Rozprawy doktorskie na temat „Désinfection de l'eau”

Nous présentons une étude des réacteurs Uv annulaires qui appartiennent à un système complexe dont le comportement est dominé par l'hydrodynamique 3D d'écoulements de fluides visqueux turbulents. Pour cette étude, les modèles complets de radiation UV ont été utilisés. Les équations de ces modèles dépendent des caractéristiques physiques de la lampe UV, de la géométrie des réacteurs et des caractéristiques de l'eau. Les travaux effectués dans cette thèse concernent la modélisation numérique complète d'un système de désinfection de l'eau par des réacteurs UV annulaires, particulièrement appliqués au combat des légionelles. Nous avos étudiés les paramètres qui influencent le comportement hydrodynamique des fluides, les modèles de radiation UV et la cinétique d'inactivation des bactérie
Xe présent a study of the annular UV reactors which belong to a complex system whose behavior is dominated by the hydrodynamics 3D flows of turbulent viscous fluids. For this study, complete models of UV radiation were used. The equations of these models depend on physical characteristics of UV lamp, geometry of the reactors and characteristics of water. The work carried out in this thesis concerns the complete numerical modeling of a system of disinfection of water by annular UV reactors, particularly applied to the combatof Legionella. We studied the prameters which influence the hydrodynamic behavior for better understanding the consequences on UV disinfection and integration between the hydrodynamics of the fluids, the UV radiation models and the kinetics of inactivation of the bacteria

La presente etude s'inscrit dans le cadre du probleme de traitement de l'eau potable et aborde les aspects essentiels intervenant dans le choix d'une geometrie de reservoir de chloration afin d'obtenir une efficacite maximale de desinfection. Le memoire se decompose en quatre parties. Le premier chapitre est consacre a une analyse bibliographique concernant l'etat de l'art du procede de desinfection. Apres avoir formule les objectifs principaux, nous y presentons les deux approches theoriques qui composent cette etude: une, basee sur la methodologie des tracages et de la modelisation des courbes de distribution des temps de sejour, l'autre, s'appuyant sur la mecanique des fluides numerique. Dans le second chapitre les resultats experimentaux obtenus par la premiere approche sont analyses. Des modeles globaux, etablis sur la base des donnees experimentales et permettant de caracteriser la performance des contacteurs, sont ensuite proposes. Le chapitre suivant contient l'ensemble des resultats numeriques obtenus a l'aide des codes fidap et estet. Il est note que la deuxieme approche fournit une information plus fine en ce qui concerne la performance des contacteurs de desinfection. Dans le dernier chapitre une analyse comparative des resultats obtenus par les deux approches est presentee et la complementarite de deux methodes est montree. Enfin, une conclusion est faite sur la base de l'ensemble de resultats qui montre l'interet de l'utilisation de la mecanique des fluides numerique pour la modelisation des contacteurs de chloration

Les tours aéroréfrigérantes sont régulièrement mises en cause lors d'épidémies de légionellose et le respect des seuils réglementaires en L. Pneumophila, au sein de ces installations, nécessite l'utilisation de composés biocides. Un peptide sécrété par Staphylococcus warneri RK a été breveté en 2006 pour son activité anti-Legionella sous le nom de warnéricine RK. Dans le contexte actuel de diminution de l'impact des biocides sur l'environnement, l'objectif de cette étude a été de déterminer si la warnéricine RK, de par sa structure protéique et sa spécificité d'action, pouvait devenir un outil innovant pour la lutte raisonnée contre Legionella dans les circuits de tours aéroréfrigérantes. Dans la première partie de ce travail, l'étude de l'activité de la warnéricine RK contre des souches retrouvées dans les réseaux d'eau, a montré que son spectre d'activité est restreint au genre Legionella et à quelques souches de Bacillus. Ce peptide présente des résultats d'activité intéressants, dans des milieux de culture où il inhibe la croissance de L. Pneumophila à partir de 3,1 μg/mL et, dans l'eau déminéralisée où, à une concentration de 6,25 μg/mL, il réduit de 99 % la quantité de légionelles. La seconde partie de ce travail a consisté à développer des méthodes de production de grandes quantités de ce peptide afin de répondre aux besoins d’essais en simulateurs réseau ou en eaux de réseau. Deux approches de production ont été évaluées, à partir de la souche d'origine et à partir de souches d’E. Coli recombinantes. Les techniques développées ont permis la production de warnéricines recombinantes actives ainsi que la production d'un mélange de peptides actifs contre L. Pneumophila, provenant de la purification partielle du surnageant de S. Warneri RK. La dernière partie de ce travail a consisté à évaluer l'activité de la warnéricine RK contre les légionelles dans des conditions proches de celles retrouvées dans les tours aéroréfrigérantes. Suite à ces essais, il a été montré que certains sels pourraient être impliqués dans la précipitation de la warnéricine RK dans les eaux de réseau et dans les eaux de tours aéroréfrigérantes. Il semblerait également que, dans des conditions proches de celles retrouvées dans les circuits de tours aéroréfrigérantes, d'autres facteurs comme la présence d'autres microorganismes ou l'état physiologique des légionelles puissent limiter l’activité de la warnéricine RK
