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

L’accès à l’eau potable est un des plus importants problèmes que l’on rencontre partout dans le monde même dans les pays riches en eau. Par exemple, les provinces côtières du Delta du Mékong (DM) subissent des périodes alternées d’inondations et de sécheresse. De plus, le changement climatique à l’origine d’une diminution de la pluviométrie et d’intrusion d’eau salée affecte gravement la qualité des eaux de la région. Les principales sources de pollution proviennent des déchets humains et des rejets des élevages de poissons, bétail et volaille. La pollution aux pesticides peut s’avérer un problème sérieux dans certaines zones. La détérioration de la qualité des eaux dans le DM et l’absence d’accès à l’eau potable dans les communes rurales via des systèmes d’approvisionnement sûrs entraine une augmentation des maladies d’origine hydrique liées à la salinité, la présence de microorganismes et de polluants organiques. L’objectif de ce travail a consisté à examiner dans quelle mesure la technologie membranaire peut permettre de produire de l’eau potable de qualité. L’étude a porté sur les eaux saumâtres contenant des pesticides. Deux solutions modèles synthétiques ont été choisies pour représenter les eaux de surface du DM. Le dessalement et l’élimination des pesticides ont été réalisés en utilisant la nanofiltration (NF) couplée à l’électrodialyse. Le logiciel Nanoflux® a été utilisé pour interpréter les performances de deux membranes de NF (NF90 et NF270). Par ailleurs, la consommation d’énergie des deux procédés couplés a été estimée en fonction de la qualité de l’eau d’alimentation. Toutes ces données seront utilisées pour concevoir un démonstrateur pour la production familiale d’eau potable. / Access to clean water is one of the most important problems that is encountered worldwide even in countries as water-rich. For instance, the Mekong Delta (MD)’s coastal provinces have to face up to alternated flooding and drought periods. Moreover, climate changes inducing less rainfall and salt water intrusion water severely affect the water quality of the area. The main sources of pollution come from the human and farming wastes including fish, livestock and poultry. Pesticide pollution can also be a serious problem in some areas. The deterioration of water quality in the MD and the lack of access to clean water via safe supply systems in the rural communes entail an increase of waterborne diseases related to the salinity, the presence of microorganism and organic pollutants. The study is aimed at investigating the membrane technology to treat surface water in the MD region in order to produce good drinking water. The study was focused on brackish waters containing pesticides. Two synthetic model water samples were chosen as representative of surface waters found in the Mekong Delta. Desalination and pollutant removal were performed using nanofiltration (NF) integrated with electrodialysis. The Nanoflux® software was used to explain the experimental performance of two NF membranes (NF90 and 270). On the other hand, energy consumption of the two coupled processes was also estimated depending on the quality of water feed. All the data obtained should be used in the future to design a demonstrator pilot for the family-sized production of drinking water.

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

L'objectif de ce travail de thèse était de tester le textile lumineux en termes de performances photocatalytiques en milieu aqueux. La durabilité des textiles face à une exposition prolongée à une irradiation UVA a été testée. Les tests ont mis en évidence un problème de vieillissement des tissus enduits de TiO2, induisant l'apparition d'une inhomogénéité de l'émission de lumière sur la surface du textile. Un modèle mathématique a été développé afin d'exprimer et de prévoir ce vieillissement en fonction du temps d'exposition aux UVA. Le dépôt d'une couche protectrice de silice a permis de résoudre ce problème de vieillissement. Parallèlement, les textiles lumineux enduits de TiO2 ont été caractérisés. La localisation de SiO2 et TiO2 par MEBE et analyse EDX a été démontrée comme étant homogène sur la surface des fibres optiques, mise à part pour le dépôt de TiO2 P25 localise en amas. La quantité de photocatalyseur déposé sur les textiles ainsi que l'absorbance des dépôts