Potentiel d?utilisation de la spectrofluorim?trie 3D pour la caract?risation en ligne de la mati?re organique dissoute : de la station d??puration au milieu r?cepteur

par Ange?lique Goffin

Thèse de doctorat en Sciences et Techniques de l'Environnement

Sous la direction de Gilles Varrault.

Soutenue le 29-11-2017

à Paris Est , dans le cadre de SIE - Sciences, Ing?nierie et Environnement , en partenariat avec Laboratoire Eau, Environnement et Syst?mes Urbains (laboratoire) et de Laboratoire Eau Environnement et Syst?mes Urbains / LEESU (laboratoire) .

Le président du jury était Marie-No?lle Pons.

Le jury était composé de Gilles Varrault, Vincent Rocher.

Les rapporteurs étaient Edith Parlanti, Jean-Philippe Steyer.


  • Résumé

    Les travaux effectu?s au cours de ce doctorat, en collaboration ?troite avec la Direction du D?veloppement et de la Prospective (DDP) du Syndicat Interd?partemental pour l?Assainissement de l?Agglom?ration Parisienne (SIAAP), s?inscrivent dans le cadre du programme de recherche MOCOPEE (Mod?lisation, Contr?le et Optimisation des Proc?d?s d?Epuration des Eaux) et s?int?ressent aux potentielles applications de la spectrofluorim?trie 3D pour caract?riser les quantit?s et qualit?s de la mati?re organique dissoute (MOD) dans les eaux de station d??puration des eaux us?es (STEU) et dans les eaux du milieu naturel. La premi?re partie de ce manuscrit est d?di? aux applications de la spectrofluorescence 3D pour caract?riser la MOD des eaux de STEU. Une m?thodologie de traitement des spectres de fluorescence reposant sur l?utilisation d?un algorithme de d?convolution nomm?e PARAFAC, a ?t? appliqu?e pour les eaux us?es de la STEU ? Seine Centre ?. Un fractionnement par hydrophobicit? ainsi qu?une ?tude de biod?gradabilit? ont permis d?apporter de nouvelles informations sur les propri?t?s des fluorophores de la MOD des eaux us?es de STEU. Des relations entre des indicateurs de fluorescence et les mesures de demandes biologiques en Oxyg?ne (DBO5) soluble ainsi qu?avec les mesures de demande chimiques en oxyg?ne (DCO) soluble ont ?t? mises en ?vidence pour les eaux us?es d?entr?e de 6 STEU (n=83) de la r?gion parisienne (SIAAP). Ces mod?les de pr?diction pourront ?tre utilis?s pour optimiser la gestion des fili?res de traitements ?puratoires des eaux us?es (ex : ajouts de r?actifs). Enfin, les fluorophores identifi?s ont ?t? utilis?s pour suivre l??volution de la MOD le long des fili?res ?puratoires des STEU de ? Seine Centre ? et ? Seine Gr?sillons ?. La deuxi?me partie traite des potentiels d?applications de cette m?thodologie dans les eaux du milieu naturel. Gr?ce au r?seau de suivi MeSeine (Mesure en Seine), 373 pr?l?vements ont ?t? r?alis?s par le SIAAP, lors d?un suivi hebdomadaire de Juillet 2015 ? Juin 2016, dans le bassin versant de la Seine. Ce suivi int?gre 12 points de pr?l?vements de l?amont vers l?aval de Paris et deux des principaux affluents de la Seine (Marne et Oise). De ce suivi, un mod?le PARAFAC de 10 composantes a ?t? mis en ?vidence. Des variations spatio-temporelles de qualit? de MOD ont ?t? observ?es entre les diff?rents cours d?eau ?tudi?s. L?impact de la pression urbaine (rejets de STEU) sur la qualit? de la MOD entre l?amont et l?aval de l?agglom?ration parisienne a ?galement pu ?tre observ?. Ainsi, une caract?risation physico-chimique rapide de la MOD et de ses sources en milieu aquatique urbain, peut ?tre effectu?e par spectrofluorescence 3D. La mise en place de ce type de suivi in situ apportera des informations rapides sur la qualit? et quantit? de MOD des milieux aquatiques naturels pour les gestionnaires de stations de potabilisations qui pourront connaitre la qualit? de la MOD des eaux de pr?l?vements et anticiper la formation de sous-produits de d?sinfections. Les gestionnaires des milieux aquatiques pourront ?galement anticiper la survenue d??pisodes de pollution des eaux de surface. Enfin, un mod?le de pr?diction de la concentration en carbone organique dissoute par spectrofluorescence 3D combin? ? la spectrom?trie d?absorbance a ?t? mis en ?vidence. Les conclusions mises en ?vidence par ce travail contribueront ? une meilleure compr?hension de la MOD fluorescente des eaux us?es de STEU (optimisation des fili?res de traitement biologique) et des milieux aquatiques. Ainsi, ce type de travail ne se limite pas ? la communaut? scientifique, mais s??tend aux gestionnaires et op?rationnels du domaine de l?eau