Cooling towers are regularly involved in outbreaks of legionnaires’ disease. Compliance with regulatory thresholds of L. Pneumophila, within these facilities requires the use of biocidal compounds. A peptide secreted by Staphylococcus, named warnericin RK, have been patented in 2006 for it anti-Legionella. In the present context of diminishing the impact of biocides on the environment, the objective of this study was to determine if, by its protein structure and its specificity of action, warnericin RK could become an innovative tool for reasoned fighting against Legionella in cooling towers circuits. In the first part of this work, it was showed that the spectrum of activity of the warnericin RK is restricted to the genus Legionella and some strains of Bacillus. This peptide presents interesting activity as it inhibits the growth of L. Pneumophila at 3. 1 mg/mL and it reduces 99% the amount of Legionella, in demineralised water, at a concentration of 6. 25 mg/mL. The second part of this work focus on the development of purification methods in order to produce large quantities of this peptide to meet test network simulators or water network. Two approaches to production have been evaluated: (i) from the original strain and (ii) from recombinant E. Coli. The techniques have enabled the production of recombinant active warnericin and the production of a mixture of peptides active against L. Pneumophila from the partial purification of the supernatant of S. Warneri RK. The last part of this work was to assess the activity of warnericin RK against Legionella in conditions close to those found in cooling towers. Following these tests, it was shown that salts may be involved in the precipitation of the warnericin in cooling tower water. It also appears that, in condition close to those found in systems of coling towers, other factors such as the presence of microorganisms or the physiological status Legionella can limit the activity of the warnericin RK

Les trihalométhanes (THM) et les acides haloacétiques (AHA) constituent les seules familles réglementées de sous-produits de la désinfection (SPD). Les SPD sont des composés issus de la réaction de la matière organique naturelle présente dans l’eau et du désinfectant lors du traitement de l’eau potable. La plupart de ces composés ne sont pas réglementés, même si plusieurs études ont montré que certains SPD peuvent présenter un risque toxicologique plus important que les THM et les AHA. De nos jours, très peu d’informations sont disponibles sur l’occurrence des SPD non-réglementés dans l’eau potable, en particulier dans les petits réseaux municipaux. Paradoxalement, les petits réseaux approvisionnés en eau de surface ont souvent des difficultés à mettre en place des traitements adéquats pour enlever les précurseurs de SPD dans l’eau soumise à la désinfection. L’eau potable des petits réseaux est ainsi plus vulnérable aux SPD et leur suivi y est d’autant plus important. Cette thèse s’est donc consacrée à améliorer les connaissances sur l’occurrence des SPD (et en particulier, les SPD non-réglementés) dans les petits réseaux de distribution d’eau potable, en étudiant notamment leur évolution spatiale et temporelle. Pour ce faire, deux campagnes d’échantillonnage ont été réalisées sur deux ans (entre 2010 et 2012) dans 25 petits réseaux du Québec et de Terre-Neuve-et-Labrador. Les THM, les AHA et trois autres familles de SPD non-réglementés, à savoir les haloacétonitriles, les halonitrométhanes et les haloacétones, ont été étudiés. Les résultats obtenus ont permis de mieux comprendre leur patron de variabilité spatio-temporelle, de modéliser leur présence et de développer un outil d’aide à la décision pour la mise en place d’une stratégie de suivi des SPD réglementés et non-réglementés.
Trihalomethanes (THMs) and haloacetic acids (HAAs) constitute the only regulated disinfection by-products (DBPs) in various countries. DBPs are compounds formed during drinking water treatment, from the reaction between natural organic matter and the disinfectant. Most DBPs are not regulated, even if they may have more pronounced toxicological effects than regulated ones. There is currently very little information about the occurrence of non-regulated DBPs, particularly in small water systems (SWS). Paradoxically, in many cases, SWS supplied by surface waters lack adequate treatment processes to remove DBP precursors in water subjected to the disinfection process. Their tap water may be more vulnerable to the presence of DBPs. This thesis is dedicated to improving the knowledge of the occurrence of DBPs (especially non-regulated DBPs) in SWS by studying their spatial and temporal variability. To do that, two sampling programs were carried out in 25 SWS during two years (between 2010 and 2012) in Canada. Small systems in the provinces of Newfoundland & Labrador and Quebec were considered. The following DBPs were measured during the study: THMs, HAAs, haloacetonitriles, haloketones and halonitromethanes. The obtained results contribute to a better understanding of the DBP spatio-temporal variation patterns, to establishing models to evaluate their levels and to developing decision-making schemes for simultaneously monitoring various families of DBPs, including non-regulated DBPs.

Le transport des eaux thermales de l'emergence aux postes de soins, comporte parfois un risque d'alteration des caracteristiques de l'eau. L'objectif de ces travaux etait donc de contribuer a la maitrise de la qualite des eaux dans les reseaux des etablissements thermaux en etudiant, dans ces eaux a faible teneur en matiere organique, les mecanismes de formation des biofilms et leur resistance aux desinfectants. L'etude, realisee sur le reseau de distribution de la station thermale de saujon, montre une hausse de la densite bacterienne et du cod ainsi qu'une modification de la composition de la flore bacterienne de l'eau en sortie de reseau. Les essais menes sur simulateurs de reseau alimentes en eau thermale ont permis, apres 10 a 20 jours de colonisation, d'obtenir un biofilm a l'etat d'equilibre. L'abondance des bacteries cultivables et totales du biofilm est alors de 6 10#4 a 8 10#5 ufc cm##2 et 6 10#5 a 5 10#6 cellules cm##2. La teneur en cod du biofilm est de l'ordre de 1,8 a 3,6 gc cm##2 et sa concentration en acides amines et en sucres dissous varie respectivement de 0,6 a 1,8 gc cm##2 (20 a 50% du cod) et de 0,1 a 0,4 gc cm##2 (2 a 11% du cod). Parmi les traitements de desinfection choc testes sur le biofilm en reacteur, la monochloramine ou le traitement thermique a 70c permettent d'obtenir les meilleurs resultats d'inactivation des bacteries du biofilm. . . .