ont été évaluées. L'étude de l'adhérence des dépôts a démontré la stabilité du TiO2. Enfin, les performances photocatalytiques des différents textiles enduits de photocatalyseur ont été testées sur la dégradation de deux polluants modèles, l'acide formique et le phenol, en réacteur ferme. L'étude de la vitesse de dégradation en fonction de la masse de TiO2 a permis de déterminer la masse optimum (environ 2mg cm-2). Des rendements photoniques de l'ordre de 30 à 55% dans le cas de l'acide formique et de 6 à 8% pour le phenol ont été obtenus. Un réacteur pilote plan, ouvert, a permis de confirmer les résultats obtenus et ouvre la voie à une configuration multicouche, en vue d'une application industrielle / The objective of this thesis was to test luminous textiles in terms of photocatalytic performances in aqueous medium. The durability of textile under long-time UVA irradiation was tested. Results showed the aging of luminous textile coated by TiO2, involving an inhomogeneity of light emission on the overall surface of the textile. A mathematical model was developed to express and predict the aging depending on the time of exposure to UVA. Also, a protective layer of silica allows avoiding the optical fiber aging. In parallel, luminous textiles coated by TiO2 were characterized. The location of SiO2 and TiO2 by ESEM and EDX analysis was shown to be uniform over the surface of optical fibers textiles, except for TiO2 P25 coating, located in clusters. The amount of photocatalyst deposited on the textiles, and the absorbance of the coatings were determined. Moreover, the study of coating adhesion demonstrated excellent adhesion and stability of the photocatalyst layer. Finally, the photocatalytic performances of the different TiO2 coatings were tested for degradation of two model pollutants, formic acid and phenol, in batch reactor. The study of the evolution of the degradation rate with the mass of photocatalyst was used to determine the optimum mass of TiO2 (about 2mg cm-2). Photonic yields ranging from 30 to 55% in the case of formic acid and 6 to 8% in the case of phenol were obtained. A continuous plan pilot reactor confirmed the results and opens the way for a multi-layer configuration, for industrial application

L'utilisation des microalgues dans le traitement des eaux usées est de plus en plus étudiée pour intégrer/remplacer les systèmes de traitement actuels permettant d'éliminer les nutriments et autres polluants. Cependant, l’utilisation des microalgues dans le traitement des eaux usées en est principalement au stade de la recherche, par exemple faible élimination des nutriments et croissance de la biomasse des microalgues. Le but de cette thèse était de permettre une élimination efficace des éléments nutritifs et de la matière organique des eaux usées par les microalgues tout en favorisant la production de biomasse de microalgues. C. vulgaris et S. acuminatus ont été cultivés dans des photobioréacteurs discontinus avec des digestats issus de la digestion anaérobie (AD) de boues biologiques de boue de vidange provenant d’une station d’épuration municipale (ADMW) et d’une usine de traitement des eaux usées d’une usine de pâtes et papiers (ADPP). Les rendements d’élimination de l’ammonium étaient supérieurs à 97% lorsque les deux microalgues étaient cultivées séparément dans de l’ADPP. Toutefois, 24 et 44% de l’ammonium ont été retirés de l’ADMW par C. vulgaris et S. acuminatus, respectivement. Les deux microalgues ont efficacement éliminé le phosphate (> 96%), tandis que la couleur (74–80%) et la DCO soluble (27–39%) ont été partiellement éliminées de ADMW et d'ADPP. La plus forte concentration de biomasse de S. acuminatus (7,8 à 10,8 g L-1 VSS) dans l'ADPP figure parmi les rendements les plus élevés signalés pour les microalgues dans les eaux usées réelles. Des rendements de biomasse supérieurs de S. acuminatus ont été obtenus dans de l'ADPP thermophile (10,2 ± 2,2 et 10,8 ± 1,2 g L-1) par rapport à de l'ADPP mésophile prétraité (7,8 ± 0,3 g L-1). En outre, les concentrations les plus élevées en biomasse et en méthane de microalgues ont été obtenues dans le même système intégré de culture de AD et de microalgues. Les concentrations de fer (0,1, 1,0 et 1,9 mg L-1) et de sulfure de soufre (3,7, 20 et 35,8 mg L-1) affectaient davantage l'efficacité de l'élimination de l'azote et la concentration de la biomasse