Ce projet serait sous la direction de : MMs Nicolas FATIN-ROUGE et Bertrand GOMBERT
Unité de recherche : IC2MP – équipe E-Bicom
Ecole doctorale : Rosalind Franklin – énergie, environnement, bio santé
Intitulé du sujet :
FPMONIT – Suivi analytique et optimisation de fonctionnement de filtres plantés de roseaux en traitement d’eaux résiduaires urbaines
FPMONIT – Analytical monitoring and optimization of reed bed filters in urban wastewater treatment
Début de thèse : à partir du 01/11/2025
Mots clés : Epuration, eaux résiduaires urbaines, traitements à filtres plantés, caractérisation et mesures, analyse, émissions polluantes, fonctionnement, performance et optimisation, perméabilité lits filtrants, oxygénation, modélisation, IA
Résumé :
La reconquête de la qualité de l’environnement dans une stratégie de sobriété est cruciale face aux impacts d’une activité humaine en forte croissance. Les réglementations sur les émissions polluantes se renforcent, obligeant à mieux épurer les eaux résiduaires (ER) avant rejet dans le milieu environnemental, et à démontrer le bon fonctionnement du traitement au cours du temps. En zone rurale Française, où vit un tiers de la population, les stations d’épuration (STEP) nécessitent des solutions techniques rustiques. Les STEP à boues activées y sont supplantées, notamment par des filtres plantés (FP), plus robustes et autonomes.
Toutefois, leur développement depuis les années 1960 reste très empirique et leur fonctionnement mal maîtrisé. De nombreuses questions se posent sur leur exploitation, leur conception et leur optimisation vis à vis des performances, de leur stabilité, du contrôle des émissions polluantes ; alors que des enjeux cruciaux tels que leur adaptabilité face à un durcissement de la réglementation sur les émissions, leur utilisation dans le contexte de la réutilisation des eaux usées traitées, leur adaptation à la ville du futur sont des perspectives à court terme.
Le travail proposé consiste :
d’une part, à monitorer un parc de FP aux conditions de fonctionnement et de gestion variées par un suivi biophysicochimique, afin de :
– mieux caractériser les populations et dynamiques microbiennes et leur corrélation avec l’état des lits filtrants. Pour cela une nouvelle technologie de respirométrie in situ sera élaborée du laboratoire au terrain et combinée avec d’autres mesures aux échelles locales, et d’imagerie 3D par tomographie à l’échelle globale des FP.
– corréler les caractéristiques entrée-sortie (émissions liquides et gazeuses) en prenant en compte les conditions d’exploitation,
– déterminer les paramètres majeurs régissant ces systèmes épuratoires par le biais de l’analyse de données par intelligence artificielle, pour prédire les performances et aider à prévenir dérives et dysfonctionnements,
– produire un modèle numérique prédictif paramétré, facile à mettre en oeuvre, qui intègre l’ensemble des aspects hydraulique et biophysicochimiques.
d’autre part, à explorer les systèmes d’aération passifs et la matrice du lit filtrant pour améliorer les performances épuratoires et hydraulique en minimisant l’empreinte environnementale globale.
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Reclaiming environmental quality as part of a strategy of sobriety is crucial facing the impacts of fast-growing human activity. Regulations on pollutant emissions are being tightened before treated wastewater is discharged into the environment,and demonstration the effectiveness of treatment over time is required. In rural France, where a third of the population lives population, wastewater treatment plants (WWTPs) require rustic technical solutions. Activated sludges are being superseded, in particular by planted filters (PF), which are more robust and autonomous. However, their development since the 1960s remains highly empirical and their operation poorly mastered. Many questions arise concerning their operation, design and optimization performance, stability and pollutant emission control; while crucial issues such as adaptability to tightening of emissions regulations, their use in the context of treated wastewater reuse, and their adaptation to the city of the future are short-term prospects.
The proposed work consists of :
on the one hand, to monitor a fleet of FPs under various operating and management conditions by means of biophysico-chemical parameters in order to :
– better characterize microbial populations and dynamics and their correlation with the state of the conditions. To achieve this, a new in situ respirometry technology will be developed from the laboratory to the field and combined with other measurements at local scales, and 3D tomographic imaging at the global scale.
– correlate input-output characteristics (liquid and gaseous emissions), taking into account the operating conditions,
– determine the major parameters governing these purification systems using data analysis by artificial intelligence, to predict performance and help prevent drifts and malfunctions,
– produce a parameterized, easy-to-implement predictive numerical model that integrates all hydraulic and biophysical-chemical aspects.
On the other hand, to explore passive aeration systems and the filter bed matrix to improve purification and hydraulic performance while minimizing the overall environmental footprint.