La degradation de la qualite bacteriologique et physico-chimique des eaux de piscines est due a plusieurs facteurs dont la maitrise et le controle sont rendus difficiles par l'importance de leur nombre et des interactions existant entre eux. La piscine apparait comme un ensemble compact dans lequel l'hydraulicite, la filtration et la desinfection sont etroitement liees. L'etude de l'hydraulicite, a permis de mettre en evidence la presence massive des staphylocoques totaux et des staphylocoques pathogenes au fond des bassins de natation. Cette presence massive des staphylocoques est liee a leur adsorption sur des supports organiques et/ou mineraux qui sedimentent. L'accumulation de ces particules au fond des bassins est elle-meme accentuee par la recirculation actuelle de l'eau et par la defaillance des systemes de filtration. L'action de deux types de produits de desinfection (le chlore gazeux et les chlorocyanuriques) a ete etudiee. Cette etude sur l'hydraulicite, la desinfection et la filtration aboutit par ses conclusions, non seulement a des consequences pratiques importantes en matiere de conception, d'amenagement et de controle des bassins de natation, mais tend egalement a modifier l'approche de la programmation de telles operations. Le souci d'ameliorer l'efficacite de la desinfection a conduit l'auteur a etudier un autre mode d'injection (injection sequentielle) de produits desinfectants et a concevoir de nouveaux systemes d'injection. Enfin, en matiere de controle des eaux de piscines, la revision des normes actuelles de prelevements et d'analyses s'impose. Il convient de generaliser, au niveau des bassins existants, les campagnes de suivi approfondi qui sont des mesures prealables a toute modification d'installation, mise en conformite ou simple amenagement. Dans le cadre de ce suivi approfondi, deux modeles previsionnels stochastiques a approche bayesienne de detection en continu de la presence des staphylocoques ont ete mis au point. Ces deux modeles peuvent etre utilises comme capteur bacteriologique indirect de detection en ligne des staphylocoques

Le traitement de l’eau au point d’utilisation est recommandé par l’Organisation mondiale de la santé (OMS) pour réduire l’incidence des maladies diarrhéiques, en prévenant la contamination microbiologique de l’eau de boisson. Les produits de coagulation/désinfection combinés (PCDC) et la désinfection combinée à un entreposage de l’eau sécuritaire font partie des traitements au point d’utilisation recommandés par l’OMS. Bien que les performances d’enlèvement des microorganismes pathogènes de ces produits soient bien documentées, les sous-produits de désinfection (SPD) résultant de la réaction du chlore qu’ils contiennent avec la matière organique dissoute (MOD) présente dans l’eau, ont été peu étudiés jusqu’à maintenant. Ce projet avait comme objectif de caractériser la formation des SPD par 4 produits destinés au traitement au point d’utilisation sur trois types d’eau (eau de marais, eau du fleuve St-Laurent et eau synthétique de laboratoire). Deux des quatre produits testés sont des PCDC (PUR® et Aquafloq®), alors que les deux autres ne contiennent pas de coagulant (solution d’hypochlorite de sodium (NaOCl) et pastilles Aquatabs®). Les concentrations en trihalométhanes (THM) et en acides haloacétiques (AHA) de l’eau traitée ont été suivies aux pas de temps 30 minutes, 1h, 4h et 24h. Sur les 15 tests réalisés, 6 d’entre eux ont obtenu des concentrations en SPD qui dépassent les recommandations de l’OMS. Les concentrations maximales en THM4 (415 ppb) et AHA5 (335 ppb) ont été obtenues pour le test NaOCl à double dose (8,4 mg Cl2/L) dans l’eau du marais. L’efficacité de méthodes d’estimation des concentrations en SPD, c.-à-d. le différentiel d’absorbance UV (DAUV) et la consommation en chlore (CCL), ont également été étudiées. Les performances de ces méthodes variaient selon les types de SPD (R2 allant de 0,69 pour les THM4 avec la CCL, à 0,98 pour les AHA5 avec le DAUV).
