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Thèses en cours

Application de l’approche « multi-barrières » pour la gestion intégrée des risques associés aux germes pathogènes dans les projets de REUT. 
Alice-Rose THOMAS Directeur de thèse : Pascal MOLLE Encadrant principal : Rémi LOMBARD-LATUNE (INRAE)

Co-encadrants : Emeline HASSENFORDER (CR, CIRAD, Tunis); Géraldine ABRAMI (IR INRAE, Montpellier)

2021-2024
Collaboration : Rémi DECLERCQ (ECOFILAE)

La thèse “Multi-barrières” propose d’étudier la possibilité de répartir la gestion du risque associé aux microorganismes pathogènes sur l’ensemble de la filière de réutilisation, depuis la collecte des effluents jusqu’aux usagers/consommateurs en considérant différents usages possibles (production agricole, jardins, nettoyage urbain, …). Cette approche, initiée par l’OMS dans les années 80 a été reprise dans le récent règlement européen. Elle permettrait de contenir le traitement des eaux usées dans des niveaux compatibles avec les moyens disponibles en zone rurale et sur des ouvrages décentralisés en milieu urbain, sans avoir à mobiliser des procédés intensifs, performants mais à fort impact environnemental. La contrepartie est le transfert d’une partie des responsabilités de la gestion du risque sanitaire aux différents maillons de la filière de REUT.

Les principaux objectifs sont les suivants :

  • Caractériser les différentes barrières permettant de limiter l’exposition aux germes pathogènes dans le cadre de la REUT et leur capacité d’élimination et de transferts des organismes pathogènes à travers les différentes matrices (eau, air, sol, plantes) en contact avec les eaux usées traitées
  • Proposer de nouvelles barrières complémentaires ainsi qu’une approche similaire pour d’autres usages de REUT (urbaine, industrielle) et pour modéliser les différentes barrières dans la suite des travaux ;
  • Concevoir avec les différents acteurs une démarche d’accompagnement à l’implémentation des différentes barrières sur plusieurs territoires en s’appuyant sur les approches de modélisation et de stimulation participatives et voir leurs impacts du point de vue économique et gestion du risque sanitaire.

Ainsi, les acteurs pourront redéfinir collectivement leur filière en mobilisant différentes barrières, se distribuant les rôles de manière à répartir à la fois mes coûts, la gestion des risques, les responsabilités qui y sont associées et ainsi garantir l’innocuité de la filière et générer de la confiance autour de leurs pratiques.

Vidéo de présentation

Optimisation et contrôle d’un procédé de filtre planté avec aération forcée pour la réutilisation des eaux usées en milieu urbain
Caroline MIYAZAKI Directeur de thèse : Pascal MOLLE Encadrante: Laura Delgado 2021-2024

Les filtrés plantés sont une technologie de traitement naturel qui réduit considérablement la pollution. L’un des principaux avantages de ces systèmes est le faible niveau d’exploitation, de maintenance et d’investissement requis. Parmi toutes les configurations, les filtrés plantés verticales françaises sont largement répandues en France, avec plus de 4 000 systèmes, et en 2015, elles représentaient plus de 20% de toutes les stations d’épuration des eaux usées domestiques en France . Cependant, les règles de rejet des effluents dans les plans d’eau sont restreintes, notamment les paramètres azote et phosphore, pour éviter l’eutrophisation. Par conséquent, certaines variantes ont été créées et testées pour surmonter ce problème, y compris l’aération forcée.

L’objectif de ce projet de thèse est d’étudier et d’optimiser  les limites de fonctionnement d’un système de filtre plantés avec aération forcée en lien avec différentes contraintes de flux. Les objectifs spécifiques sont :

  • Étudier le lien entre les transferts d’oxygène et la qualité du traitement pour définir les conditions de  pilotage  de  l’ouvrage  (séquençage  de  l’aération,  alternance  des  filtres  …)  afin  de  respecter différents niveaux de rejet en ce qui concerne les formes azotées, au regard des contraintes de qualités induits par les possibles usages de l’eau traitée. 
  • Évaluer  la  robustesse  et  la  dynamique  de  réponse  de  l’ouvrage  de  traitement  au  regard  des variations de charges (organique et hydraulique) qu’un usage décentralisé en milieu urbain peu produire.
  • Définir des règles de contrôle de l’ouvrage basé sur des capteurs en ligne insérés dans l’ouvrage de traitement. 
  • Proposer  des  modèles  simplifiés  permettant  de  déterminer  les  niveaux  de  rejet  attendus  et dimensionner les ouvrages dans différents contextes.

