obtained from zinc oxide or titanium oxide to silicon oxide, by controlling the HMDSO flow rate in the reactor. The morphologies evolve from columnar to dense by adding silicon in the coating. Moreover, a competitive deposition process takes place between PECVD and sputtering. The critical flow rates above which the PECVD silicon oxide deposition takes place on the substrate and on the target can be described from measurements of the thin film deposition rates as a function of the HMDSO flow rate. The coating caracterisations show that they are, near the coating-substrate interface, made of a mixture of non-stoechiometric oxides whose composition is different from a ZnO+SiO2 or a TiO2+SiO2 mixing. Titanium and silicon are in excess near the coating-substrate interface, respectively in the Ti-Si-O and Zn-Si-O thin films. Then the atomic concentrations of titanium and silicon progressively decrease when reaching the surface of the thin film. These behaviours are correlated with an increase of the temperature during the first phase of deposition that increases the PECVD deposition kinetics and determines the contamination state of the target

Ces travaux ont porté sur l’intérêt de l’utilisation d’une membrane composite zéolite (CHA SSZ-13) accessible à l’échelle commerciale au travers de la technologie membranaire de perméation de gaz et de vapeurs. L’applicabilité de cette technologie séparative s’est principalement focalisée sur la récupération du méthane, propane et d’isobutène issus de flux produits à des échelles industrielles par des procédés durables. La mise au point d’un banc expérimental pour la mesure de données de perméation de gaz et de vapeur a été réalisé. En se basant sur des mesures expérimentales de perméation menées avec la membrane zéolite de l’étude, un premier cas d’application pratique a été de simuler les performances séparatives d’un procédé hybride associant un module membranaire zéolite avec une condensation cryogénique à partir d’un cahier des charges industriel pour la récupération d’isobutène. Le procédé hybride étudié est toujours plus performant que le procédé de condensation cryogénique seul de référence en termes de pureté du produit condensé obtenu et de consommation énergétique. Des cartographies ont été dressées afin de situer les performances de séparation simulées en fonction de l’objectif de récupération d’isobutène souhaité. Un second cas théorique de récupération du propane à partir d’évents de purge à l’azote avec un procédé hybride de séparation cryogénique couplée à une membrane permsélective a été étudié. Une cartographie des performances de séparation membranaire relative au couple propane/diazote selon les données de la littérature ouverte actuelles a été présentée. La membrane la plus permsélective au diazote et au propane (respectivement CHA SSZ-13 et PEBAX 2533) a été sélectionné afin de simuler des procédés hybrides dont les performances séparatives ont été comparées à celles de la condensation cryogénique seule de référence. Pour de faibles teneurs en propane, il a été constaté que le procédé le plus performant (besoin énergétique et qualité du produit condensé) impliquait un module membranaire polymère de type PEBAX 2533 avec un système de mise sous vide du perméat. / This work focused on the interest of using a zeolite composite membrane (CHA SSZ-13) accessible on a commercial scale through the membrane technology of gas and vapor permeation. The applicability of this separation technology has mainly focused on the recovery of methane, propane and isobutene from fluxes produced at industrial scales by sustainable processes. The development of an experimental lab scale pilot for gas and vapor permeation data measurements is detailed. Based on experimental permeation measurements carried out with the zeolite membrane of the study, a first case of practical application was to simulate the separation performance of a hybrid process associating a zeolite membrane module with a cryogenic condensation from an industrial specification for the recovery of isobutene. The hybrid process studied is always more efficient than the only cryogenic condensation process taken as reference in terms of purity of the condensed product obtained and energy consumption. A chart was generated to locate the simulated separation performance based on the desired isobutene recovery objective. A second theoretical case of propane recovery from nitrogen purging vents with hybrid membrane cryogenic separation process was studied. This study presented a chart of the membrane separation performance of propane over nitrogen according to data from the open literature. The most nitrogen- and propane-selective membrane (CHA SSZ-13 and PEBAX 2533 respectively) was then selected and used in order to simulate hybrid processes where separation performances were compared to a baseline cryogenic standalone process. For low propane contents in the nitrogen feed mixture, it was found that the most efficient process (energy need and quality of the condensed product) involved a PEBAX 2533 polymer membrane module with a vacuum system for the permeate.