Point of use treatment is recommended by the World health organisation (WHO) to reduce diarrhoeal diseases, by preventing microbial contamination of drinking water. Coagulant-disinfectant products (CDP) and disinfection combined to safe storage practices are among the point of use treatments recommended by the WHO. Since microbial reduction performances of these products are well documented, little is known about the disinfection by-products (DBP) formed by the reaction of the free chlorine they contain, with the dissolved organic matter present in the water. This project aimed to characterize the formation of DBP by 4 point of use treatments in 3 different water source (swamp, St-Laurent River and laboratory synthetic water). 2 of the 4 tested products were CDP (PUR® and Aquafloq®), and the 2 others didn’t have coagulant (sodium hypochlorite (NaOCl) solution and Aquatabs® tablets). Trihalomethane (THM) en haloacetic acids (HAA) concentrations in treated water were measured at 4 different time steps: 30 min, 1h, 4h, and 24h. On the 15 tests realized, 6 of them had DBP concentrations that exceeded the WHO guidelines. Maximum THM4 (415 ppb) and HAA5 (335 ppb) concentrations were obtained with double dose NaOCl (8,4 mg Cl2/L) in the swamp. Alternative methods allowing estimation of DBP formation concentrations (e.g. differential UV absorbance (DUVA) and chlorine consumption (CLC)) were also investigated. Their performances varied according to the DBP’s nature (from R2 =0.69, for THM4 with CLC, to R2 =0.98, for HAA5 with DUVA).

Les difficultés d'accès à l'eau potable, affectent le quotidien de 2 milliards de personnes et constituent une problématique majeure à résoudre. Le sixième objectif de développement durable, mis en place par les Nations Unies, a pour but de promouvoir l'accès universel à l'eau potable en développant les possibilités d'assainissement et de potabilisation de l'eau dans les milieux urbains mais également au niveau des sites isolés. Ces derniers sont caractérisés par l'absence de réseaux énergétiques, la rareté de personnels techniques qualifiés et la difficulté d'acheminer des matières premières. Le développement de procédés décentralisés, durables, autonomes énergétiquement, répond au besoin de traitement de l'eau contre la pollution microbiologique, cause de nombreux décès à travers le monde. Deux procédés, avec le solaire thermique basse température comme source d'énergie, et basés respectivement sur le principe de la pasteurisation et de l'ultrafiltration membranaire de l'eau, sont conçus, expérimentés et modélisés. L'objectif est de démontrer la possibilité d'assurer la désinfection d'eau de surface à l'échelle des petites communautés décentralisées à partir d'une énergie délivrée par des collecteurs thermiques plans standards. Le procédé solaire de pasteurisation développé, permet de traiter, en fonction des conditions d'irradiation, des volumes journaliers compris entre 800 et 1000 L par unité de capteur (2 m2 de surface). La consommation d'énergie solaire spécifique, optimisée grâce à l'utilisation d'un échangeur de chaleur performant positionné sur la boucle ouverte de traitement, varie entre 12 et 15 kWhsol.m-3. Il fonctionne de manière totalement autonome au fil du soleil avec un système de régulation passif. Le procédé d'ultrafiltration repose sur deux innovations : (i) la production de l'énergie mécanique nécessaire au fonctionnement du système membranaire par un cycle thermodynamique de type organique Rankine dont l'entrée de chaleur est fournie par un collecteur solaire ; (ii) l'utilisation de l'énergie mécanique pour le pompage et la pressurisation de l'eau par actionnement d'un vérin double effet. La faisabilité technique du procédé est vérifiée avec une consommation énergétique spécifique fluctuant entre 5 et 10 kWhsol.m-3. Dans les deux cas, une modélisation est réalisée et validée à partir des résultats expérimentaux. Le couplage des deux technologies, permet d'envisager, d'une part la génération du perméat constituant une eau propre à la consommation, et d'autre part de la désinfection du concentrât qui est traitée par la suite par le procédé de pasteurisation. Ce système de désinfection associe performance énergétique et zéro rejet
Difficulties in accessing drinking water affect the daily lives of 2 billion people, and represent a major problem to be solved. The 6th Sustainable Development Goal, set by the United Nations, aims to promote universal access to drinking water by developing sanitation and potabilization facilities in urban areas, and in isolated sites. The latter are characterized by the absence of energy networks, the scarcity of qualified technical personnel and the difficulty of transporting raw materials. The development of decentralized, sustainable, energy-independent processes meets the need to treat water against microbiological pollution, the cause of many deaths worldwide. Two processes, using low-temperature solar thermal energy as an energy source, and based respectively on the principle of water pasteurization and membrane ultrafiltration, are being designed, tested and modelled. The aim of this project is to demonstrate the feasibility of disinfecting surface water on the scale of small decentralized communities, using energy supplied by standard flat-plate thermal collectors. Depending on irradiation conditions, the solar pasteurization process developed can treat daily volumes of between 800 and 1000 L per collector unit (2 m2 surface area). Specific solar energy consumption, optimized through the use of a high-performance heat exchanger positioned on the open treatment loop, varies between 12 and 15 kWhsol.m-3. It operates completely autonomously with the sun, using a passive control system. The ultrafiltration process is based on two innovations: (i) the production of the mechanical energy required to operate the membrane system by an organic Rankine thermodynamic cycle whose heat input is supplied by a solar collector; (ii) the use of mechanical energy to pump and pressurize the water by actuating a double-acting cylinder. The technical feasibility of the process has been verified, with specific energy consumption fluctuating between 5 and 10 kWhsol.m-3. In both cases, modelling is carried out and validated on the basis of experimental results. By coupling the two technologies, it is possible to generate the permeate required for drinking water, and to disinfect the concentrate using the pasteurization process. This disinfection system combines energy efficiency with zero waste

