Ce projet serait sous la direction de : M. Hervé GALLARD et Mme Florence BERNE
Unité de recherche : IC2MP – Equipe E-Bicom
Ecole doctorale : Rosalind Franklin – énergie, environnement, bio santé
Intitulé du sujet :
Réactivité des matières organiques naturelles vis-à-vis de la monochloramine dans le contexte du changement climatique : vers des modèles prédictifs de la formation de sous-produits de désinfection
Reactivity of natural organic matter toward monochloramine in the context of climate change: toward predictive models for the formation of disinfection byproducts
Mots clés : Monochloramine – Sous-produits de désinfection – Matières organiques naturelles – Changement climatique – Modélisation
Début de thèse : à partir du 01/10/2026
Résumé :
Le projet de thèse s’intéresse à l’impact du changement climatique sur la qualité de l’eau, en se concentrant sur les modifications affectant la formation des sous-produits de désinfection (SPDs). Le changement climatique, combiné aux activités humaines, est susceptible d’intensifier l’eutrophisation, dégrader la qualité de l’eau et augmenter la production de matière organique naturelle (MON). La dégradation de la qualité de l’eau affecte les procédés de traitement de l’eau, en particulier la désinfection, qui est une étape essentielle à la fois pour la production d’eau potable et les applications industrielles comme les circuits de refroidissement. Les sous-produits de désinfection résultent de la désinfection chimique, et leur formation et leur diversité peuvent augmenter à mesure que la qualité de l’eau se détériore. Dans ce contexte, le projet de thèse vise à étudier en laboratoire la réactivité de la monochloramine (NH2Cl) avec des matières organiques naturelles d’eaux de surface. Il s’agira de faire le lien entre la formation de sous-produits et les propriétés structurales des matières organiques naturelles afin de développer des modèles de prédiction.
This thesis project examines the impact of climate change on water quality, focusing on changes affecting the formation of disinfection byproducts (DBPs). Climate change, combined with human activities, is likely to intensify eutrophication, degrade water quality, and increase the production of natural organic matter (NOM). Deteriorating water quality affects water treatment processes, particularly disinfection, which is an essential step for both drinking water production and industrial applications such as cooling systems. Disinfection byproducts result from chemical disinfection, and their formation and diversity may increase as water quality deteriorates. In this context, the thesis project aims to study in the laboratory the reactivity of monochloramine (NH2Cl) with natural organic matter from surface water. The goal is to establish a link between the formation of disinfection byproducts and the structural properties of natural organic matter in order to develop predictive models.
Contexte et problématique :
Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR Biocide-Watch, coordonné par EDF R&D, et réalisé en partenariat avec le Laboratoire de Chimie Moléculaire (LCM) de l’École Polytechnique. Dans les circuits de refroidissement industriels, la monochloramine (NH₂Cl) est largement utilisée comme biocide pour limiter le développement de microorganismes pathogènes. Toutefois, ce composé réagit également avec les matières organiques naturelles présentes dans les eaux de surface, conduisant à la formation de nombreux sous-produits de désinfection. Certains de ces composés peuvent présenter une toxicité pour les organismes aquatiques ou pour l’homme.
En raison de la complexité chimique des matières organiques naturelles, les mécanismes réactionnels impliqués restent encore mal compris et une grande partie des sous-produits formés n’a pas encore été identifiée.
Par ailleurs, les effets du changement climatique devraient modifier à la fois la quantité et la composition chimique des matières organiques naturelles présentes dans les milieux aquatiques. En Europe, la fréquence accrue des phénomènes météorologiques extrêmes (vagues de chaleur, épisodes de sécheresse ou précipitations intenses) influence fortement les cycles biogéochimiques. La diminution des débits des cours d’eau réduit notamment la dilution des nutriments, tandis que l’augmentation des températures favorise les processus biologiques conduisant à la production de matière organique. Le changement climatique peut également modifier les flux de matière organique issus des sols par érosion et lixiviation.
À l’heure actuelle, aucun modèle prédictif robuste ne permet d’anticiper l’évolution des matières organiques naturelles dans les cours d’eau ni leur impact sur la réactivité de biocides tels que la monochloramine.
