Traitement des eaux pluviales et des surverses de déversoir d'orage par filtres plantés à écoulement vertical avec aération forcée pour améliorer la qualité de l'eau

Doctorante : Daniella GONÇALVES PORTELA

Laboratoire : REVERSAAL - REduire Réutiliser Valoriser Les Ressources Des Eaux Résiduaires
École Doctorale : ED206 Chimie de Lyon

Les surverses de déversoir d'orage constituent des sources importantes de pollution aquatique et ont été efficacement traitées par les filtres plantés à écoulement vertical. Cependant, les performances du système en matière d'élimination des polluants dissous et des micropolluants peuvent être affectées par les caractéristiques des précipitations. C'est pourquoi deux filtres plantés à écoulement vertical (CSOA et CSOB) , équipés d'un nouveau design avec aération forcée et d'une couche saturée d'environ un mètre ont été testés sur une période d'un an et demi. Le CSOA utilisait du gravier comme couche de filtration supérieure, tandis que le CSOB utilisait du sable et une couche de transition. Des traçages ont été effectués pour évaluer leur hydrodynamique. Les stratégies d'aération ont été testées dans le CSOA et la stratégie d'aération optimale a ensuite été testée sur les deux filtres pour comparaison, et les effets des charges organiques et hydrauliques variables ont également été évalués. Les paramètres globaux de qualité de l'eau et les micropolluants ont été mesurés à l'entrée et à la sortie, tandis que le potentiel redox et les concentrations en oxygène ont été surveillés en ligne. Quelques échantillons d'indicateurs fécaux (FI) ont été prélevés. Les résultats indiquent que l'aération a augmenté le temps de résidence et l'agitation dans les filtres. Dans des conditions fortement aérées, les polluants dissous, tels que la DCO dissoute et NH4-N, ont été efficacement éliminés. Cependant, l'observation de taux de nitrification plus élevés indique que la transformation du NH4-N en N03-N pendant l'alimentation dépendait fortement de l'accumulation d'azote lors des essais précédents. Enfin, les micropolluants, y compris certains produits chimiques industriels fréquemment présents dans l'influent, peuvent être éliminés dans le filtre. Cependant, l'aération n'a pas été un facteur clé pour l'élimination des micropolluants et des FI, contrairement à l'élimination des polluants dissous.

« Application de l'approche Multi-barrières pour la réutilisation des eaux usées traitées : Construction d'un outil de simulation participative pour accompagner l'évaluation et la gestion des risques associés aux microorganismes pathogènes »

Doctorante : Alice-Rose THOMAS

Laboratoire : INRAE

École doctorale : ED206 : Chimie de Lyon (Chimie, Procédés, Environnement)

Les risques sanitaires associés aux microorganismes pathogènes doivent être gérer afin d’assurer la protection de la santé publique lors de la réutilisation des eaux usées en particulier pour l’irrigation agricole. Des procédés de traitement avancés peuvent être mis en place pour atteindre les objectifs réglementaires de qualité. Cela nécessite des compétences techniques et génère des coûts économiques généralement importants. La mise en place de mesures « barrières » post- traitement est également envisagée par la réglementation pour assurer une gestion suffisante des risques même si la qualité requise n’est pas atteinte. Cette approche, encouragée par l’OMS, invite à considérer la contribution non-négligeable des équipements utilisés et des pratiques mises en place au-delà du traitement. Cela implique néanmoins une gestion plus systémique et donc multi- acteurs. Les choix de gestion auront donc des impacts sanitaires, économiques et organisationnels qui nécessitent une mise en discussion avec l’ensemble des acteurs concernés. Quelle que soit l’approche choisie, elle doit répondre à une évaluation des risques nécessitant un vaste ensemble de connaissances. Un état de l’art a tout d’abord permis de constituer une base de données comprenant un modèle d’évaluation quantitative des risques (QMRA) et des informations sur les mesures de gestion envisageables et les impacts associés. Ces éléments ont été rassemblés dans un outil de simulation participative qui permet de créer, tester et simuler collectivement des scénarios de gestion des risques. Il a été co-construit avec des acteurs du cas de Clermont- Ferrand. Cet outil a été utilisé sur trois cas concrets qui ont confirmé que la perception des risques et de leur gestion était hétérogène et qu’une mise en discussion collective était nécessaire pour partager les représentations individuelles et encourager la compréhension mutuelle. La mise en discussion des conséquences associées aux différents choix est également essentielle pour construire un choix final qui soit partagé par l’ensemble.