Le contrôle de la qualité microbiologique de l'eau potable repose sur le dénombrement de bactéries coliformes et de bactéries hétérotrophes aérobies et anaérobies, faisant intervenir des méthodes traditionnelles de culture sur milieux nutritifs gélosés. Seule une petite fraction (environ 1%) de ces bactéries est cultivable du fait de conditions de culture inappropriées (température, pH, disponibilité en eau et nutriments) à la croissance de populations bactériennes diversifiées. Ceci conduit à une sous-estimation du nombre réel de bactéries viables. Ces méthodes de mesures par culture sont donc loin d'être satisfaisantes pour la numération des micro-organismes subissant un stress oxydant (lors de la désinfection des eaux par exemple). En outre, elles ont le désavantage de nécessiter des temps d'incubation longs de 24h à 15 jours. Au contraire, l'utilisation de techniques de comptage par microscopie combinées avec un marquage par des fluorochromes permet une énumération rapide des bactéries. Cependant, elles n'autorisent qu'un dénombrement total des cellules bactériennes (i. E. Sans distinguo entre cellules vivantes et mortes). Une étude pionnière dans les années 90 montrait chez des bactéries exposées au chlore (HC1O), une perte de fluorescence du DAPI (fluorochrome marqueur d’acides nucléiques), suggérant ainsi une possibilité de repérer des bactéries blessées par les oxydants. Nous avons prolongé ces observations initiales en travaillant avec d'autres fluorochromes marqueurs d'acides nucléiques (SYBR-II, TOTO-1, PI) combinés à l'utilisation de la cytométrie en flux (plus quantitative et indépendante de l'observateur comparativement à la technique de microscopie en épifluorescence). Nous avons ainsi confirmé que l'oxydant chlore (HC1O/CIO-) altère la perméabilité membranaire des cellules bactériennes mais provoque aussi, comme l'ozone, des dommages des polymères intracellulaires (ADN et ARN). Des essais in vitro sur des solutions d'acides nucléiques montrent que la perte de fluorescence est concentration dépendante, suggérant plusieurs mécanismes d'altération de l'ARN ou de l'ADN par le chlore. Les trois fluorochromes testés sont sensibles à ces altérations, ce qui indirectement nous a amené à mettre en cause l'utilisation de PI traditionnellement employé comme marqueur de perméabilité membranaire. Par contre, les modifications chimiques causées par d'autres désinfectants (dioxyde de chlore, C1O2 ou monochloramine, NH2C1) ne changent pas l'efficacité du marquage des acides nucléiques par les fluorochromes. A l'aide d’une bactérie génétiquement modifiée, présentant une fusion des gènes umuC et umuD avec le gène lacZ, nous avons pu observer que l'expression du système SOS de réparation de l'ADN était compromise pour des concentrations de chlore proches de celles conduisant à une perte de cultivabilité des bactéries. Cette observation permet alors de définir une concentration de chlore efficace (conduisant à une vrai désinfection) pour laquelle les dommages causés à l'ADN sont non réparables (lésions irréversibles). En travaillant avec des eaux prélevées sur usine de potabilisation, nous avons pu observer la présence quasi-systématique de deux populations dites LNA (low nucleic acid content- ayant un faible contenu en acides nucléiques) et HNA (high nucleic acid content- ayant un fort contenu en acides nucléiques) et surtout montrer la grande sensibilité de cette dernière à l’action du chlore. Les résultats obtenus au cours de cette étude montrent que la perte du signal de fluorescence de fluorochromes marquant des bactéries chlorées ou ozonées peut servir de méthode de contrôle rapide (moins d'une heure) de désinfection de l'eau en usine de traitement d'eau potable.

Ce mémoire présente les résultats d'une campagne d'échantillonnage des sous-produits de la désinfection (SPD) dans un système municipal d'eau potable. En plus des familles de SPD les plus connues (c.-à-d. les trihalométhanes (THM) et les acides halo-acétiques (AHA)), trois familles de SPD émergents (SPDE) sont également étudiées (les haloacétonitriles (HAN), les halonitrométhanes (HNM) et les halocétones (HK)). L'étude de ces cinq familles de SPD présente un grand intérêt puisque plusieurs de ces composés pourraient être cancérigènes. Lors des échantillonnages, les concentrations en SPD et certains paramètre physico-chimiques ont été mesurés à divers points de l'usine de traitement (UTE) et du réseau de distribution d'eau potable. Les résultats obtenus sont analysés d'un point spatial et d'un point de vue temporel afin d'identifier les facteurs déterminants de la variabilité des cinq familles de SPD étudiées. Les conclusions de cette analyse permettent d'identifier les points les plus critiques du système étudié et d'identifier des pistes de solution pour réduire les concentrations en SPD dans l'eau potable. Les résultats montrent, entre autres, que la majorité des SPD sont formés à l'intérieur de l'UTE et que, par conséquent, les interventions visant à limiter la formation de SPD devraient principalement cibler la chaîne de traitement et le réservoir de l'UTE.
This Master's thesis presents the results of a sampling campaign of disinfection by-products (DBPs) in a municipal drinking water system. In addition to the regulated DBP families (i.e. trihalomethanes (THMs) and haloacetic acids (HAAs)), three families of non-regulated disinfection by-products (NrDBPs) are also studied (haloacetonitriles (HANs), halonitromethanes (HNMs) and haloketones (HKs)). The study of these five DBP families is of great interest since several of these compounds could be carcinogenic. During the sampling campaigns, DBP concentrations and some physicochemical parameters were measured at various points within the treatment plant (WTP) and the drinking water distribution network. Results obtained are analyzed from a spatial and temporal point of view to identify the main factors influencing the variability of the five DBP families studied. Conclusions of this analysis are used to identify the most critical points in the system and to identify potential solutions to reduce the DBP concentrations in the drinking water network. Results show, among other things, that a considerable proportion of the maximum observed DBP concentrations is generated within the WTP and therefore, interventions to limit the formation of DBPs should focus on the treatment chain and the WTP tank.