  • Titre traduit

    Application potential of 3D spectrofluorimetry for on-line dissoled organic matter characterisation : from the wastewater treatment plant to the receiving middle


  • Résumé

    The work carried out during this PhD, in close collaboration with the Development and Prospective Development Department (DDP) of the Interdepartmental Syndicate for the Sanitation of the Paris Metropolitan Area (SIAAP), is part of the research program MOCOPEE (Research Modeling, Control and Optimization of Water Treatment Processes) and are interested in the potential applications of 3D spectrofluorimetry to characterize dissolved organic matter (DOM) quantity and quality in wastewater treatment plant (WWTP) and in natural middle. The first part of this manuscript is devoted to the potential applications of 3D fluorescence spectroscopy to characterize wastewater DOM quality and quality. A methodology for the treatment of 3D fluorescence spectra based on the use of a deconvolution algorithm named PARAFAC has been applied to wastewater from the Seine Center WWTP. Specific MOD fluorophores were observed, allowing a finer approach to the fluorescence characteristics of MOD. Resin fractionation and a biodegradability study yielded new information on raw sewage DOM fluorophores. Relationships between DOM fluorescence indicators and soluble Biological Oxygen Demand (BOD5) measurements as well as soluble Chemical Oxygen Demand (COD) measurements have been demonstrated in raw sewage from 6 Parisian WWTP (SIAAP). Prediction models of soluble BOD5 and soluble COD by 3D spectrofluorimetry can be used to anticipate variations of raw sewage quality and quantity, and to optimize biological treatment processes (eg reagent additions). Finally, DOM fluorescence was analyzed along "Seine Center" and "Seine Gr?sillons" WWTPs. The second part deals with applications potential of 3D fluorescence spectroscopy in natural middles. Thanks to the MeSeine monitoring network (Mesure en Seine), a total of 373 samples were taken during a weekly monitoring from July 2015 to June 2016 in the Seine catchment area and include 12 sampling points from upstream to downstream of Paris and two of its main tributaries (Marne river and Oise river). From this monitoring, a PARAFAC model with 10 components was highlighted. Variations in DOM quality were observed between the different streams studied. The impact of urban pressure on DOM quality was also observed by fluorescence, between the upstream and downstream of the Parisian agglomeration. We have also been able to monitor WWTP effluent impacts on the Seine during a maintenance operation for its treatment processes. Variations in the quality of MOD between low and high water periods were also observed. Thus, 3D spectrofluorimetry help to provide a rapid physicochemical characterization of DOM and its sources in urban aquatic environments. Theses information will help drinking water plants managers to rapidly know DOM quality to anticipate formation of disinfections by-products. Managers of aquatic environments will also be able to anticipate occurrence of surface water pollution episodes. Finally, 3D fluorescence spectroscopy and absorbance spectroscopy were combined to develop a dissolved organic carbon concentration prediction model. The findings highlighted by this work will contribute, on their scale, to a better understanding of DOM fluorescence in raw sewage water (optimization of biological treatment channels) and in aquatic environments. In this sense, the usefulness of this type of work is not limited to the scientific community, but extends to managers and the operational fields


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