Thèse Piégeage et Valorisation du Phosphore dans le Contexte des Plans d'Eau Évaluation d'Un Procédé avec des Matériaux à Base de Fer H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Limoges École doctorale : Sciences et Ingénierie Laboratoire de recherche : Eau Environnement Limoges Direction de la thèse : Véronique DELUCHAT-ANTONY ORCID 0000000294335658 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-08T23:59:59 L'eutrophisation constitue un problème environnemental majeur, limitant les usages des eaux de surface (potabilisation, activités récréatives...). Son importance est renforcée par la raréfaction des ressources en eau, liée au changement climatique. Le phosphore (P) est le facteur limitant de l'eutrophisation dans les eaux continentales, ce qui justifie la nécessité de réduire sa concentration dans les eaux.
Dans le cadre du projet Pho-Ret, le rôle majeur des plans d'eau dans la dynamique du phosphore le long d'un bassin versant (BV)a été mis en évidence. En effet, les étangs se comportent comme des puits de P en stockant ce dernier dans leurs sédiments à certaines périodes. Cependant, ce phénomène s'inverse, avec une libération du P dans la colonne d'eau, particulièrement lors des périodes estivales qui sont propices au développement de conditions anaérobie. La gestion des stocks de P sédimentaires est complexe, surtout dans les bassins versants comportant de nombreux plans d'eau. Le projet Pho-Ret a montré que le transfert de P se faisait principalement sous forme particulaire, justifiant l'utilisation de systèmes de décantation à l'entrée des retenues. Toutefois, le P des fractions particulaires fraîchement décantées est très mobile et facilement relargué. Il est donc nécessaire de compléter ces dispositifs par un système implanté en aval ou en sortie de plan d'eau, capable de piéger le P relargué sous forme colloïdale et dissoute lors des périodes où des conditions d'anaérobies sont rencontrées (Rapin, 2017 ; Projet Pho-Ret).
Le projet Phos-Fer, quant à lui, a développé un système de piégeage du P par sorption sur des réacteurs garnis de matériaux à base de fer à valence zéro pour le traitement des eaux usées. L'efficacité de ce procédé a été éprouvée dans le cadre du projet Phos-Fer Valo.
L'objectif du projet PIVEau est d'évaluer l'adaptabilité de ce procédé de traitement des eaux usées au contexte des eaux de plans d'eau, en utilisant une barrière perméable réactive (BPR) comme système de captation. L'étude portera sur le comportement du procédé dans différentes conditions expérimentales, avec des eaux représentatives de plans d'eau, l'exploitation d'un réacteur type BPR et la mise en place de régimes hydrauliques contrastés, à l'échelle laboratoire en réacteur continu.
Une dimension supplémentaire concerne la valorisation du phosphore capté, par récupération des oxy-hydroxydes de fer ayant piégé le P, qui pourraient être intégrés dans des composts avec des végétaux et/ou des Matières Fertilisantes d'Origines Résiduaires (fumiers, lisiers...). Ce compost, épandu sur le bassin versant du système, contribuerait ainsi à la fermeture partielle du cycle du P, en permettant d'interrompre son transfert le long des BV. Il s'agira ainsi d'évaluer cette stratégie de valorisation locale, de création d'un petit cycle du P, avec des échanges auprès des acteurs tels que les chambres d'agriculture, les syndicats de rivière, ... Le changement climatique induit une réduction significative des ressources en eau (Amparo-Salcedo et al., 2025) ; en région Nouvelle Aquitaine un déficit de plus de 1 milliards de m3 pourrait être atteint en 2050. Il est donc indispensable de considérer toutes les ressources potentielles disponibles et de préserver leur qualité afin de garantir les usages essentiels : alimentation en eau potable, maintien de la biodiversité, abreuvement des animaux, irrigation des cultures, lutte contre les incendies, production d'hydroélectricité ainsi que les activités récréatives comme la baignade dans des sites accessibles à tous.
La région Nouvelle Aquitaine compte un nombre important de plans d'eau, environ 13 000 sont recensés sur le seul périmètre du Limousin. Ainsi, la gestion de ces masses d'eau constitue un enjeu majeur puisque les plans d'eau représentent une ressource importante à préserver et gérer. Cependant, leur qualité est fréquemment altérée par les phénomènes d'eutrophisation, avec le développement massif de macrophytes, d'algues et/ou de cyanobactéries, tant phytoplanctoniques que benthiques. La respiration de ces biomasses en période nocturne, ainsi que leur décomposition, engendrent l'appauvrissement des eaux en oxygène. De plus, la production potentielle de toxines par les cyanobactéries constitue une problématique majeure pour la plupart des usages.
Le phosphore est reconnu comme étant le facteur limitant de l'eutrophisation dans les masses d'eaux continentales. La recherche de techniques permettant de limiter son rejet et son transfert au sein des bassins versants représente donc un enjeu crucial. Les plans d'eau jouent un rôle majeur dans la dynamique du P en induisant l'interruption partielle de son transfert et en accumulant le P dans leurs sédiments (Maavara et al, 2015 ; Etude Pho-Ret, 2023). En effet, le phosphore présente une forte affinité pour les matières particulaires sur lesquelles il s'adsorbe. Cependant, ce stockage sédimentaire n'est pas pérenne : des phénomènes de relargage se produisent régulièrement lorsque des conditions anaérobies sont rencontrées.
Au cours des vingt dernières années, les concentrations en phosphore dans les cours d'eau ont diminué, notamment grâce à l'interdiction des phosphates dans les détergents, à l'amélioration du traitement des eaux usées et à des pratiques agricoles plus responsables (gestion des fertilisants et des déjections animales). En revanche, ces concentrations en phosphore ont beaucoup moins diminué dans les plans d'eau, en raison du relargage du P sédimentaire. Le présent projet vise à proposer un système de piégeage du P au niveau des plans d'eau.