Incinération de déchets dangereux : vers une économie circulaire. Cas particulier de la valorisation du soufre

Doctorant : Rodolphe VAUTHERIN

Laboratoire INSA : DEEP

École doctorale : ED206 : Chimie de Lyon (Chimie, Procédés, Environnement)

Les déchets liquides contenant du soufre organique sont des déchets dangereux qui nécessitent une élimination par incinération. L’entreprise SUEZ IWS, via son unité de Roussillon, traite une grande quantité de ces déchets, générant du SO2 dans les fumées d’incinération. Actuellement, ce SO2 est simplement traité sur le site. Cette thèse vise évaluer l’intégration d’un nouveau procédé de désulfuration pour valoriser le SO2 sous forme d’une solution de bisulfite de sodium concentrée, tout en épurant la grande majorité du SO2 contenu dans les fumées. Une étude à échelle laboratoire a été menée sur un gaz synthétique pour examiner la réaction entre le dioxyde de soufre et le sulfite de sodium. L’influence de la concentration en Na2SO3, de la température et du taux de SO2, a été étudié, avec un focus concernant l’effet du pH sur le rendement d’absorption. Les performances du procédé ont ainsi été évalué en milieu acide et basique. Un pilote industriel a ensuite été installé sur le site de Roussillon pour tester le procédé en conditions réelles. Bien que des rendements d’absorption élevés aient été observés, les concentrations en bisulfite de sodium obtenues n’ont pas été suffisantes pour une commercialisation de la solution. De plus, certaines espèces secondaires indésirables ont été détectées dans les solutions. Des pistes d’améliorations ont été identifiées pour augmenter les concentrations en bisulfite et améliorer la qualité des solutions. La modélisation a finalement été utilisée pour analyser le procédé et mettre en évidence les paramètres clés pour optimiser les rendements d’absorption à pH acide, étude qui n’a pas pu être réalisé à échelle pilote. Cette partie a révélé la nécessité d’ajouter une étape supplémentaire au procédé initial pour obtenir une solution de bisulfite de sodium plus concentrée. Globalement, cette thèse présente des résultats prometteurs pour la mise en œuvre industrielle de ce procédé.

Optimization of hybrid aerated vertical/horizontal flow treatment wetland

Doctorante : Caroline MIYAZAKI

Laboratoire INSA : INRAE

École doctorale : ED206 Chimie de Lyon (Chimie, Procédés, Environnement)
 

The combination of stricter local regulations and the need for higher capacity plants has prompted companies in the wetland treatment sector to prioritize research and development initiatives aimed at enhancing total nitrogen (TN) removal and minimizing system footprints. In response to these challenges, it was created the Rhizosph'air system to be resilient, compact, and robust, with a capacity to serve communities of 2,000 to 10,000 PE. This thesis contributes to the optimization of total nitrogen (TN) removal while addressing operational challenges related to environmental protection and wastewater reuse. Chapter 2 provides an overview of key topics related to the Rhizosph'air system, including nature-based solutions (NbS) and aerated treatment wetlands (TW). It identifies key research areas for improvement, including oxygen transfer and nitrogen dynamics, to enhance TN removal. Chapter 3 is dedicated to the analysis of the impact of aeration strategies on system hydrodynamics. To this purpose, tracer tests have been employed to assess both internal and outlet responses. Hydraulic parameters and modeling provided valuable insights into the system's behavior. Chapter 4 examines a range of experimental conditions, demonstrating that inflow-based aeration strategies promote equilibrium between aerobic and anoxic environments, thereby optimizing TN removal. Furthermore, the strategy suggests using the primary filter for generating nitrates during aeration and allowing denitrifying bacteria to consume them during non-aeration periods and batch-hour. The utilization of organic carbon from raw wastewater is also a key aspect of this strategy. Finally, Chapter 5 examines the proposed aeration strategy, its limitations, and the resilience of the hybrid system. It also assesses the applicability of the N-k-C* model and investigates the potential for real-time aeration control using online sensors, including bending points and model predictions. This research advances the understanding of aeration processes and TN removal, offering innovative strategies for improving wetland treatment performance in small communities