de microalgues davantage dans les ammonium probablement dû à différents mécanismes d'assimilation de microalgues. Dans cette étude, le milieu contenant du nitrate comme source d'azote avec 1,0 mg de L-1 de fer et 35,8 mg de L-1 de sulfate et de soufre a permis d'obtenir la plus forte concentration de biomasse de microalgues. L'effet de la concentration en fer sur l'efficacité d'élimination des nitrates et la croissance des microalgues était plus significatif que la concentration en sulfate, alors que l'effet d'interaction entre le sulfate et le fer n'était pas observé. L'efficacité moyenne d'élimination de l'ammonium (14 à 30%) et la concentration en biomasse de microalgues (0,55 à 1,17 g de POC L-1) dans un photobioréacteur à membrane à flux continu ont été améliorées par addition de zéolite (0,5 g L-1). La zéolite fournissait probablement un habitat pour la croissance attachée de microalgues et une grande disponibilité d'ammonium pour la croissance à la surface de la zéolite en raison de l'adsorption d'ammonium par la zéolite. Une augmentation supplémentaire de la concentration en zéolite (de 0,5 à 1 et 5 g L-1) n’a pas amélioré l’efficacité de l’élimination de l’ammonium ni la concentration de la biomasse, probablement en raison de la turbidité accrue de la solution provoquée par la fragmentation de la zéolite ajoutée en particules plus fines, ce qui a réduit la disponibilité de lumière. Ces travaux ont montré la possibilité d'utiliser des microalgues dans le traitement des eaux usées pour éliminer efficacement les nutriments et les matières organiques, tout en favorisant la croissance des microalgues. La sélection d'espèces de microalgues adaptées aux eaux usées spécifiques pour éliminer les nutriments et les matières organiques est essentielle pour promouvoir les applications de traitement des eaux usées à base d'algues / Use of microalgae in wastewater treatment has been increasingly studied to integrate with or replace the present treatment systems for removal of nutrients and other pollu-tants. The potential advantages of this integration (wastewater treatment and microalgal cultivation) could be simultaneous recovery of nitrogen and phosphorus and the use of produced microalgal biomass as feedstock for e.g. biofuel, fertilizer and/or energy. However, the use of microalgae in wastewater treatment is mainly in research stage due to e.g. low nutrient removal and microalgal biomass growth. The aim of this thesis was to enable efficient nutrient and organic matter removal from wastewaters by mi-croalgae while promoting microalgal biomass production. Chlorella vulgaris and Scenedesmus acuminatus were successfully grown in batch photobioreactors with liquid digestates from anaerobic digestion (AD) of biosludge from a municipal wastewater treatment plant (ADMW) and a pulp and paper mill wastewater treatment plant (ADPP). The final ammonium removal efficiencies were above 97% when cultivating both microalgae separately in ADPP, however, only 24% and 44% of ammonium were removed from ADMW by C. vulgaris and S. acuminatus, respectively. Both microalgae efficiently removed phosphate (>96%), while color (74–80%) and sol-uble COD (27–39%) were partially removed from ADMW and ADPP. The obtained highest S. acuminatus biomass concentration (7.8–10.8 g L-1 VSS) in ADPP is among the highest yields reported for microalgae in real wastewaters. Higher S. acuminatus biomass yields were obtained in thermophilic ADPP (without and with pretreatment prior to AD: 10.2±2.2 and 10.8±1.2 g L-1, respectively) than in pretreated mesophilic ADPP (7.8±0.3 g L-1). In addition, the highest microalgal biomass concentration and methane yields were obtained in the same integrated AD and microalgal culti-vation system (thermophilic AD with pretreatment).The iron (0.1, 1.0, and 1.9 mg L-1) and sulfate-sulfur (3.7, 20, and 35.8 mg L-1) concen-trations were found to affect nitrogen removal efficiency and microalgal biomass con-centration more in the media with nitrate than with ammonium, probably due to different microalgal assimilation mechanisms for nitrate and ammonium. In this study, synthetic medium with nitrate as nitrogen source with 1.0 mg L-1 iron and 35.8 mg L-1 sulfate-sulfur enabled the highest microalgal biomass concentration. The effect of iron concentration on nitrate removal efficiency and microalgal growth was more significant than that