Application potential of 3D spectrofluorimetry for on-line dissoled organic matter characterisation : from the wastewater treatment plant to the receiving middle
Potentiel d’utilisation de la spectrofluorimétrie 3D pour la caractérisation en ligne de la matière organique dissoute : de la station d’épuration au milieu récepteur
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 Grésillons" 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
Les travaux effectués au cours de ce doctorat, en collaboration étroite avec la Direction du Développement et de la Prospective (DDP) du Syndicat Interdépartemental pour l’Assainissement de l’Agglomération Parisienne (SIAAP), s’inscrivent dans le cadre du programme de recherche MOCOPEE (Modélisation, Contrôle et Optimisation des Procédés d’Epuration des Eaux) et s’intéressent aux potentielles applications de la spectrofluorimétrie 3D pour caractériser les quantités et qualités de la matière organique dissoute (MOD) dans les eaux de station d’épuration des eaux usées (STEU) et dans les eaux du milieu naturel. La première partie de ce manuscrit est dédié aux applications de la spectrofluorescence 3D pour caractériser la MOD des eaux de STEU. Une méthodologie de traitement des spectres de fluorescence reposant sur l’utilisation d’un algorithme de déconvolution nommée PARAFAC, a été appliquée pour les eaux usées de la STEU « Seine Centre ». Un fractionnement par hydrophobicité ainsi qu’une étude de biodégradabilité ont permis d’apporter de nouvelles informations sur les propriétés des fluorophores de la MOD des eaux usées de STEU. Des relations entre des indicateurs de fluorescence et les mesures de demandes biologiques en Oxygène (DBO5) soluble ainsi qu’avec les mesures de demande chimiques en oxygène (DCO) soluble ont été mises en évidence pour les eaux usées d’entrée de 6 STEU (n=83) de la région parisienne (SIAAP). Ces modèles de prédiction pourront être utilisés pour optimiser la gestion des filières de traitements épuratoires des eaux usées (ex : ajouts de réactifs). Enfin, les fluorophores identifiés ont été utilisés pour suivre l’évolution de la MOD le long des filières épuratoires des STEU de « Seine Centre » et « Seine Grésillons ». La deuxième partie traite des potentiels d’applications de cette méthodologie dans les eaux du milieu naturel. Grâce au réseau de suivi MeSeine (Mesure en Seine), 373 prélèvements ont été réalisés par le SIAAP, lors d’un suivi hebdomadaire de Juillet 2015 à Juin 2016, dans le bassin versant de la Seine. Ce suivi intègre 12 points de prélèvements de l’amont vers l’aval de Paris et deux des principaux affluents de la Seine (Marne et Oise). De ce suivi, un modèle PARAFAC de 10 composantes a été mis en évidence. Des variations spatio-temporelles de qualité de MOD ont été observées entre les différents cours d’eau étudiés. L’impact de la pression urbaine (rejets de STEU) sur la qualité de la MOD entre l’amont et l’aval de l’agglomération parisienne a également pu être observé. Ainsi, une caractérisation physico-chimique rapide de la MOD et de ses sources en milieu aquatique urbain, peut être effectuée par spectrofluorescence 3D. La mise en place de ce type de suivi in situ apportera des informations rapides sur la qualité et quantité de MOD des milieux aquatiques naturels pour les gestionnaires de stations de potabilisations qui pourront connaitre la qualité de la MOD des eaux de prélèvements et anticiper la formation de sous-produits de désinfections. Les gestionnaires des milieux aquatiques pourront également anticiper la survenue d’épisodes de pollution des eaux de surface. Enfin, un modèle de prédiction de la concentration en carbone organique dissoute par spectrofluorescence 3D combiné à la spectrométrie d’absorbance a été mis en évidence. Les conclusions mises en évidence par ce travail contribueront à une meilleure compréhension de la MOD fluorescente des eaux usées de STEU (optimisation des filières de traitement biologique) et des milieux aquatiques. Ainsi, ce type de travail ne se limite pas à la communauté scientifique, mais s’étend aux gestionnaires et opérationnels du domaine de l’eau
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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