Caroline MIYAZAKI est encadrée par Pascal MOLLE. Le sujet de sa thèse est l’optimisation et contrôle d’un procédé de filtre planté avec aération forcée pour la réutilisation des eaux usées en milieu urbain.

Vidéo de présentation

 

Dynamique d’élimination des agents pathogènes par des solutions fondées sur la nature pour le traitement et la réutilisation des eaux usées en milieu urbain
Elodie HIGELIN Directeur de thèse : Jaime NIVALA Encadrant: Rémi Lombard-Latune
2021-2024

Les pratiques de gestion de l’eau passées et actuelles ne permettront pas de répondre aux besoin futurs en eau. Les infrastructures d’approvisionnement en eau (canalisations) et de traitement des eaux usées (station d’épuration) sont vieillissante et doivent être modernisées. A cela s’ajoute la pénurie de matière première, le stress hydrique, la croissance démographique, le changement climatique et l’érosion de la biodiversité, posant de nouveaux défis. La gestion décentralisée des eaux urbaines pour favoriser l’économie circulaire (réutilisation des eaux traitées) et rendre les villes plus résiliente face au changement climatique par des Solutions Fondées sur la Nature (SfN) apparaît comme une alternative intéressante. Les SfN sont des actions ou infrastructures permettant de protéger, restaurer et gérer durablement les écosystème afin de les imiter et d’optimiser les processus naturel pour attendre des niveaux de rejet cibles, tout en favorisant le biodiversité et assurant le bien-être humain. Une SfN pour le traitement des eaux usées répandu en France sont les filtres plantés, zones humides aménagées conçue pour exploiter les processus naturels dans le but d’améliorer la qualité de l’eau. La thèse s’intègre dans le projet de recherche européen MULTISOURCE. 

Objectifs :  Etudier la dynamique de réduction des pathogènes et les limites de fonctionnement d’un système de filtre plantés à écoulement horizontal avec aération forcée pour des objectifs de réutilisation des eaux traitées, sur un pilote, en conditions réelles, de manière à :

  • étudier le lien entre les transferts d’oxygènes et l’efficacité de traitement des différents pathogènes,
  • évaluer la robustesse, la résilience et la dynamique de l’ouvrage
  • et proposer des modèles simplifiés issus du génie des procédés.

 

Vidéo de présentation

Hybridation de modèles pour prises de décision fiables
Sophie GUILLAUME Directeur de thèse : Nicolas FORQUET Encadrant : Joaquim COMAS et Josep PUEYO (ICRA) 2021-2024
Cotutelle : ICRA, Catalan Institute for Water Research

Face au changement climatique, la gestion décentralisée des eaux en milieu urbain constitue un levier clé pour favoriser l’économie circulaire (réutilisation des eaux usées traitées) et rendre les villes plus résilientes. L’usage de solutions fondées sur la nature (NBS) en particulier permettrait de répondre à ces différents enjeux d’ordre environnemental, voire économique et social. La diversité de contextes et de ces procédés de traitement a conduit l’ICRA (Catalan Institute for Water Research) à créer un outil d’aide à la décision pour faciliter le processus de sélection.

La thèse a pour objectif d’améliorer le modèle de pré-dimensionnement des procédés inclus dans l’outil d’aide à la décision de l’ICRA. L’outil actuel repose des modèles par apprentissage, qui parfois conduisent à des estimations erronées. Afin d’éviter ceci, un travail sur la qualité des données en entrée du modèle sera effectué ainsi qu’un couplage avec des modèles mécanistes (hybridation) afin d’éviter de s’éloigner trop de solutions physiquement probables.

Objectifs :

  • Enrichir et améliorer la base de données
  • Développer une ontologie
  • Identifier l’approche hybride la plus adéquate et l’implémenter dans l’outil
  • Evaluer les performances du modèle
  • Développer un algorithme d’optimisation permettant à l’outil de combiner plusieurs procédés

La thèse est réalisée en cotutelle entre INRAE-INSA Lyon et ICRA-Universitat de Girona. Elle s’intègre au projet d’envergure européenne MULTISOURCE.