of sulfate concentration, while the interaction effect between sulfate and iron was not observed. The average ammonium removal efficiency (14 to 30%) and microalgal biomass con-centration (0.55 to 1.17 g particulate organic carbon per L) in continuous-flow mem-brane photobioreactor were promoted by adding a low concentration of zeolite (0.5 g L-1). The zeolite likely provided a habitat for attached growth of microalgae and high availability of ammonium for growth on the surface of the zeolite due to ammonium adsorption to zeolite. Further increase in zeolite concentration (from 0.5 to 1 and 5 g L-1) did not improve ammonium removal efficiency or biomass concentration. This was likely due to the increased solution turbidity caused by breaking apart of added zeolite particles into finer particles, which reduced light availability.In summary, this work showed the possibility of utilizing microalgae in wastewater treatment to efficiently remove nutrients and organic matter, and simultaneously pro-mote microalgal growth. Selecting suitable microalgal species for the specific wastewater to remove nutrients and organic matter is essential to promote algae-based wastewater treatment applications

Une étude détaillée a été effectuée sur l'utilisation de la technique électro-Fenton pour l'oxydation de quelques polluants organiques persistants (POP) dans le but du traitement des eaux usées. Cette technique génère, in situ et de manière électrocatalytique, les radicaux hydroxyles (OH) afin de les utiliser pour oxyder la polluants organiques. Le travail de thèse est constitué en trois parts. Dans la première partie, l'élimination de l'eau des colorants synthétiques et pesticides choisis comme polluants modèles a été effectuée en utilisant une cathode en feutre de carbone. Les cinétiques d'oxydation des colorants synthétiques (Acide Orange 7 et Bleu Basique 3) et des pesticides (picloram, prophame, azinphos-méthyl et clopyralid) ont été déterminées. La cinétique de minéralisation des solutions aqueuses des polluants organiques en question a été suivie par des analyses de carbone organique totale (COT) et demande chimique en oxygène (DCO). Une minéralisation quasi-totale a été obtenue dans tous les cas. L'identification et la quantification des sousproduits d'oxydation des colorants synthétiques et pesticides ont été effectuées par les techniques d'analyse suivantes: Chromatographie liquide à haute performance (CLHP), chromatographie en phasegazeuse-spectrométrie de masse (GC/MS), chromatographie liquide à haute performances-péctrométrie de masse (HPLC/MS) et chromatographie ionique. Ces analyses systématique ont mis en évidence que les polluants organiques initiaux ont sont convertis en trois formes d'intermédiaires réactionnels; intermédiaires organiques, acides carboxyliques à courte chaîne et ions inorganiques. Basé sur l'identification ces des intermédiaires réactionnels, une schéma de minéralisation plausible a été proposé pour chaque colorant et pesticide étudié. Dans la deuxième partie de l'étude, la capacité de production de peroxyde d'hydrogène (H2O2) de la cathode en éponge de carbone comme matériau original de cathode pour la technique électro-Fenton a été étudiée pour la première fois. Les résultats obtenus ont indiqué que le l'éponge de carbone possède une capacité de la production d'H2O2 trois fois plus élevée par rapport à la cathode classique (feutre de carbone). La troisième et dernière partie de cette thèse a été consacrée à l'étude de l'efficacité et l'utilisation en électro-Fenton d'une anode de nouvelle génération, le diamant dopé au bore (BDD pour "Boron Doped Diamond"). Tout d'abord, l'efficacité d'oxydation et la capacité de minéralisation de l'anode BDD ont été examinées sur l'herbicide propham dans les conditions d'oxydation anodique. Ensuite, la combinaison de cathode en feutre de carbone et l'anode BDD dans la technique électro-Fenton a été examinée. Les résultats obtenus ont montré que cette combinaison conduit aux résultats significativement meilleurs que le système classique feutre de carbone - Pt. L'utilisation de l'anode BDD dans l'électro-Fenton améliore considérablement la cinétique d'oxydation et l'efficacité de minéralisation des polluants organiques et en particulier des acides carboxyliques tels que les acides oxalique et oxamique qui résistent à la minéralisation dans le cas de l'anode Pt.