Le contrôle de la qualité microbiologique de l'eau potable repose sur le dénombrement de bactéries coliformes et de bactéries hétérotrophes aérobies et anaérobies, faisant intervenir des méthodes traditionnelles de culture sur milieux nutritifs gélosés. Seule une petite fraction (environ 1%) de ces bactéries est cultivable du fait de conditions de culture inappropriées (température, pH, disponibilité en eau et nutriments) à la croissance de populations bactériennes diversifiées. Ceci conduit à une sous-estimation du nombre réel de bactéries viables. Ces méthodes de mesures par culture sont donc loin d'être satisfaisantes pour la numération des micro-organismes subissant un stress oxydant (lors de la désinfection des eaux par exemple). En outre, elles ont le désavantage de nécessiter des temps d'incubation longs de 24h à 15 jours. Au contraire, l'utilisation de techniques de comptage par microscopie combinées avec un marquage par des fluorochromes permet une énumération rapide des bactéries. Cependant, elles n'autorisent qu'un dénombrement total des cellules bactériennes (i. E. Sans distinguo entre cellules vivantes et mortes). Une étude pionnière dans les années 90 montrait chez des bactéries exposées au chlore (HC1O), une perte de fluorescence du DAPI (fluorochrome marqueur d’acides nucléiques), suggérant ainsi une possibilité de repérer des bactéries blessées par les oxydants. Nous avons prolongé ces observations initiales en travaillant avec d'autres fluorochromes marqueurs d'acides nucléiques (SYBR-II, TOTO-1, PI) combinés à l'utilisation de la cytométrie en flux (plus quantitative et indépendante de l'observateur comparativement à la technique de microscopie en épifluorescence). Nous avons ainsi confirmé que l'oxydant chlore (HC1O/CIO-) altère la perméabilité membranaire des cellules bactériennes mais provoque aussi, comme l'ozone, des dommages des polymères intracellulaires (ADN et ARN). Des essais in vitro sur des solutions d'acides nucléiques montrent que la perte de fluorescence est concentration dépendante, suggérant plusieurs mécanismes d'altération de l'ARN ou de l'ADN par le chlore. Les trois fluorochromes testés sont sensibles à ces altérations, ce qui indirectement nous a amené à mettre en cause l'utilisation de PI traditionnellement employé comme marqueur de perméabilité membranaire. Par contre, les modifications chimiques causées par d'autres désinfectants (dioxyde de chlore, C1O2 ou monochloramine, NH2C1) ne changent pas l'efficacité du marquage des acides nucléiques par les fluorochromes. A l'aide d’une bactérie génétiquement modifiée, présentant une fusion des gènes umuC et umuD avec le gène lacZ, nous avons pu observer que l'expression du système SOS de réparation de l'ADN était compromise pour des concentrations de chlore proches de celles conduisant à une perte de cultivabilité des bactéries. Cette observation permet alors de définir une concentration de chlore efficace (conduisant à une vrai désinfection) pour laquelle les dommages causés à l'ADN sont non réparables (lésions irréversibles). En travaillant avec des eaux prélevées sur usine de potabilisation, nous avons pu observer la présence quasi-systématique de deux populations dites LNA (low nucleic acid content- ayant un faible contenu en acides nucléiques) et HNA (high nucleic acid content- ayant un fort contenu en acides nucléiques) et surtout montrer la grande sensibilité de cette dernière à l’action du chlore. Les résultats obtenus au cours de cette étude montrent que la perte du signal de fluorescence de fluorochromes marquant des bactéries chlorées ou ozonées peut servir de méthode de contrôle rapide (moins d'une heure) de désinfection de l'eau en usine de traitement d'eau potable.