This thesis is part of the ANR Biocide-Watch project, coordinated by EDF R&D and carried out in partnership with the Laboratory of Molecular Chemistry (LCM) at École Polytechnique. In industrial cooling systems, monochloramine (NH₂Cl) is widely used as a biocide to limit the growth of pathogenic microorganisms. However, this compound also reacts with natural organic matter present in surface water, leading to the formation of numerous disinfection byproducts. Some of these compounds may be toxic to aquatic organisms or humans.
Due to the chemical complexity of natural organic matter, the reaction mechanisms involved remain poorly understood, and a large portion of the byproducts formed has not yet been identified.
Furthermore, the effects of climate change are expected to alter both the quantity and chemical composition of natural organic matter in aquatic environments. In Europe, the increased frequency of extreme weather events (heat waves, droughts, or heavy rainfall) has a significant impact on biogeochemical cycles. Decreased river flows reduce nutrient dilution, while rising temperatures promote biological processes that lead to the production of organic matter. Climate change may also alter the fluxes of organic matter from soils through erosion and leaching.
Currently, there are no robust predictive models capable of forecasting changes in natural organic matter in rivers or their impact on the reactivity of biocides such as monochloramine
Description du sujet :
L’objectif principal de la thèse est de mieux comprendre et prédire la réactivité de la monochloramine avec les matières organiques naturelles, ainsi que la formation des sous-produits de désinfection associés, dans un contexte de changement climatique.
Pour cela, le travail consistera à :
• caractériser les propriétés structurales des matières organiques naturelles présentes dans différents types d’eaux de surface ;
• étudier expérimentalement la réactivité de ces matières organiques avec la monochloramine dans différentes conditions environnementales ;
• établir des relations entre les propriétés des matières organiques et la formation de sous-produits de désinfection ;
• développer des modèles prédictifs permettant de simuler l’évolution de ces processus selon différents scénarios climatiques.
Les expériences seront réalisées à l’échelle du laboratoire sur une large gamme d’échantillons d’eaux et de matières organiques naturelles, en reproduisant différentes conditions représentatives des circuits de refroidissement industriels (pH, température, temps de réaction, composition ionique). Les données seront ensuite utilisées pour développer des modèles prédictifs
The main objective of this thesis is to better understand and predict the reactivity of monochloramine with natural organic matter, as well as the formation of associated disinfection byproducts, in the context of climate change.
To this end, the work will consist of:
• characterizing the structural properties of natural organic matter present in different types of surface water ;
• experimentally studying the reactivity of these organic materials with monochloramine under various environmental conditions ;
• establishing relationships between the properties of organic materials and the formation of disinfection byproducts ;
• developing predictive models to simulate the evolution of these processes under different climate scenarios.
The experiments will be conducted on a laboratory scale using a wide range of water samples and natural organic matter, replicating various conditions representative of industrial cooling systems (pH, temperature, reaction time, ionic composition). The data will be used to develop predictive models.
Méthodologie et mise en œuvre :
Ce projet de thèse sera structuré en trois grandes parties.
1. Caractérisation de la matière organique naturelle.
Dans un premier temps, les travaux porteront sur la caractérisation des matières organiques naturelles provenant d’échantillons d’eau collectés dans trois fleuves en France. Des analyses complémentaires seront réalisées sur des extraits de matières organiques disponibles à l’IC2MP ainsi que sur des eaux de surface soumises à des expérimentations de simulation climatique.
Plusieurs techniques analytiques seront mobilisées pour caractériser ces matrices complexes :
• spectroscopie UV-Visible et mesures du carbone organique dissous (COD) pour évaluer l’aromaticité des matières organiques ;
• chromatographie d’exclusion de taille (SEC) pour analyser la distribution en masse molaire et l’hétérogénéité des composés ;
• spectroscopie de fluorescence couplée à une analyse PARAFAC afin d’identifier les principaux fluorophores ;
2. Expériences de chloramination en laboratoire
Dans un second temps, des expériences de chloramination seront conduites au laboratoire à partir des échantillons d’eau préalablement caractérisés. Les essais seront réalisés dans un réacteur discontinu thermostaté et fermé, en utilisant une solution de monochloramine préformée. L’influence de différents paramètres sera étudiée :
• pH
• température
• concentrations en ammonium et en bromure
• concentration en matière organique
L’évolution des concentrations d’oxydants résiduels et de sous-produits sera suivie sur une période de 24 heures.