Les procédés dits d'oxydation avancés (POA) permettent la dégradation totale (minéralisation) en milieu aqueux des polluants organiques persistants et/ou toxiques pour l'homme et pour l'environnement. Cette étude porte sur l'application de deux POA principaux : électro-Fenton et photo-Fenton, au traitement des eaux polluées par des colorants de textile. La particularité de ces procédés tient à la génération dans le milieu d'entités oxydantes très réactives, les radicaux hydroxyles (..OH) qui sont capables d'oxyder n'importe quelle polluant organique ou organométallique jusqu'au stade ultime d'oxydation, c'est-à-dire la minéralisation (transformation en CO2 et H2O). Dans le cas des colorants étudiés (BB41, BR46 et BY28), il a été montré que le taux de minéralisation par le procédé électro-Fenton dépend des paramètres expérimentaux tels que la concentration du catalyseur, l'intensité du courant appliqué, le pH du milieu, etc.. Cette étude a montré que l'électrolyse du colorant suit une cinétique de pseudo premier ordre. Dans les conditions expérimentales optimales (I = 225 mA et [Fe3+]0 = 0,1 mM), les taux de minéralisation obtenus pour des solutions aqueuses des trois colorants étudiés étaient de 93, 82 et 73% pour le BB41, BR46 et BY28 respectivement après 6 h de traitement. Le taux de minéralisation par le procédé photo-Fenton (UV/Fe3+/H2O2) est fonction des doses des réactifs utilisés et des rapports R = [H2O2]/[Fe3+] et R' = [Fe3+]/[substrat]. Ainsi, les taux de minéralisation obtenus sont de l'ordre de 93% pour le BB41, 85% pour le BR46 et de 95% pour le BY28 pour une durée de traitement de 5 heures avec des rapports R = 10 et R' = 40. L'étude de la dégradation du colorant BB41 sur une unité pilote utilisant le rayonnement solaire a montré que le procédé hélio-photo-Fenton est très efficace. Ce procédé s'inscrit dans une perspective de développement durable et son fonctionnement est basé sur une énergie renouvelable. Une comparaison des performances de minéralisation d'un mélange de colorants par les deux procédés étudiés par l'estimation de l'énergie électrique consommée a montré que les procédés photo-Fenton et électro-Fenton permettent d'atteindre des taux de minéralisation très importants et que le procédé électro-Fenton semble être favorisé avec non utilisation de réactifs chimiques et une faible consommation d'énergie électrique.

Une étude détaillée a été effectuée sur l'utilisation de la technique électro-Fenton pour l'oxydation de quelques polluants organiques persistants (POP) dans le but du traitement des eaux usées. Cette technique génère, in situ et de manière électrocatalytique, les radicaux hydroxyles (OH) afin de les utiliser pour oxyder la polluants organiques. Le travail de thèse est constitué en trois parties. Dans la première partie, l'élimination de l'eau des colorants synthétiques et pesticides choisis comme polluants modèles a été effectuée en utilisant une cathode en feutre de carbone. Les cinétiques d'oxydation des colorants synthétiques (Acide Orange 7 et Bleu Basique 3) et des pesticides (picloram, prophame, azinphos-méthyl et clopyralid) ont été déterminées. La cinétique de minéralisation des solutions aqueuses des polluants organiques en question a été suivie par des analyses de carbone organique totale (COT) et demande chimique en oxygène (DCO). Une minéralisation quasi-totale a été obtenue dans tous les cas. L'identification et la quantification des sous-produits d'oxydation des colorants synthétiques et pesticides ont été effectuées par les techniques d'analyse suivantes : Chromatographie liquide à haute performance (CLHP), chromatographie en phasegazeuse-spectrométrie de masse (GC/MS), chromatographie liquide à haute performances-péctrométrie de masse (HPLC/MS) et chromatographie ionique. Ces analyses systématique ont mis en évidence que les polluants organiques initiaux ont sont convertis en trois formes d'intermédiaires réactionnels ; intermédiaires organiques, acides carboxyliques à courte chaîne et ions inorganiques. Basé sur l'identification ces des intermédiaires réactionnels, une schéma de minéralisation plausible a été proposé pour chaque colorant et pesticide étudié. Dans la deuxième partie de l'étude, la capacité de production de peroxyde