Thèse de Doctorat – Analyse environnementale d’une filière de traitement des eaux H/F

Type d’offre : Contrat doctoral
Localisation : Toulouse, Haute-Garonne
Recruteur : CRBE et LGC
École doctorale : SDU2E
Démarrage : dès que possible en 2026
Durée : 3 ans
Limite de candidature : 31/03/2026

Sujet de la thèse : Analyse environnementale d’une filière de traitement des eaux centrée sur des solutions fondées sur la nature pour la réutilisation de l’eau
Mots clés : réutilisation des eaux, filtres plantés, modélisation

Contexte et enjeux

Dans un contexte de raréfaction des ressources en eau et de pression croissante sur les écosystèmes aquatiques, la réutilisation des eaux apparaît comme une solution prometteuse pour répondre aux défis environnementaux et socio-économiques. Face aux effets du changement climatique et à l’augmentation des besoins en eaux, potable, industrielles, et pour l’irrigation, de nombreuses régions du monde explorent des stratégies alternatives pour optimiser la gestion de cette ressource vitale (Tsatsou et al. 2023, Maciejewski et al. 2024). Les équipes toulousaines du CRBE et du LGC ont initié des travaux de recherche autour des SFN (Solutions Fondées sur la Nature) depuis bientôt 4 ans dans le cadre du Défi Clef Water Occitanie .

En s’appuyant sur le GIS neOCampus , un démonstrateur de filtres plantés bioinspirés (FPB) : « filtrOCampus », a été construit et en septembre 2025, une première thèse a livré des premiers résultats prometteurs (Lacou et al. 2025 ; Lacou et al. 2024). Ce démonstrateur a été réalisé dans un objectif de réutilisation des eaux usées traitées sur le campus de l’Université de Toulouse avec un faible impact environnemental. Divers acteurs de l’eau sur le campus sont en réflexion sur les possibilités et l’acceptabilité d’usage des eaux non conventionnelles pour l’arrosage des espaces verts du campus.

A l’issue des premiers travaux, il s’avère que l’usage des eaux issues de « filtrOCampus » pour l’arrosage nécessite l’ajout d’un traitement complémentaire (tertiaire ou quaternaire) pour répondre aux exigences sanitaires et règlementaires. Pour vérifier les co-bénéfices d’une telle association de procédés, notamment du point de vue environnemental (Castellar et al. 2022), il est nécessaire d’évaluer les impacts des émissions de GES, de la consommation d’énergies, selon la qualité de l’eau produite par la chaine complète de traitement. Ces mesures visent à guider des améliorations potentielles de conception et fonctionnement de la chaine de traitement afin d’en minimiser l’impact à des fins de réutilisation de l’eau.

Dans sa thèse et sa 1ier publication, Kanan (et al. 2025) démontre une augmentation importante des émissions de N2O sous l’influence des inondations dans des zones ripariennes. Sur ce même principe, une modulation des fréquences de bâchées dans les FPB pourrait limiter ces émissions de GES. L’équipement de filtrOCampus avec une série de nouveaux capteurs (déjà opérationnels : T°C, débit, électricité, NO3, … ) produit des séries de données et permet le contrôle à distance du système. Apres une 1ier thèse (Lacou A. 2025) pour décrire les performances du système vis-à-vis des paramètres classiques de qualité d’eau et les micropolluants de type résidus médicamenteux, cette nouvelle thèse vise à développer une approche numérique du fonctionnement des systèmes. Ce contexte apporte un cadre de travail idéal pour tester des hypothèses de recherche sur le fonctionnement des FPB grâce à l’utilisation de l’IoT.

• Castellar, J. A. C., Torrens, A., Buttiglieri, G., Monclús, H., Arias, C. A., Carvalho, P. N., Galvao, A., & Comas, J. (2022). Nature-based solutions coupled with advanced technologies: An opportunity for decentralized water reuse in cities. Journal of Cleaner Production, 340, 130660.doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.130660
• Kanaan, R., Darnajoux, R., Escarmena, L., Sauvage, S., Camboulive, T., Druilhe, J. L., & Sánchez-Pérez, J. M. (2025). A New Method to Investigate Denitrification Dynamics During Simulated Floods in Soils. European Journal of Soil Science, 76(2), 1–12. doi.org/10.1111/ejss.70098
• Lacou Alexandre, Alliet Marion, Parisi Edoardo, Canovas Sophie, Albasi Claire and Gerino Magali, 2025, Earthworms-assisted constructed wetlands: A multidisciplinary investigation of organic matter and nitrogen removal using hydrodynamic, metagenomic, and water quality approaches (submitted 05/2025 – Bioresource Technology Reports)
• Lacou A., Parisi E., Canovas S., Albasi C., Alliet M., Orange D., Gerino M., 2024. Earthworm’s enhancement potential of constructed wetland wastewater treatment process in a reuse perspective. Euro-mediterranean Conference on wastewater reuse, Reuse Euromed 2024, 29-31 October 2024, Montpellier.
• Maciejewski, K., Gautier, M., Kim, B., Michel, P., Molle, P., & Gourdon, R. 2024. Performance of carbon and nitrogen removal in a system combining an aerobic trickling filter followed by two stages of vertical flow treatment wetland. Ecological Engineering, 209, 107409. doi.org/10.1016/j.ecoleng.2024.107409
• Tsatsou, A., Frantzeskaki, N., & Malamis, S. (2023). Nature-based solutions for circular urban water systems: A scoping literature review and a proposal for urban design and planning. Journal of Cleaner Production, 394, 136325. doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.136325