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Traitement et valorisation des flux secondaires en stations d’épuration : de la mesure à la modélisation
Perrine DEVOS Directrice de thèse : Sylvie GILLOT Encadrant : Ahlem FILALI (UR PROSE, Irstea Antony) & Paloma GRAU (CEIT, Espagne) 2019-2022
Dans un contexte de transition énergétique et de passage du traitement des eaux résiduaires à la récupération des ressources qu’elles contiennent, la question du traitement et de la valorisation des flux secondaires en stations d’épuration est cruciale. Ces flux, provenant principalement de la déshydratation des boues après traitement, peuvent contenir des quantités importantes d’azote et de phosphore qu’il convient de gérer au mieux pour : 

  • ne pas impacter négativement la qualité des eaux traitées
  • et limiter les surcoûts de traitement.

L’objectif du travail de thèse est de faire un état des lieux des technologies proposées pour le traitement et la valorisation des effluents issus des filières de traitement des boues de stations d’épuration, incluant ou non la méthanisation. Il s’agit dans un premier temps d’établir des protocoles de caractérisation de ces flux qui fournissent les données requises pour éclairer le choix de procédés de traitement/valorisation. Ces protocoles seront mis en œuvre sur deux ou trois sites à l’étude actuellement, et les résultats intégrés dans les modèles de fonctionnement des stations d’épuration. Différents scenarios seront ensuite comparés, à l’aide de la modélisation, en intégrant l’impact des choix effectués sur les performances globales de l’installation et les coûts associés (énergie et réactifs consommés).

Perrine DEVOS est encadrée par Sylvie GILLOT. Sa thèse porte sur le traitement et la valorisation des flux secondaires en stations d’épuration. Ici une vidéo de présentation.

Récupération des métaux dans les eaux usées domestiques (MetAl recoverY from wAstewater, MAYA)
Élodie Varennes
Directeur : Jean-Marc CHOUBERT
Encadrants : Denise BLANC-BISCARAT (DEEP, INSA Lyon) et Antonin AZAIS 2020-2023
Émis naturellement lors des rejets domestiques ou bien lors de l’utilisation de produits commerciaux d’usages courants, de nombreux métaux sont présents dans les eaux résiduaires urbaines et in fine, dans les exutoires de la station d’épuration: eau de sortie, boues, cendres de boues, etc… Dans le cadre de l’économie circulaire, ces matrices de l’assainissement, ainsi que les matériaux de remédiation utilisés en traitement complémentaire (exemple: adsorbants) constituent des gisements de métaux. Extraire les métaux contenus dans les matrices de l’assainissement domestique conduirait à promouvoir la station d’épuration en une installation de récupération des ressources de l’eau (StaRRE).

La thèse s’insère dans le projet de recherche MAYA, porté par le Pôle Commun de Recherche RESEED. L’objectif est de concevoir une filière de récupération des métaux implantée au niveau des rejets de station d’épuration d’eaux usées domestiques, en aval de traitement secondaire. Trois types de procédés (adsorption sur un matériaux poreux réactif, rétention sur résine échangeuse d’ions et précipitation chimique) seront évalués pour :

  • comprendre les mécanismes de rétention et de relargage
  • connaître la forme des métaux récupérés afin d’évaluer leur capacité à être réemployés.

Elodie VARENNES est encadrée par Jean-Marc CHOUBERT & Denise BLANC-BISCARAT et Antonin AZAÏS, La thèse qu’elle prépare a pour sujet l’élaboration d’un itinéraire technologique de récupération de métaux dans les stations d’épuration. Ici une vidéo de présentation.

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Caractérisation et modélisation des interactions entre les colloïdes et les polymères dans les procédés de capture de carbone
Zoe Fau  Directeurs : CHAZARENC Florent et GILLOT Sylvie Encadrant : Antonin AZAIS
2020-2023

Dans un contexte de transition de la STation d’EPuration vers la STation de Récupération des Ressources de l’Eau, les eaux usées domestiques sont de plus en plus souvent considérées comme des ressources plutôt que comme des déchets. Des procédés innovants ont été développés pour capter rapidement la matière organique en tête de STEP en vue de leur valorisation par digestion anaérobie. Des éléments permettant l’optimisation de ces procédés sont encore peu connus. Les interactions entre les polymères, sécrétés par les micro-organismes en présence, ou injectés, et la matière colloïdale, notamment, sont très complexes et encore peu compris. Ils ont cependant un impact majeur sur les performances de capture de carbone depuis la déstabilisation de particules chargées, en passant par la création de flocs jusqu’aux performances de décantation.

L’objectif de cette thèse sera d’identifier et de caractériser les différents mécanismes et de préciser les cinétiques réactionnelles en lien avec la production de bio-polymères, ou l’utilisation de polymères bio-sourcés, et leurs interactions avec la matière organique colloïdale, et l’impact de cette production / réaction sur les mécanismes de minéralisation, de biosorption, d’assimilation et de stockage de la matière organique. De façon plus spécifique ce travail de thèse visera à comprendre les interactions polymères/colloïdes par la métrologie, suivre les interactions au sein de pilotes / unités pleine échelle puis proposer une modélisation des interactions à l’aide de logiciels dédiés.