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

Le suivi règlementaire des sous-produits de la désinfection (SPD) dans l’eau potable fournit généralement aux opérateurs des usines de production d’eau potable un portrait partiel de la performance du traitement en termes de SPD, étant donné la basse fréquence d’échantillonnage exigée. Une rétroaction plus fréquente sur les concentrations de SPD permettrait une optimisation des paramètres d’opération susceptible d’influencer l’enlèvement des précurseurs de SPD et la désinfection. Il importe alors d’avoir une méthode de suivi simple, rapide, et à fréquence élevée, voire en continu, des concentrations de SPD dans l’eau potable. L’absorbance UV différentielle (ΔA) est une méthode d’estimation des concentrations de SPD à coût faible, pouvant être effectuée rapidement et fréquemment, qui consiste à utiliser la différence entre une mesure de l’absorbance UV avant la chloration et une mesure de l’absorbance UV après la chloration pour prédire les concentrations de SPD. L’objectif de cette thèse est de développer une stratégie de suivi en continu de la formation des SPD par l’absorbance UV différentielle en usine afin de permettre une opération préventive et adaptative lors du traitement de l’eau. Cet objectif est divisé en deux sous-objectifs: comprendre pourquoi les relations SPD-ΔA ne sont pas universelles et identifier les stratégies favorisant leur généralisation et leur application à l’échelle réelle, et développer une stratégie d’opération adaptative et préventive du procédé de coagulation-floculation, utilisant comme rétroaction l’absorbance UV-visible, afin de réduire les concentrations de SPD à l’usine et en réseau. À cette fin, un premier essai a été fait afin de vérifier la possibilité d’établir des relations SPD-ΔA valide à l’échelle réelle. Ensuite, une stratégie de coagulation à l’échelle réelle utilisant l’absorbance UV à 254 nm des eaux brutes et décantées a été testée. En parallèle, une série de jar-tests et d’essais de chloration faits sur 8 eaux brutes différentes a permis de construire une base de données sur la coagulation de la matière organique et des précurseurs des SPD, permettant de comparer les résultats obtenus en laboratoire à ceux obtenus à l’échelle réelle. Cette même base de données a aussi servi à établir des relations SPD-ΔA plus largement applicables et à formuler des recommandations sur l’approche à adopter pour généraliser et utiliser ces relations. Les résultats des essais à l’échelle réelle montrent qu’il est possible d’établir des relations SPD-ΔA autant pour des sous-produits règlementés (trihalométhanes (THM) et acides haloacétiques (AHA)) que pour des sous-produits émergents (haloacétonitriles (HAN), halocétone (HK), et chloropicrine (CPK)) en utilisant l’absorbance UV différentielle à une seule longueur d’onde (272 nm), mais que ces relations varient dans le temps en fonction des paramètres physico-chimiques de l’eau brute et des paramètres d’opération des procédés. L’absorbance UV avant chloration demeure malgré tout un bon indicateur de la concentration de précurseurs de SPD. Ainsi, une stratégie de coagulation basée sur une dose stœchiométrique d’alun par rapport à l’absorbance UV à 254nm de l’eau brute (dose d’alun/UV254 de l’eau brute) a été développée à l’échelle réelle. Les résultats de l’essai de la stratégie à l’échelle réelle et des jar-tests concordent et confirment que l’utilisation d’une dose stœchiométrique d’alun définie permet de maximiser l’enlèvement de l’absorbance UV et des précurseurs dans une situation de qualité de l’eau variable quotidiennement et saisonnièrement. L’utilisation de l’absorbance UV différentielle à plusieurs longueurs d’onde, en plus de l’utilisation de l’absorbance avant chloration, permet d’améliorer les prédictions des relations empiriques SPD-ΔA et de généraliser leur application. En effet, les résultats des jar-tests et des essais de chloration ont montré que ces relations sont applicables à des eaux chlorées ayant des caractéristiques physico-chimiques variées. Spécifiquement, les concentrations de THM semblent mieux prédites en utilisant l’absorbance avant chloration à 270 nm, ΔA à 270 nm et ΔA à 425 nm, l’acide dichloroacétique en utilisant l’absorbance avant chloration à 250nm, ΔA à 250 nm et ΔA à 425 nm, et l’acide trichloroacétique en utilisant l’absorbance avant chloration à 255 nm, ΔA à 255nm et ΔA à 425 nm. L’utilisation de l’absorbance différentielle à plusieurs longueurs d’onde devra être expérimentée à l’échelle réelle dans des recherches futures, entre autres en utilisant des sondes de mesure de l’absorbance en continu.
Regulatory sampling of drinking water for the control of disinfection by-products (DBPs) gives a partial depiction of the performance of a drinking water system in terms of DBPs, given the usually low sampling frequency required. A more frequent feedback on DBP concentrations would allow optimisation of the operation of the treatment processes responsible for the removal of DBP precursors. It is therefore important to develop a simple, rapid and high frequency or even continuous monitoring method for DBPs. Differential UV absorbance (ΔA) is a method, consisting of the use of the difference between the absorbance of a sample before chlorination and after chlorination to predict DBP concentrations that can provide such a feedback rapidly and frequently. The main goal of this thesis is to develop a continuous DBP monitoring strategy using differential UV absorbance in order to achieve a preventive and adaptive operation of water treatment processes. This goal is divided into two sub-objectives : to understand why DBP-ΔA relationships are not universal and to identify ways to generalize their application in full-scale water treatment facilities, and to develop a preventive and adaptive operation strategy of the coagulation-flocculation process, using UV absorbance as a feedback, in order to reduce DBP concentrations at the plant and in the distribution network. To reach these goals, atrial was made to assess the possibility of establishing DBP-ΔA relationships at a full-scale treatment plant. Then, a coagulation strategy using UV absorbance at 254 nm of the raw and settled waters was tested to assess its capacity to reduce DBP concentrations. At the same time, jar-tests and chlorination experiments were conducted on 8 different water sources to build a database on the coagulation of DBP precursors. These results were compared with the full-scale coagulation strategy. The database was also used to establish DBP-ΔA relationships applicable to waters with a wide range of physicochemical characteristics and to formulate recommendations on the approach to take to generalize and use these relationships. The results of the full-scale trials show that it is possible to establish DBP-ΔA relationships for both regulated (trihalomethanes (THM) and haloacetic acids (HAAs)) and unregulated (haloacetonitriles (HANs), haloketones (HKs) and chloropicrin (CPK)) DBPs using differential UV absorbance at one wavelength (272 nm), but that these relationships vary with the raw water physicochemical characteristics and with the operation parameters of the treatment process. Nonetheless, UV absorbance before chlorination remains a good surrogate of the concentration of DBP precursors. A coagulation strategy based on a stoichiometric alum dose related to UV absorbance at 254 nm (alum/UV254) was therefore developed at full-scale. Results from the full-scale trials and the jar-tests are coherent and confirm that using a stable stoichiometric dose maximises the removal of UV absorbance and DBP precursors despite daily and seasonal variations of raw water quality and natural organic matter content. The use of differential UV absorbance at multiple wavelength made it possible to improve the predictive capacity of empirical DBP-ΔA relationships and to generalize their application. Indeed, results from the jar-tests and chlorination experiments showed that these relationships are applicable to chlorinated waters with very different physicochemical characteristics. Specifically, THM concentrations seem to be better predicted using pre-chlorination absorbance at 270nm, ΔA at 270nm and ΔA at 425nm, dichloroacetic acid using pre-chlorination absorbance at 250nm, ΔA at 250nm and ΔA at 425nm, and trichloroacetic acid using pre-chlorination absorbance at 255nm, ΔA at 255nm and ΔA at 425nm. The use of differential absorbance at multiple wavelengths, especially using online absorbance probes, should be tried in a full-scale water treatment facility in future research.