d'hydrogène (H2O2) de la cathode en éponge de carbone comme matériau original de cathode pour la technique électro-Fenton a été étudiée pour la première fois. Les résultats obtenus ont indiqué que le l'éponge de carbone possède une capacité de la production d'H2O2 trois fois plus élevée par rapport à la cathode classique (feutre de carbone). La troisième et dernière partie de cette thèse a été consacrée à l'étude de l'efficacité et l'utilisation en électro-Fenton d'une anode de nouvelle génération, le diamant dopé au bore (BDD pour "Boron Doped Diamond"). Tout d'abord, l'efficacité d'oxydation et la capacité de minéralisation de l'anode BDD ont été examinées sur l'herbicide propham dans les conditions d'oxydation anodique. Ensuite, la combinaison de cathode en feutre de carbone et l'anode BDD dans la technique électro-Fenton a été examinée. Les résultats obtenus ont montré que cette combinaison conduit aux résultats significativement meilleurs que le système classique feutre de carbone - Pt. L'utilisation de l'anode BDD dans l'électro-Fenton améliore considérablement la cinétique d'oxydation et l'efficacité de minéralisation des polluants organiques et en particulier des acides carboxyliques tels que les acides oxalique et oxamique qui résistent à la minéralisation dans le cas de l'anode Pt / In this thesis, a detailed investigation has been carried out on the use of electro-Fenton technique for the oxidation of the some persistent organic pollutants for the sake of water remediation. This technique produces •OH radicals electrocatalytically and uses them to oxidize the organic pollutants. The overall study can be divided into three parts. In the first part, the removal of selected synthetic dyes and pesticides from water was investigated by using carbon felt (CF) cathode. The oxidation kinetics of the synthetic dyes (Acid Orange 7 and Basic Blue 3) and pesticides (picloram, propham, azinphos-methyl and clopyralid) were determined. Mineralization kinetics of the related organic pollutants in aqueous medium was followed by total organic carbon and chemical oxygen demand analysis. The overall mineralization was obtained in all cases. Identification and quantification of the oxidation by-products of the given synthetic dyes and pesticides were performed by high performance liquid chromatography, gas chromatography-mass spectrometry, liquid chromatography-mass spectrometry and ion chromatography. These systematic analysis showed that the initial organic pollutants were converted into three intermediate forms; organic intermediates, short-chain aliphatic carboxylic acids and inorganic ions. Based on the intermediates identified, a plausible mineralization pathway was proposed for each dye and pesticide.In the second part of the study, the H2O2 production ability of carbon sponge (CS) as a novel cathode material for the electro-Fenton technique was investigated for the first time in the literature. The obtained results indicated that CS has a H2O2 production ability three times higher than the classical cathode CF.In the third and last part, the efficiency of boron doped diamond (BDD) as an anode in the electro-Fenton technique was investigated. Firstly, the oxidation and mineralization ability of BDD was tested for herbicide propham in anodic oxidation conditions. Then, the combination of CS and BDD electrode in the electro-Fenton technique was examined. The obtained results indicated that this combination allowed the most efficient results throughout the thesis. Moreover, the use of BDD anode in the electro-Fenton technique had considerable effect on the oxidation and mineralization of organics and especially carboxylic acids such as oxalic and oxamic acids which were highly resistant to mineralization in the case of Pt anode