La monochloramine sera analysée par analyse spectrophotométrique (méthode DPD) et analyse en continu par MIMS (Membrane Introduction Mass Spectrometry). Les principaux sous-produits de désinfection seront quantifiés par différentes méthodes analytiques :
• trihalométhanes (THM) par GC-MS en espace de tête ;
• haloacétonitriles par GC-ECD après extraction liquide-liquide (méthode EPA 551.1) ;
• acides haloacétiques (HAA) par GC-ECD après extraction et dérivation (méthode EPA 552.3) ;
• halophénols par extraction en phase solide et analyse GC-ECD ;
• AOX avec spéciation des composés organiques iodés, bromés et chlorés.
3.Modélisation prédictive
Les données historiques et expérimentales seront utilisées pour développer des algorithmes de prévision basés sur des modèles d’apprentissage automatique (ML). Des algorithmes seront également développés pour modéliser la formation des SPD, en tenant compte des données sur la qualité de l’eau (par exemple, pH, UV254, COD…) et des conditions de désinfection (par exemple, concentration en biocides, temps de réaction, température). Ces modèles permettront de simuler des scénarios climatiques futurs affectant la composition de la matière organique naturelle, fournissant ainsi de nouvelles informations pour anticiper les changements de qualité de l’eau et optimiser les stratégies de désinfection.
The work will be structured around three main components.
1. Characterization of natural organic matter
Natural organic matter from three French rivers will be characterized using complementary analytical techniques :
• UV–visible spectroscopy and dissolved organic carbon measurements
• size exclusion chromatography (SEC)
• fluorescence spectroscopy coupled with PARAFAC analysis
Additional samples will include NOM extracts and waters subjected to climate simulation experiments.
2. Laboratory chloramination experiments
Controlled chloramination experiments will be performed in thermostated batch reactors using preformed monochloramine solutions.
The influence of several parameters will be investigated :
• pH
• temperature
• ammonium concentration
• bromide concentration
• organic matter concentration
Monochloramine decay will be monitored continuously using Membrane Introduction Mass Spectrometry (MIMS).
Several families of disinfection by-products will be quantified :
• Trihalomethanes (THMs) – GC-MS headspace
• Haloacetonitriles – GC-ECD (EPA 551.1)
• Haloacetic acids (HAAs) – GC-ECD after derivatization (EPA 552.3)
• Halophenols – SPE + GC-ECD
• AOX (adsorbable organic halogens) with halogen speciation
3. Predictive modelling
Historical and Experimental data will be used to develop forecasting algorithms based on Machine Learning (ML) models. Algorithms will be also developed to model the formation of the DBPs, considering water quality data (e.g., pH, UV254, DOC…) and disinfection conditions (e.g., biocide concentration, reaction time, temperature). These models will allow simulation of future climate-related scenarios affecting natural organic matter composition, providing new insights for anticipating water quality changes and optimizing disinfection strategies
Profil recherché :
Le ou la candidat(e) devra être titulaire d’un diplôme de niveau Bac+5 (Master 2, école d’ingénieur ou équivalent) dans les domaines de la chimie analytique, de la chimie de l’environnement ou du traitement des eaux.
Une expérience en techniques analytiques, en chimie de l’eau ou en traitement des eaux sera particulièrement appréciée.
Le/la candidat(e) devra faire preuve de :
• rigueur scientifique et autonomie,
• intérêt marqué pour le travail expérimental en laboratoire,
• bonnes capacités d’analyse et rédactionnelle.
Un intérêt pour l’analyse avancée des données et la modélisation constituera un atout.
Applicants should hold a Master’s degree (or equivalent, 5 years of higher education) in :
• environmental chemistry
• analytical chemistry
• water science or water treatment
• environmental engineering
Strong interest in laboratory experimentation and analytical techniques is essential.
The ideal candidate will demonstrate:
• strong scientific rigor and motivation
• ability to work both independently and collaboratively
• interest in environmental chemistry and water quality issues
Experience with advanced analytical techniques, data processing or modelling will be considered an advantage.
Contact pour plus d’informations et pour candidater jusqu’au 15/05/26 :
Hervé GALLARD : herve.gallard@univ-poitiers.fr