Questions à l’étude

Cette thèse va permettre la caractérisation dans un contexte « réel », d’une chaîne de traitement d’eaux incluant un traitement par FPB, dans un objectif de réutilisation de cette eau (réutilisation à définir en fonction de la qualité potentielle de l’eau ainsi traitée).

Les études réalisées sur la partie FPB seront menées par mesures de terrain et IoT (internet of Thinks) et alimenteront la modélisation déterministe pour caractériser le fonctionnement des systèmes de manière théorique. Les performances seront évaluées selon des critères/indicateurs de qualité d’eau, d’émissions de GES et d’énergie consommée.
En priorité, une modélisation établie sur la base de données expérimentales et d’une approche déterministe (mise en équation des phénomènes biophysiques en jeu) visera à décrire in silico le fonctionnement hydrologique et biocinétique du FPB. Une prise en compte des relations entre les réactions microbiennes et les émissions de GES sera débutée dans le cadre de cette thèse en s’appuyant sur les expertises de l’équipe BIOECO dans cette thématique. Il sera aussi utile pour ajuster la fréquence des bâchées dans un objectif d’amélioration des performances.

Par la suite, cette approche devra permettre de qualifier les conditions requises pour un traitement tertiaire (TT) à identifier. Ces recherches viseront à définir le TT le mieux adapté au système pour une future chaine de traitement complète sur filtrOCampus (actuellement équipé de FPB pour du traitement secondaire). Il s’agira en particulier de caractériser les performances de ces procédés au regard des paramètres de l’eau de sortie du FPB pour en optimiser les conditions opératoires, dans le respect de la règlementation en vigueur. Cette étude devra également conduire à optimiser le cout énergétique et environnemental (ex émissions de GES) de la chaine de production de ces eaux non conventionnelles. La qualité sanitaire de l’eau suffisante et nécessaire pour son usage en local sur le campus sera mise en évidence et les capacités de traitement évaluées pour la production d’eaux à bas coût et bas carbone.

Déroulement de la thèse

• Année 1- Semestre 1
  Bibliographie : Etat de l’art des procédés de traitement bioinspirés (modélisation déterministe, dimensionnement et bilans énergétiques);
  Expérimentation : Prise en main de la plateforme pour mesures par IoT de l’énergie, et GES, de performances du FPB, et des paramètres classiques de pollution de l’eau (DCO, MES, N, pathogènes) et émissions de GES.
• Année 1. Semestre 2 : Mise en place et expérimentations terrain, analyses des données et modélisation du système de FPB
• Année 2 : Premières recommandations et vérifications expérimentales
• Année 3 : Modélisation et choix de procédé TT, rédaction et soutenance

Interdisciplinarité/ partenariats

L’équipe d’encadrement de ce sujet de thèse est issue des laboratoires CRBE et LGC.
Le projet global s’insère cependant dans un contexte plus global de partenariat avec d’autres laboratoires déjà engagés dans les recherches sur le couplage entre production d’eaux non conventionnelles et irrigation (Projet BIOROC, défi WOC) et qui couvrent les sciences environnement, génie des procédés, physique, chimie et informatique : UMR IRIT, PME EpurAqua.

Profil

Nous recherchons un.e candidat.e motivé.e, curieux.se et autonome possédant un Bac+5 (niveau Master ou Ingénieur) en génie chimique/procédés/environnement, avec une appétence pour la modélisation autant que les expérimentations de terrain, avec des connaissances sur le traitement de l’eau ou sur le fonctionnement biogéochimique des sols ou sédiment ou zones humides.

Une démarche en accord avec la transition écologique, économique et sociétale de la filière eau et dans les pratiques de la recherche sera attendue.

Bénéfice pour le candidat
Acquisition d’une expérience à la croisée entre ingénierie et recherche sur un sujet d’actualité, appui d’experts en traitement de l’eau et SFN, environnement de travail riche partagé entre 2 laboratoires ou plus et des partenaires privés.

Candidature

Référence de cette offre de thèse réutilisation des eaux : OE-050326-1
Limite de candidature : 31/03/2026

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