L'adsorption sur charbon actif est une technique relativement répandue de post-traitement des effluents aqueux. Cependant il ne s'agit pas d'un traitement ultime, puisque les polluants restent concentrés sur la surface solide. Des techniques de régénération doivent donc être mises en œuvre. C'est dans ce contexte qu'ont été étudiés ici les procédés d'oxydation avancée Fenton et photo-Fenton, dont l'efficacité est reconnue pour éliminer la pollution organique. Plus précisément, l'objet de cette thèse est l'étude sur plusieurs cycles consécutifs de l'adsorption du phénol sur charbon actif et de la régénération in-situ de l'adsorbant par oxydation (photo)Fenton. Deux charbons actifs différents ont été étudiés : le premier à la fois micro et mésoporeux (PICA L27) et le second essentiellement microporeux (PICA S23). Deux séries d'expériences ont été ainsi réalisées : 1) d'abord en réacteur agité (adsorption et oxydation en mode batch), 2) puis dans des conditions plus proches du procédé réel, avec une adsorption continue en lit fixe, suivie de l'oxydation batch par recirculation du réactif Fenton au travers du lit saturé. Dans le premier cas, les effets de la concentration en Fe2+ et en H2O2 ont été analysés, montrant que les conditions optimales pour l'oxydation homogène du phénol (sans charbon) ne sont pas les meilleures pour la régénération du charbon saturé par le polluant : une réduction continue de la capacité d'adsorption du L27, de 100% à 23%, est observée après 3 oxydations, en raison de la consommation du charbon et de la diminution de sa surface spécifique. Par contre, une concentration plus élevée de Fe2+ et plus faible de H2O2 (2 fois la stœchiométrie) permettent de retrouver 50% de la capacité initiale d'adsorption pendant au moins 4 cycles consécutifs. Comme il a été vu dans des études précédentes utilisant l'oxydation à l'air (sous température et pression), l'efficacité de régénération est aussi bien plus faible pour le S23 (autour de 20%). Des résultats similaires ont été obtenus sur le réacteur à lit fixe avec recirculation. Durant l'oxydation, le taux de conversion du Carbone Organique Total en phase liquide a atteint à chaque fois une valeur limite, probablement du fait de la formation de complexes entre le fer et les acides carboxyliques produits. L'utilisation de l'irradiation UV, qui est connue pour décomposer ces complexes, a conduit à une minéralisation quasi-totale et a amélioré l'efficacité de régénération du charbon, jusqu'à 56% de la capacité initiale après 2 cycles (contre 40% pour l'oxydation Fenton simple) / Adsorption on activated carbon (AC) is a technique extensively applied for wastewater treatment. However adsorption alone is not an ultimate solution, since the pollutants are just immobilized on the carbon surface. There is thus a need for efficient regeneration techniques. In this context, Fenton and photo-Fenton oxidations, which are promising technologies to destroy organic pollution, have been tested to regenerate the AC. The purposes of this study are the adsorption of phenol on activated carbons and the consecutive in-situ regeneration of carbon by (photo-) Fenton oxidation. Two different operations have been carried out: 1) batch procedure in order to investigate the influence of Fe2+ and H2O2 concentrations; 2) continuous fixed bed adsorption, followed by a batch circulation of the Fenton’s reagent through the saturated AC bed, to examine the efficiency of the real process. Two different activated carbons have been also studied: a both micro- and mesoporous AC (PICA L27) and an only microporous one (PICA S23). In the batch reactor the best conditions found for pollutant mineralization in the homogeneous Fenton system are not the best for AC regeneration: a continuous reduction of adsorption capacity of L27 is observed after 3 oxidations, due to the decrease of both AC weight and surface area. Higher concentration of Fe2+ and lower concentration of H2O2 (2 times the stoechiometry) lead to a 50% recovery of the initial adsorption capacity during at least 4 consecutive cycles for L27, while about 20% for S23. In the consecutive continuous adsorption/batch Fenton oxidation process, the regeneration efficiency reaches 30% to 40% for L27 after two cycles whatever the feed concentration and less than 10% for S23. A photo-Fenton test performed on L27 shows almost complete mineralization (contrary to dark Fenton) and further improves recovery of AC adsorption capacity although not complete (56% after two cycles)