Biofloculation dans les procédés à boues activées : rôle des substances polymériques extracellulaires

Doctorante : Zoé FAU

Laboratoire INSA : REVERSAAL

École doctorale : ED206 : Chimie de Lyon (Chimie, Procédés, Environnement)

Les procédés à boues activées sont couramment employés pour traiter les eaux usées domestiques. La mise en œuvre de procédés forte charge ou densifiés peut permettre de diminuer leur demande énergétique et valoriser les polluants de l’eau usée mais nécessite une meilleure compréhension des mécanismes, notamment la biofloculation, qui gouvernent la capture de la matière organique. Le rôle dans ces mécanismes des Substances Polymériques Extracellulaires (EPS) secrétées par les bactéries, est de plus en plus étudié mais les conclusions sont divergentes. Ce travail de thèse a pour objectif d’améliorer la compréhension du rôle des EPS dans le mécanisme de biofloculation dans les procédés à boues activées. Un état de l’art a tout d’abord mis en évidence l’absence de consensus et les verrous, notamment méthodologiques, qui limitent la compréhension du rôle des EPS dans les procédés à boues activées. Des mesures expérimentales sur des boues de station d’épuration ont ensuite permis de 1) sélectionner et adapter les méthodes de caractérisation des EPS appropriées aux boues floculées et 2) proposer une amélioration d’une méthode innovante de caractérisation de la capacité de biofloculation d’une boue (détermination du seuil de floculation - Threshold Of Flocculation, TOF). Ces méthodes, combinées à des méthodes conventionnelles, ont été appliquées sur une trentaine d’échantillons de boues de plusieurs types de procédés (conventionnels, forte charge et densifiés) à l’échelle pilote et à pleine échelle. Cette démarche a révélé qu’une boue présentant de faibles capacités de biofloculation et des flocs peu développés, contient cinq fois plus d’EPS faiblement liées avec une teneur faible en biopolymères (<30 %), qu’une boue avec de bonnes capacités de biofloculation. Ces résultats démontrent qu’améliorer les capacités de biofloculation en contrôlant les EPS (concentration, composition) pourrait accroître la capture de la matière organique et donc le potentiel de valorisation énergétique.
 

5-Hydroxymethylfurfural (HMF) en chimie fine: reactions multicomposantes vers les 1,5-benzodiazepines et les 1,4- dihydropyridines

Doctorante : Jingjing JIANG

Laboratoire INSA : ICBMS

Ecole doctorale :  ED206 : Chimie de Lyon

Parmi les molécules de la plateforme furannique renouvelable biosourcée, le 5- hydroxyméthylfurfural a retenu notre attention en raison de sa riche réactivité chimique et de sa facile disponibilité à partir des sucres. Dans cette thèse, je me suis concentrée sur l'utilisation de molécules de plateforme furaniques issues de la biomasse, en particulier le 5-HMF, pour construire des hétérocycles azotés, par le biais de réactions à plusieurs composants qui présentent une économie d’atome avantageuse.

Une première approche a été l’application d’une cycloaddition multicomposante [4+2+1] dans la construction des 1,5-benzodiazépines cycliques. Utilisant de nouvelles conditions réactionnelles, cette réaction économe en atome combine le 5-HMF (ou ses dérivés) avec des o- phénylènediamines et des alcynones en présence d’acétate d'ammonium. L’application de ce protocole à un large éventail de substrats a conduit à une bibliothèque de benzodiazépines diversement substituées qui sont désormais disponibles pour être intégrées dans la chimiothèque de l'ICBMS pour de futures évaluations biologiques et biochimiques.