Contexte et problématique :
Sobriété énergétique, qualité et abondance des ressources, stabilité des conditions climatiques, obligent à bâtir de nouvelles stratégies de vie communautaire. L’épuration de nos émissions est une nécessité encadrée par des lois et arrêtés pour préserver la viabilité de nos ressources, malgré l’augmentation de la pression anthropique et les effets délétères d’un réchauffement climatique non maîtrisé et chaotique. Par ailleurs, les milieux aquatiques de surface constituent une véritable richesse, en abritant environ 6% des espèces vivantes décrites. Cependant, les écosystèmes aquatiques et leur biodiversité sont menacés par l’altération du régime hydrique et l’impact d’activités humaines, comme l’asphyxie des milieux aquatiques à travers la qualité des rejets d’eaux résiduaires urbaines (ERU). La communauté humaine du futur doit être sobre, décarbonée et fonctionner autant que possible en mimant des modèles naturels qui ont fait leurs preuves à travers les âges.
Les STEP à boues activées, largement utilisées depuis plus d’un siècle, sont extrêmement gourmandes en énergie, conduisant à gérer les boues par méthanisation pour essayer de compenser la forte demande énergétique, mais au prix de moyens financiers, techniques et humains très importants. Dans ce contexte, les filtres plantés de roseaux (FPR) se sont imposés comme une solution écologique robuste, performante, sobre en énergie pour le traitement des ERU à petite échelle (< 3000 habitants). Cette technique est inspirée du fonctionnement des zones humides naturelles souvent utilisées depuis des siècles pour absorber nos rejets. Le FPR à écoulement vertical est largement utilisé en France, sélectionné pour sa compacité, sa robustesse et sa résistance aux à-coups hydrauliques, visant en particulier l’élimination de MES, DBO5 et azote ammoniacal.
Malgré un développement essentiellement empirique et expérimental, les FPR suscitent toujours énormément d’intérêt. Les besoins sont technologiques, prédictifs, conceptuels, opérationnels.
FPMONIT a pour objectif d’améliorer quantitativement les connaissances sur le fonctionnement des FPR à écoulement vertical majoritairement utilisés en France, afin d’apporter :
– des nouvelles données caractérisant le fonctionnement du lit filtrant et de sa biomasse épuratrice, l’utilisation des accepteurs d’électrons, les émissions (liquides et gazeuses) et le colmatage des FPR à des fins d’optimisation,
– un retour d’expérience aux exploitants sur les volets performances/dysfonctionnements,
– un modèle de fonctionnement prédictif simple d’utilisation combinant hydraulique et bioréaction basé sur une analyse de données par intelligence artificielle.
Description du sujet :
Un objectif essentiel du projet sera d’étudier comment intensifier/fiabiliser la STEP à FPRV de manière passive dans une approche de sobriété. Parmi les pistes :
– la méthode d’apport de l’ERU au FPR sera prise en compte, comme elle peut considérablement affecter l’oxygène disponible,
– la nature des végétaux (augmentation de la profondeur et de la structure racinaire) et l’épaisseur du lit filtrant.
En outre, FPMONIT se penchera sur la problématique de l’azote global en considérant des configurations qui favorisent conditions anoxiques, présence de donneurs d’électrons et densité de biomasse dénitrifiante.
– l’instrumentation et l’analyse de données des STEP à FPR; la caractérisation du colmatage d’un FPR.
Les buts sont d’aider les partenaires exploitants à travers un REX sur leurs installations, mais aussi pour mieux modéliser et donc optimiser/fiabiliser leurs performances. Le projet FPMONIT sera mené essentiellement à l’échelle réelle, sur un parc de 3 STEP sélectionnées pour fonctionner dans des conditions très différentes et représentatives de la variabilité rencontrée.
Méthodologie et mise en œuvre :
Dans le projet sera intégré :
– l’utilisation de la respirométrie microbienne à travers l’évolution de la concentration en oxygène et autres accepteurs d’électrons pour cartographier l’activité microbienne. Cela sera complété par, et corrélé avec d’autres paramètres biophysicochimiques.
– la caractérisation et quantification de l’activité synergique de la biomasse épuratrice et des roseaux.
– l’analyse des données par IA à l’aide de méthodes simples afin de dresser des modèles hydroréactifs et d’apporter une aide décision opérationnelle.
Profil recherché :
La personne recrutée sera motivée et fiable, disposant d’une formation niveau Master en chimie, chimie-physique ou chimie des procédés ou équivalent. En outre, elle disposera d’une excellente capacité de synthèse et de communication, saura rédiger correctement, aura une aptitude au travail en équipe et un goût pour le bricolage.
Contact pour plus d’informations et pour candidater jusqu’au 16/05/25 :