Un système de traitement du phosphore a été proposé dans le contexte du traitement des eaux usées, basé sur l'utilisation de matériaux à base de fer (Projets Phos-Fer, 2019-2022 et Phos-Fer Valo, 2022-2025). Ce système de traitement pourrait être décliné pour le piégeage du phosphore dans ce nouveau contexte mais cela nécessitera la définition de nouvelles modalités de mise en oeuvre étant donné que les conditions physico-chimiques, microbiologiques et hydrauliques seront différentes. L'intérêt de ce dispositif de traitement est qu'il peut fonctionner de façon passive, sans dépense énergétique et avec une gestion du matériel réactif à une fréquence limitée. L'objectif de ce travail est de développer et de mettre en oeuvre un système de piégeage du phosphore à l'aval des plans d'eau ou des pré-retenues implantées à l'entrée des plans d'eau pour piéger le P, afin de limiter le transfert de ce nutriment dans le réseau hydrique des bassins versants et de réduire ainsi les phénomènes d'eutrophisation à l'aval. Le principe de traitement passif fait qu'il pourra s'intégrer dans un système de traitement fondé sur la nature.
Le phosphore collecté pourra être valorisé en agriculture, via son compostage ou son épandage conjointement avec des Matières Fertilisantes d'Origine Résiduaires (MAFOR). L'apport de P est crucial pour maintenir la fertilité des sols et considérant l'épuisement des gisements miniers de P, la création d'un petit cycle du P à l'échelle des bassins versants semble intéressante.
Le projet combine donc un objectif environnemental, la réduction de l'eutrophisation avec le piégeage du phosphore au niveau des plans d'eau, et un objectif socio-économique, le soutien aux pratiques agricoles durables et la promotion d'une gestion circulaire des ressources en P au sein des bassins versants. L'adaptation du système Phos-Fer, procédé éprouvé pour le traitement des eaux usées, nécessitera dans un premier temps de définir une gamme de compositions d'eaux représentatives de la qualité des plans d'eau, en s'appuyant sur les résultats du projet Pho-Ret et d'un travail bibliographique. La technique de traitement passif, telle que développée dans le projet Phos-Fer Valo, devra être adaptée dans ce nouveau contexte des eaux d'étang, avec la mise en oeuvre de barrière perméable réactive, ce qui nécessitera également la définition de géométrie de réacteurs permettant de garantir des conditions de vitesse et de temps de contact adaptées.
A partir de ces données, des expérimentations seront réalisées avec des réacteurs ouverts, type colonne, garnis avec des matériaux à base de fer, sélectionnés sur la base des résultats du projet Phos-Fer Valo. Ces réacteurs seront alimentés avec des eaux de « signature » de plans d'eau, telles que définies dans le travail préparatoire. Outre les concentrations en phosphore, les paramètres physico-chimiques (pH, conductivité, teneur en oxygène dissous), chimiques (teneurs en éléments majeurs, différentes formes de l'azote, COT) et microbiologiques seront suivis. Il importera d'évaluer le potentiel développement de biofilm dans ces réacteurs. Le système sera testé avec des variations de composition des eaux et différentes conditions de temps de séjour. Un pilote sera implanté sur un site d'étude défini avec des partenaires tels que Limoges Métropole ou le SABV.
La géométrie des réacteurs sera également considérée, en étudiant l'influence du garnissage, de l'hydrodynamique et du mode de circulation (verticale ou horizontale) sur les performances du traitement. Ces suivis, réalisés sur des périodes prolongées (plus de 2 ans), permettront d'évaluer la robustesse et l'efficacité du procédé dans des conditions réelles. Le procédé de traitement sera étudié en considérant son intégration dans le fonctionnement des plans d'eau, en tant que solution fondée sur la nature.Considérant l'épuisement des ressources en P, il importe de considérer toute nouvelle source potentielle. Cette approche permettrait de créer une boucle locale et durable du phosphore, reliant les flux de phosphore dans un bassin versant à la fertilisation agricole et à la valorisation des ressources locales ; avec la création d'un petit cycle du P à l'échelle d'un bassin versant. L'analyse des matériaux suite au piégeage du phosphore et d'autres contaminants éventuels (fractionnement chimique, identification de phases porteuses ; analyses structurales ; tests de toxicité sur les plantes) permettra de mieux comprendre les mécanismes en jeu et d'envisager la valorisation du phosphore, voire la régénération du matériau, telle qu'étudiée par Ai et al. (2023). Une caractérisation de la biodisponibilité du P présent dans les matériaux sera effectuée, par des essais de croissance de plantes en serre, en condition contrôlées sur des substrats de référence (tourbe par exemple), des substrats témoin et des substrats enrichis avec les matériaux issus du procédé de traitement. Le résidu enrichi en phosphore pourrait être associé à d'autres supports pour produire un compost, qui serait ensuite épandu sur les parcelles agricoles situées en amont du site de piégeage dans le sous-bassin versant d'étude.

Le candidat devra avoir de connaissances approfondies dans le domaine des sciences de l'eau et de l'environnement, et plus particulièrement dans au moins deux des domaines suivants : chimie, génie des procédés, génie végétal et agronomie.
Le candidat devra être en mesure de mener un travail de laboratoire rigoureux pour la mise en oeuvre de pilotes et leur suivi analytique. Il sera également impliqué dans le déploiement et le suivi de pilote sur le terrain.
Le permis de conduire est demandé.