Les rejets de station d'épuration (STEP) sont considérés comme un vecteur majeur d'entrée des micropolluants dans les milieux aquatiques. Certains micropolluants, fortement présents dans les eaux à traiter ou trop faiblement éliminés par les filières de traitement, sont ainsi retrouvés dans les eaux usées traitées à des concentrations pouvant atteindre plusieurs centaines de ng/L. Ce travail de recherche vise à identifier et simuler les processus d'élimination de micropolluants au sein du procédé à boues activées en aération prolongée, procédé le plus couramment utilisé en France. Nous nous sommes intéressés à 53 micropolluants, dont l'élimination de la file eau par le procédé à boues activées n'est que partielle (rendement compris entre 30 et 70 % selon AMPERES). Cinq familles de substances aux propriétés physico-chimiques différentes ont ainsi été étudiées : 11 métaux, 14 composés pharmaceutiques, 19 hydrocarbures aromatiques polycycliques, 5 alkylphénols, 4 pesticides. L'objectif de la démarche expérimentale proposée a consisté à identifier et caractériser les principaux mécanismes d'élimination. Ces mécanismes ont été étudiés à deux échelles d'observation, échelle industrielle (STEP vraie grandeur) et une échelle pilote. Le suivi d'un procédé boues à activées au sein d'une STEP (2900 EH) a permis de réaliser 8 bilans matières (file eau et file globale) répartis sur une année. Nous avons ainsi mesuré les variations de concentrations des micropolluants ciblés dans les eaux usées brutes, les eaux usées traitées et les boues, ainsi que les variations de performances d'élimination suivant les conditions de fonctionnement de la STEP (température, durée de présence d'oxygène, taux de MES). Les essais à l'échelle pilote en réacteur fermé ont permis de déterminer les coefficients de sorption et les constantes cinétiques de biodégradation de ces micropolluants en conditions contrôlées. La biodégradation de ces micropolluants a été évaluée pour différentes conditions opératoires relatives aux conditions rédox (aérobie et anoxie) et à différentes conditions de substrat (absence de substrat biodégradable, présence de substrat biodégradable carboné et azoté, présence de substrat azoté seulement). Un modèle dynamique calé est proposé, décrivant le comportement des micropolluants dans les phases dissoute et particulaire. Le paramétrage est obtenu à partir des données expérimentales, à savoir les coefficients de sorption et de biodégradation déterminés en réacteur fermé et des performances d'élimination mesurées pour la STEP. / Discharges from wastewater treatment plants (WWTP) are considered as a major input of micropollutants in the aquatic environment. Some micropollutants are found in treated wastewater at concentrations of several hundred ng/L, due to their high concentration in the raw wastewater or to their low removal by WWTP. This work proposes to model the fate of micropollutants in the activated sludge with extended aeration process, most commonly used in France. We investigated 53 micropollutants, particularly those partially removed from the water line by activated sludge process (between 30 and 70% according to the AMPERES project). Five families of substances with different physicochemical properties were studied: 11 metals, 14 pharmaceutical compounds, 19 polycyclic aromatic hydrocarbons, 5 alkylphenols and 4 pesticides. The objective of the experimental strategy is to characterize the two main removal mechanisms: sorption and biodegradation. It combines a study of a process at WWTP scale and tests at laboratory scale. We have monitored an activated sludge process to achieve eight mass balances (water line and global line) for a year. We have characterized variations of concentration in raw wastewater, treated wastewater and sludge as well as variations in removal efficiency depending on operating conditions. Laboratory scale tests were used to determine sorption coefficients and kinetic biodegradation constants of micropollutants in monitored conditions. We evaluated biodegradation kinetics in different redox conditions (aerobic and anoxic) and different substrate conditions (absence of biodegradable substrate, presence of biodegradable substrate carbon and nitrogen, presence of substrate nitrogen only). The model describing the fate of dissolved and particulate phases is calibrated from sorption and biodegradation constants and removal efficiencies observed for the activated sludge process at WWTP scale.