La deuxième aprtie de cette these a concerné l’utilisation du 5-HMF dans la synthèse de des dihydropyridine de Hantzsch. NH4OAc à la fois comme source d'azote et comme promoteur doux. Tout d'abord, des 1,4-dihydropyridines symétriques ont été préparées par réaction de 5-HMF, de deux molécules de β-cétoesters/β-dicétones et d'acétate d'ammonium dans des conditions sans solvant avec d'excellents rendements. Par la suite, nous avons étudié une version à quatre composants visant la formation sélective d’1,4-dihydropyridines dissymétriques, en remplaçant les 2 équivalents de β-cétoester par 1 équivalent de β-cétoester et un équivalent de 5,5-diméthyl-1,3- cyclohexanedione. Ce processus s’est révélé efficace soit sans solvant soit dans l’éthanol. Ainsi, l’application de cette reaction à divers substrat a conduit à une series de nouvelles 1,4- dihydropyridines symétriques ou dissymétriques comportant une entité furyl comme substituant qui seront intégrées dans des évaluations biologiques et biochimiques dans le cadre des projets développés par la chimiothèque de l’ICBMS.

Modifications chimiques de polysaccharides en milieu aqueux pour générer de nouveaux matériaux biosourcés fonctionnels

Doctorant : Laurent REMY

Laboratoire INSA : IMP

Ecole doctorale : ED34 Matériaux de Lyon

La modification chimique de polysaccharides, par des procédés conjuguant efficacité et durabilité, est une stratégie de choix pour valoriser la biomasse. A ce titre, les réactions multicomposant (RMC) sont des voies de fonctionnalisation très attrayantes permettant de lier chimiquement plusieurs précurseurs en conditions monotopes, sans catalyseurs ni agents de couplage. Nous nous sommes intéressés à la carboxyméthylcellulose (CMC), dérivé éther de la cellulose, diffusé à grande échelle, et soluble dans l'eau de par la présence de fonctions acide carboxylique qui facilitent également sa modification chimique, en particulier par les RMC utilisées dans le cadre de ce travail de thèse. Deux RMC ont été exploitées et appliquées à la CMC : la réaction d’Ugi à quatre composants (U-4CR) et celle de Passerini à trois composants (P-3CR) toutes deux réalisées dans l’eau et sous des conditions douces. Notamment, par la réaction de Passerini nous avons généré : i) une nouvelle famille de dérivés fonctionnels et/ou réactifs, à base de CMC doublement modifié par des cétones de structure variée (cétones non substituées, pyruvate, acétoacétate, lévulinate, diacétone acrylamide) et par un isonitrile aliphatique, ainsi que ii) des matériaux hybrides à base de CMC, à savoir des hydrogels chimiques et physiques. Des hydrogels réticulés chimiquement thermosensibles ont été obtenus par un processus de « grafting through » en conditions radicalaires, entre un macromonomère de CMC modifié par Passerini avec une cétone fonctionnalisée méthacrylate et des comonomères à base de méthacrylate d’éthylène glycol. Les hydrogels physiques, présentant également un comportement thermosensible, ont été générés à partir de copolymères greffés de CMC porteurs à la fois de segments de PEG- co-PPG (Jeffamine) à LCST et d’aldéhydes aliphatiques. La réponse en température de ces systèmes a été étudiée de façon approfondie et l’impact de paramètres externes et structuraux a été élucidé par DSC, rhéologie, et par des expériences de SAXS. Nous avons notamment mis en évidence tout le bénéfice apporté par la double fonctionnalisation Passerini.

Valorisation de la fraction fine des Mâchefers d'Incinération des Déchets non-Dangereux dans des matériaux cimentaires aérés