Zoé FAU est encadrée par Florent CHAZARENC, Sylvie GILLOT & Antonin AZAÏS. La thèse qu’elle prépare s’intéresse à la caractérisation et la modélisation des interactions entre la fraction colloïdale des eaux usées résiduaires urbaines et les (bio)polymères, dans les procédés de capture de carbone. Ici une vidéo de présentation.

Vidéo de présentation

 

Méthode Innovante de Spatialisation des propriétés dans le Sol
Sara RABOULI Directeur : Pascal Molle Encadrants : Rémi CLEMENT, Vivien DUBOIS 2018-2021
Partenaires : Iris Instruments et l’Université de Caroline du Nord (USA)

En France, on considère le sol comme un réacteur biologique ou un exutoire pour les eaux usées domestiques traitées. Dans ces deux cas, la perméabilité du sol reste l’un des paramètres clé pour établir la capacité d’infiltration et indirectement le potentiel épuratoire. A ce jour, il n’existe pas de technique satisfaisante permettant d’évaluer globalement la perméabilité d’un sol hétérogène et sa variabilité à l’échelle d’une parcelle. Face à cette limite, les méthodes géophysiques fournissent des réponses rapides sur les variations des propriétés géophysiques du sol (résistivité électrique, conductivité électrique, vitesse d’une onde) sur de grands volumes, mais elles ne mesurent pas directement notre paramètre d’intérêt (perméabilité). L’objectif du projet MISS est de proposer une méthodologie de fusion bayésienne de données issues des mesures ponctuelles (Infiltromètre, pénétromètre..) et de méthodes géophysiques 2D/3D. Cette méthodologie permettra de cartographier en 2D ou 3D la distribution des propriétés du sol. Celle-ci est essentielle pour:

  • une meilleure conception des ouvrages d’assainissement, en permettant d’intégrer dans les modèles de transfert hydrique une information distribuée 2D/3D,
  • un suivi de l’efficacité des ouvrages dans le temps, notamment pour caractériser et localiser les processus de colmatage.
Etude du captage du carbone dans le traitement des eaux usées par procédé « A » et décantation primaire améliorée chimiquement : vers la station d’épuration du futur a énergie positive.
Raja Sekhar GUTHI Directeur: Florent CHAZARENC Encadrant: Pierre BUFFIERE (INSA) 2019-2022

Cette thèse est réalisée dans le cadre d‘un partenariat industriel avec la société Saur, et adossée à un projet collaboratif financé par l’agence de l’eau RMC (Projet CAPTURE). Dans le contexte actuel, les eaux usées domestiques sont de plus en plus souvent considérées comme des ressources plutôt que comme des déchets. Le projet CAPTURE a pour ambition de développer deux procédés : la décantation primaire améliorée ou le procédé boues activées forte charge (procédé A) pour améliorer la capture de carbone et la valorisation par digestion anaérobie. L’objectif de cette thèse de doctorat est de déterminer des éléments de connaissances sur ces deux procédés et d’optimiser leur mise en œuvre en conditions semi-contrôlées pour maximiser le captage de carbone.

Objectifs spécifiques de recherche :

  • Caractériser et optimiser les performances épuratoires des deux procédés pour la maximisation de la capture du carbone.
  • Caractériser les mécanismes épurateurs des deux procédés afin de maximiser la fraction de carbone captée mobilisable par digestion anaérobie.
  • Intégrer les résultats obtenus pour estimer l’impact de l’insertion de ces procédés sur les étapes avales (méthanisation des boues, fraction MO résiduelle, valorisation des nutriments de la fil boues, traitement de l’azote de la fil eau).

Méthodologie :

     1. Essais en régime permanent en conditions semi-contrôlées

  • Procédé-A : à l’échelle colonne (Vtot : 400 L) et pilote (Vtot :3 m3);
  • Décantation améliorée : essais statiques (jar tests + colonnes de décantation) et dynamiques (suivi d’un dispositif comprenant un décanteur de 40 L).

    2. Suivis analytiques par analyse du fractionnement de la matière organique et estimation de la contribution de chaque voie métabolique (biosorption, stockage et minéralisation).

         3. Modélisation des résultats obtenus dans un logiciel dédié (approche mécanistique).