Cette thèse a comme objectif d’estimer la variabilité régionale présente et future des trihalométhanes (THM) dans les systèmes d’approvisionnement en eau potable (SAEP) desservis en eau de surface à l’aide de modèles multiniveau. La variabilité régionale des THM a été étudiée à l’aide d’une importante base de données développée dans le cadre de cette thèse et concernant les résultats réglementaires de la qualité de l’eau potable, les infrastructures de traitement, la qualité de l’eau de surface et plusieurs paramètres spatio-temporels pouvant influencer la qualité de la source d’eau (Chapitre 2). Les modèles de régression multiniveaux permettent de considérer la structure hiérarchique des données et ainsi d’étudier la variabilité des échantillons de THM tout en contrôlant pour le regroupement des concentrations de THM entre les SAEP et entre les divisions écologiques du territoire. Dans un premier temps, des modèles de régression linéaire multiniveaux ont été développés pour estimer la variabilité régionale et temporelle d’un indicateur des précurseurs des THM, soit le carbone organique dissous (COD) (Chapitre 3). En utilisant les connaissances acquises lors de cette étude et à l’aide de modèles de régression logistique multiniveaux, nous avons ensuite développé un modèle permettant d’estimer la variabilité régionale de la probabilité que les concentrations de THM dans l’eau potable dépassent un seuil spécifique (Chapitre 4). Ce modèle de régression fut ensuite utilisé afin d’estimer l’impact possible des changements climatiques sur la variabilité régionale future de la probabilité que les concentrations de THM dans l’eau potable dépassent ce même seuil (Chapitre 5). Les modèles de régression multiniveaux ont été très peu utilisés dans le domaine de la modélisation de la qualité de l’eau potable. Or, les résultats de cette thèse ont démontré qu’ils s’avèrent un outil très efficace pour considérer la hiérarchie naturelle des variables permettant de modéliser la qualité de l’eau potable à l’échelle régionale. La base de données développée et l’exploration méthodologique des modèles de régression multiniveaux effectuée dans les différents chapitres de cette thèse offrent une plateforme unique pour les futures études de modélisation concernant la variabilité régionale de la qualité de l’eau potable. Mots clés : eau potable, eau de surface, modèle de régression multiniveau, cadre écologique du territoire, trihalométhanes, sous-produits de la désinfection, carbone organique dissous, changements climatiques
The objective of this thesis is to estimate the present and the future regional variability of trihalomethane (THM) occurrence in drinking water utilities (DWUs) supplied by surface water using multilevel models. The regional variability of THMs was investigated using a large database developed as part of this thesis that takes into account information about regulatory drinking water quality analyses, treatment infrastructures, surface water quality, and many other spatiotemporal parameters that may influence source water quality (Chapter 2). The multilevel models allow for the consideration of the hierarchical structure of the data and the study of variability among THM samples, while controlling for the grouping of THM concentrations within DWUs and at the regional level. At first, multilevel linear regression models were developed to estimate the regional and temporal variability of an indicator of THM precursors (i.e., dissolved organic carbon – DOC) (Chapter 3). Then, using the knowledge acquired in this study and based on multilevel logistic regression models, we developed a model which allows us to estimate the regional variability in the probability of THM concentrations exceeding a specific threshold in drinking water (Chapter 4). Then, this model was used to estimate the possible impact of climate change on the future regional variability in the probability of THM concentrations exceeding the threshold (Chapter 5). Multilevel models have only rarely been used in the field of drinking water quality modelling. And yet results from this thesis demonstrate that they are quite useful in considering the natural hierarchy of variables allowing for the modelling of drinking water quality on a regional basis. The database we developed and the methodological exploration of multilevel regression models that is carried out through the chapters of this thesis offer a useful framework for future modelling studies which examine the regional variability of drinking water quality. Keywords: drinking water, surface water, multilevel regression models, regional ecological framework, trihalomethanes, disinfection by-products, dissolved organic carbon, climate change