Doctorante : Manon BROSSAT

Laboratoire INSA : DEEP

Ecole doctorale : ED 206 : Chimie de Lyon

La fraction fine des MIDND (particules mesurant moins de 2 mm) représente 30 à 40 % de la masse des MIDND. Elle est rarement valorisée, notamment à cause des teneurs élevées en éléments traces métalliques qu’elle contient. Sa composition chimique et sa granulométrie en font néanmoins une candidate intéressante pour être utilisée comme matière première secondaire dans des matériaux cimentaires. De plus, la présence d’aluminium métallique dans les MIDND pourrait permettre son utilisation en tant qu’agent porogène pour la production de matériaux aérés. Cette thèse porte dans un premier temps sur la caractérisation physico-chimique de la fraction fine des MIDND en vue de son utilisation comme agent porogène, et vise notamment à évaluer la quantité et la réactivité de l’aluminium métallique. La démarche expérimentale de formulation des matériaux cimentaires est divisée en trois étapes. Les paramètres influençant les propriétés d’intérêt ont tout d’abord été identifiés au cours d’une étude sur pâte de ciment. L’optimisation de ces paramètres de formulation est réalisée sur mortier et est accompagnée de caractérisations physiques, microstructurales et environnementales. Les formulations jugées optimales ont alors été mises en œuvre sur bétons afin de vérifier la validité de la démarche expérimentale. Les résultats montrent que cette démarche permet de produire effectivement des mortiers et des bétons de MIDND avec des masses volumiques, résistances à la compression et conductivité thermique comparables à celles des matériaux aérés de référence. Les pores des matériaux avec MIDND diffèrent de ceux des matériaux aérés de référence par leur plus petite taille et par leur forme irrégulière. Les tests de lixiviation à l’échelle des bétons et de mortiers ont démontrés de faible relargage en polluants, compatibles, pour la grande majorité des matériaux, avec les seuils environnementaux définis par l’Arrêté du 18 novembre 2011 et le Soil Quality Decree.

Conférenciers : Julie Figueras - Laboratoire DEEP et Pierre Buffière, directeur du laboratoire DEEP

La thèse en génie des procédés de Julie Figueras : l’objectif de la thèse était d’optimiser le procédé de bio-méthanation d’Enosis ayant comme matière première le syngas, majoritairement composé de CO et de H2, obtenu par pyro-gazéification et l’enjeu a été de développer une communauté microbienne ayant la capacité de convertir le syngas en méthane dans des conditions intensives. Les travaux ont permis de répondre à cette problématique grâce à la spécialisation, sur un réacteur en pression, d’une communauté microbienne qui a montré d’excellentes performances dans la production de méthane ainsi qu’une forte tolérance au CO.

Fonctionnalisation d'alcools hétérocycliques saturés par la méthodologie d'auto-transfert d'hydrogène

Doctorant : Jordan FRANCOIS

Laboratoire INSA : ICBMS - COB
Ecole doctorale : ED206 : Chimie de Lyon

Bien que les alcools soient très répandus et accessibles, leur utilisation dans les réactions de substitution classiques pour la formation de nouvelles liaisons C-C ou C-N requiert généralement une activation stœchiométrique (oxydation ou conversion en halogénoalcane). Aussi, au cours des dernières décennies, la méthodologie d’Auto-Transfert d'Hydrogène (ATH) a émergé comme une alternative intéressante et plus respectueuse de l'environnement. Cette transformation permet la fonctionnalisation directe d’alcools avec divers nucléophiles (amines, α-méthylcétones, phosphonates,..). Cette réaction catalytique implique un métal (Ir, Ru, Fe,..) effectuant une oxydation de l'alcool, en empruntant temporairement ses hydrogènes. Un nucléophile activé effectue ensuite une condensation avec un aldéhyde ou une cétone (résultant de l’oxydation), libérant une molécule d'eau. Enfin, le produit insaturé est réduit, régénérant le catalyseur et formant une nouvelle liaison C-C ou C-N.
Notre groupe de recherche, axé sur la fonctionnalisation d’alcools biosourcés, a utilisé la méthodologie ATH pour l’amination de polyols. C’est notamment le cas de l'isosorbide, un diol biosourcé chiral obtenu par double déshydratation du sorbitol (dérivé de la cellulose), largement utilisé dans diverses applications dans le domaine pharmaceutique et des polymères entre autres. Encouragés par les résultats obtenus lors de l'amination de l’isosorbide par ATH, nous avons cherché à effectuer l’élongation C-C de ce diol en utilisant la pentaméthylacétophénone (Ph*C(O)Me) comme nucléophile en présence d’un complexe d’iridium.
La réactivité modérée et l’excellente diastéréosélectivité observées nous ont poussé à simplifier le motif isosorbide en étendant notre méthodologie à d’autres alcools hétérocycliques saturés. Les facteurs et groupements fonctionnels exerçant une influence sur la réactivité et la diastéréosélectivité observées ont été en partie élucidés à partir de calculs (DFT) dans le cadre d'une collaboration avec l'équipe ITEMM (ICBMS, Lyon). Enfin, nous avons exploité le motif Ph* (C6Me5) afin de post-fonctionnaliser les cétones obtenues par ATH en acides, esters et amides via une réaction de rétro Friedel-Crafts.