Motivées par des normes de rejets en azote toujours plus sévères et par les besoins d'extension de certaines stations d'épuration, les agglomérations sont à la recherche de nouvelles technologies de traitement plus compactes et plus performantes. Dans ce sens, le procédé hybride, à lit fluidisé placé dans un réacteur de type boues activées (IFAS), est une nouvelle technologie de traitement du carbone et de l'azote très attractive. L'objectif de cette thèse est d'optimiser le dimensionnement du procédé IFAS en configuration trois bassins (anoxie/aérobie BA/aérobie IFAS) et d'apporter des recommandations sur la conduite du procédé (charge massique appliquée, température.). Pour cela, une double démarche expérimentale et numérique a été mise en place. Un pilote de 3 m3 alimenté en eau usée brute a été conçu, instrumenté et étudié pendant 2 ans au cours de 7 périodes stabilisées (entre 0,15 et 0,30 kgDBO5/kgMVSLM/j, température entre 10 et 22°C, et le séquençage de l'aération dans les bassins). La concentration en MES dans la liqueur mixte a été maintenue à 2,3 gMES/L et la concentration en oxygène entre 2 à 6 mgO2/L. Les capacités de nitrification du biofilm et de la liqueur mixte (NPRmax) ont été mesurées tous les 15 jours. Les performances d'élimination de l'azote (nitrification et dénitrification) et du carbone observées sont restées supérieur à 90% d'élimination pour une charge massique maximale de 0,30 kgDBO5/kgMVSLM/j entre 16 à 24°C. Le biofilm dispose d'une capacité de nitrification maximale de 0,90 gN/m2/j et tributaire des concentrations en oxygène dans la liqueur mixte (contraintes diffusionnelle). Le biofilm contribue en moyenne à hauteur de 60% du flux total nitrifié dans le réacteur IFAS pour des âges de boues < 5 jours à 16°C. La diminution du MLSRT en dessous de 4 jours a permis de limiter le développement des bactéries autotrophes dans la liqueur mixte (minimum 10% du flux total nitrifié par la liqueur mixte) mais pas de les supprimer totalement (apport de nitrifiante par détachement de biofilm) / Motivated by the increasingly demanding discharge consents and by the need to improve overall treatment capacity, water authorities are uninterruptedly examining better performing and more compact wastewater treatment technologies. Thanks to its compactness and to its capacity to treat both organic matter and nitrogen at an affordable cost, the IFAS process represents an attractive addition to improve retrofitting-activated sludge plants performance. The main objective of this thesis is to optimize IFAS process with regards to key operation parameters such as dimensioning, F/M ratio by combining experimental and mathematical modelling approaches. A 3 m3 pilot IFAS fed with raw wastewater was operated at the experimental hall of La Feyssine wastewater treatment plant, Villeurbanne, for a period of 2 years. The IFAS process was separated in 3 tanks to treat organic matter and total nitrogen separately (anoxic/aerobic, suspended/aerobic IFAS). The experimental study was divided in 7 periods with different steady state operation conditions each. The feasibility of nitrification at steady F/M ratios (between 0,1S to 0,30 kgBODS/kgMLVSS/d), at constant temperatures (between 10 - 22°C) and at different oxygen supply rates was investigated. TSS in mixed liquor were maintained at 2,3 gMLTSS/L and oxygen concentration between 2 to 6 mgO2/L. Biofilm mass and combined nitrification capacity of biofilm and mixed liquor (NPRmax) were measured on a weekly basis. The removal performance was up to 90% for nitrogen and carbon treatment with a maximal F/M ratio of 0,30 kgBODS/kgMLVSS/d between 16°C to 24 °C. The biofilm was able to nitrify 0,90 gN/m2/d (NPRmax) depending on the oxygen concentration in the mixed liquor (diffusional limitation). Under the operating conditions tested in this study, biofilm was responsible for 40 to 70% of NOx-N production in IFAS reactor during nitrification. Decreasing the MLSRT to less than 4 days limits the growth of autotrophic bacteria in the mixed liquor but does not halt it completely

Les cellules solaires en couches minces à base d'absorbeurs de type Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) représentent une technologie d'avenir à haut rendement de conversion d'énergie. Plusieurs techniques sont utilisées pour synthétiser le CIGS. La pulvérisation cathodique réactive est une technique de dépôt adaptée aux grandes surfaces offrant la possibilité d'effectuer un scale-up industriel. L'objectif de ce travail est de développer et d'optimiser un procédé alternatif hybride de co-pulvérisation/évaporation pour la synthèse du composé CIGS. Pour répondre à cet objectif, différentes études ont été réalisées afin d'assurer le contrôle des différents paramètres de dépôt. Dans un premier temps, la phase plasma a été étudiée à l'aide de la spectroscopie d'émission optique pour pouvoir établir des corrélations entre la composition des couches déposées et les espèces présentes dans le plasma. Ceci a permis d'établir des courbes d'étalonnage et de suivi in-situ de la composition et l'homogénéité de l'épaisseur des couches déposées, ainsi que de déterminer l'existence de différentes modes de pulvérisation, reliés à la température appliquée pour l'évaporation du sélénium. Dans un deuxième temps, différents absorbeurs de CIGS ont été synthétisés à partir du procédé hybride développé. Ces absorbeurs ont été déposés en une et en trois étapes pour analyser l'influence des gradients de composition sur leurs propriétés morphologiques, structurales et optoélectroniques. Un absorbeur de CIGS avec un rendement de conversion maximum de 10,4 % a été fabriqué à partir d'une séquence de dépôt en une étape. Un rendement de 9,4 % a été obtenu avec une séquence dépôt en trois étapes. / Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) thin film solar cells are a very promising technology for high efficiency energy conversion. Several techniques are used to synthesize CIGS absorbers. Magnetron reactive sputtering is an attractive deposition technique for depositing CIGS absorbers because of its potential for providing uniform coatings over large areas, thus offering the possibility for more competitive industrial scale-up. The objective of this work is to develop and optimize a hybrid alternative co-sputtering/evaporation CIGS deposition process. To meet this goal, various studies have been conducted to ensure control of the various deposition parameters. Initially, plasma was studied with Optical Emission Spectroscopy in order to establish correlations between plasma species and thin film composition, structure and morphology. This has allowed to establish in-situ calibration curves for monitoring the deposited layers composition and their homogeneity, and to determine the existence of different sputtering modes, linked to the selenium evaporation temperature. Then, different CIGS absorbers were synthesized with the stabilized hybrid process. These absorbers were deposited in one and three stages to analyze the influence of composition gradients on their morphological, structural and optoelectronic properties. A CIGS absorber giving a maximum conversion efficiency of 10.4 % was fabricated with a one step process. A 9.3 % efficiency solar cell was obtained with a three-stage deposition process.