Systemes Soil Aquifer Treatment : EPurATion naturelle // Soil Aquifer Treatment: natural removal of chemical and microbiological contaminants

Le changement climatique et la pression anthropique exercés sur les ressources en eau impactent de manière significative la capacité des hydro-géosystèmes à répondre aux besoins croissants en eau, tant d'un point de vue quantitatif que qualitatif. Suite aux sécheresses de 2022, le gouvernement met en avant la valorisation des eaux non conventionnelles : eaux grises, eaux de pluie, eaux pluviales, … ainsi que les eaux usées traitées par des stations d'épuration (STEU).
L'infiltration dans le sous-sol d'eaux usées traitées constitue une solution basée sur la nature, qui permet la recharge des aquifères (recharge maîtrisée / Managed Aquifer Recharge : MAR), la limitation du biseau salin en domaine côtier tout en proposant une étape d'épuration supplémentaire qu'offre le passage dans le sol et l'aquifère. Ce système d'épuration est nommé aujourd'hui système SAT : Soil Aquifer Treatment. Les effluents traités de STEU contiennent des micropolluants et des micro-organismes pathogènes, qui sont alors introduits dans le sol puis l'aquifère. Une fois dans l'aquifère, le devenir de ces contaminants est contrôlé par des processus physico-chimiques (dilution, filtration, processus de sorption/désorption) et biologiques (perte de viabilité, stress, lyse virale, adhésion sur des biofilms, compétition avec les communautés microbiennes autochtones), or ces processus et les facteurs clés influençant ces processus sont encore mal connus.
La thèse est basée sur l'approche in situ du système SAT d'Agon-Coutainville. Les eaux usées traitées de la STEU sont infiltrées dans des roselières avant de rejoindre l'aquifère des sables pour finalement rejoindre la mer (à environ 800 m). Des piézomètres situés dans les roselières, en amont et en aval, permettent un accès à la nappe et aux sédiments (sables de l'aquifère). Le SAT d'Agon-Coutainville est étudié depuis 2016 par METIS et le BRGM, notamment au travers de la thèse de Guillemoto, (2022) qui a permis une première caractérisation des processus de transport réactif des composés traces organiques TrOCs (Guillemoto et al., 2022) et un premier modèle hydrogéologique à l'échelle du site (Guillemoto et al., 2023). Concernant le volet microbiologie, le volet risque sanitaire n'a pas encore été exploré, alors que les rejets en mer sont à proximité de zone de baignade et de pêche à pied (bivalves où peuvent se concentrer les pathogènes) ; de même, le rôle de la communauté microbienne autochtone dans la dégradation des contaminants chimiques reste à étudier.
L'objectif de la thèse est de caractériser et modéliser les processus de transport réactif des contaminants chimiques et microbiologiques dans le milieu récepteur des eaux usées traitées de station d'épuration à partir d'observations in situ sur le système SAT d'Agon-Coutainville, et ceci pour différentes conditions hydroclimatiques.
La thèse repose sur une approche interdisciplinaire couplant hydrogéologie, chimie des contaminants, microbiologie et écologie microbienne (UMR iEES).
Les attendus sont les suivants:
i) caractérisation des niveaux d'exposition du milieu récepteur aux contaminants chimiques et microbiologiques le long de l'écoulement du système SAT pour des conditions hydro-climatiques contrastées
ii) évaluation de l'efficacité du SAT pour l'épuration chimique et microbiologique (caractérisation des processus biotiques et abiotiques)
iii) l'évaluation de l'impact de l'infiltration d'eaux usées traitées sur les fonctions et la diversité des communautés microbiennes autochtones
iv) modélisation des transferts réactifs des contaminants chimiques et microbiologique et élaboration de scénarios de contamination
v) proposition ou validation d'indicateurs chimiques et microbiologiques pertinents du bon fonctionnement épuratoire du SAT

Guillemoto, Q., 2022. HAL : tel-04061989
Guillemoto, Q.,et al., 2022. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.155643
Guillemoto, Q., et al., 2023. https://doi.org/10.3390/w15050934
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Climate change and intensification of climate extreme events along with increasing population and urbanisation, amplify pressure on the fresh water resources In that context it will become difficult to reconcile water availability and water demand for Human as well as for ecosystems both in terms of quantity and quality. The 2022 intense drought has led the French government to promote the use of non-conventional water resources as urban stormwater or treated wasterwater.

The infiltration of treated wastewater is a nature based solution which allows to recharge the aquifer (Managed Aquifer Recharge: MAR) and limits the saline intrusion in coastal areas, while offering an additional natural epuration through the soil and aquifer : this is the SAT: Soil Aquifer Treatment.
Treated wastewater contains chemical and microbial contaminants, which are then introduced into the soil and the aquifer. Once in the aquifer, the fate of these contaminants is controlled by physico-chemical (dilution, filtration, sorption/desorption processes) and biological (loss of viability, stress, viral lysis, adhesion to biofilms, competition with indigenous microbial communities) processes, yet little is known about these processes and the key factors influencing them.

The thesis is based on an in situ approach of the SAT system of Agon-Coutainville. Treated wastewater is infiltrated into reed beds before reaching the sand aquifer and finally reaching the sea (at a distance of around 800 m). Piezometers located along a transect : in the reed beds, both upstream and downstream, provide access to the water table and sediments (aquifer sands). The SAT of Agon-Coutainville has been studied since 2016 by METIS and BRGM, in particular by Guillemoto (2022) in his PhD, which allowed a first characterisation of the reactive transport processes for organic trace compounds (TrOCs) (Guillemoto et al., 2022) and an initial hydrogeological model at the SAT scale (Guillemoto et al., 2023).
About microbiology, the health risk has not yet been explored, even though the discharges into the sea are close to bathing and fishing areas; similarly, the role of the autochtonous microbial community in the degradation of chemical contaminants remains to be studied.

The aim of the PhD project is to characterise and model the reactive transport processes of chemical and microbiological contaminants in the aquifer with infiltration of treated wastewater, based on in situ observations of the SAT system at Agon-Coutainville, for different hydroclimatic conditions.

The thesis is based on an interdisciplinary approach combining hydrogeology, contaminant chemistry, microbiology and microbial ecology.
The objectives are
i) characterisation of the exposure levels of the receiving environment to chemical and microbiological contaminants along the flow of the SAT system for contrasting hydro- climatic conditions
ii) assessment of the SAT's chemical and microbiological purification efficiency (characterisation of biotic and abiotic processes)
iii) assessment of the impact of infiltration of treated wastewater on the functions and diversity of autochtonous microbial communities
iv) modelling of reactive transfers of chemical and microbiological contaminants and development of contamination scenarios
v) proposal or validation of relevant chemical and microbiological indicators of the SAT's purification efficiency.


Guillemoto, Q., 2022. HAL : tel-04061989
Guillemoto, Q.,et al., 2022. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.155643
Guillemoto, Q., et al., 2023. https://doi.org/10.3390/w15050934
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Début de la thèse : 01/10/2025

Financement d'un établissement public Français

Sorbonne Université SIS (Sciences, Ingénierie, Santé)

398 Géosciences, Ressources Naturelles et Environnement

Diplôme de Master 2 ou d'ingénieur dans l'un ou les domaines suivants : Sciences de l'Eau, Géosciences, Biogéochimie ou Microbiologie Capacité de travail interdisciplinaire, le travail demandé s'articulant autour de plusieurs disciplines Aisance à la lecture et la synthèse de littérature scientifique anglophone Intérêt pour le travail de terrain et de laboratoire
MAster 2 in Geosciences or Water Sciences or Microbiology or Geochemestry