En quantité excessive, le phosphore est responsable de l’eutrophisation des plans d’eau. De ce fait, les normes de rejet du phosphore des eaux usées municipales font l’objet d’un resserrement. Des travaux ont porté sur la mise au point d’un procédé de capture passive de phosphore caractérisé par des biofiltres dotés de média actif à base de bois imprégné par l’hydroxyde de fer. L’abattement de phosphore se fait par le mécanisme de sorption qui regroupe l’adsorption, la dissolution réductive et les échanges d’ions. Le présent mémoire s’inscrit dans la continuité des travaux sus-cités. L’objectif est d’évaluer l’influence des nitrates sur la performance d’enlèvement du phosphore. Des essais en colonne ont été réalisés à partir d’une broyure activée opérée en anaérobie et par immersion sur une période de 150 jours. Les colonnes ont été alimentées durant 30 jours par une solution synthétique dopée à 5 mg P/L. Différentes concentrations de nitrates (5, 10 et 25 mg N-NO₃/L) ont ensuite été appliquées sur trois colonnes (C₂, C₃ et C₄), la colonne C₁ servant de témoin. Les résultats ont démontré que l’addition des nitrates réduit les performances d’enlèvement du phosphore des biofiltres. Le suivi du phosphore montre que la concentration en P à la sortie des biofiltres dépasse l’objectif de 0.3 mg P/L, 30 jours après l’injection des nitrates pour la colonne C₂ et 15 jours après pour les colonnes C₃ et C₄. L’ajout des nitrates augmente le potentiel d’oxydoréduction. Il en résulte une inhibition de la dissolution réductive, caractérisée par une baisse de production des ions ferreux. Une dénitrification simultanée se produit au sein des colonnes. Elle est à la fois biologique et chimique à travers l’oxydation des ions ferreux par NO₂, produit lors de la dénitrification biologique. Par ailleurs, des tests d’identification bactérienne ont mis en évidence la présence des bactéries reliées au fer, dénitrifiantes, sulfo-oxydantes, réductrices de sulfate, productrices de biofilm ainsi qu’une variété de micro-organismes hétérotrophes tels que les Pseudomonas et les bactéries entériques dans les biofiltres. / In excessive quantities, phosphorus is responsible for eutrophication of water surfaces. Thereby, phosphorus discharge standards for municipal wastewater are subject to a tightening. Researches have focused on the development of a passive phosphorus entrapment process characterized by biofilters with active wood-based media impregnated with iron hydroxide. Phosphorus removal is done by sorption which includes adsorption, reductive dissolution and exchange of ions. This MSc thesis is a continuation of the abovementioned studies. The objective is to evaluate the influence of nitrates on the phosphorus removal performance. Columns tests were performed with anaerobic activated wood-based media and immersion over a period of 150 days. Columns were fed for 30 days with a synthetic solution of 5 mg P/L. Different concentrations of nitrate (5, 10 and 25 mg N-NO₃/L) were then applied on three columns (C₂, C₃ and C₄), column C₁ serving as a control. The results demonstrate that the addition of nitrate reduces the phosphorus removal performance of biofilters. Phosphorus tracking shows that the concentration of P at the outlet of the biofilters exceeds the target of 0.3 mg P/L, 30 days after nitrate injection started for column C₂ and 15 days later for columns C₃ and C₄. Addition of nitrate increases the oxidoreduction potential. This results in an inhibition of the reductive dissolution, characterized by a decrease in the release of ferrous ions. Simultaneous denitrification occurs within the columns. It is both biological and chemical through the oxidation of ferrous ions by NO₂, produced during biological denitrification. Furthermore, bacterial identification tests have highlighted the presence of iron-related bacteria, denitrifying bacteria, sulfur oxidizing bacteria, sulfate reducing bacteria, biofilmproducing bacteria and a variety of heterotrophic microorganisms such as Pseudomonas and enteric bacteria in biofilters.

Titre de l'écran-titre (visionné le 4 décembre 2023) / Chaque jour, 10 millions de Franciliens produisent de l'eau usée, qu'il faut récolter et traiter avant de la rejeter dans la Seine. Le Syndicat interdépartemental pour l'assainissement de l'agglomération parisienne (SIAAP) s'occupe de l'acheminement de l'eau jusqu'à ses 6 stations d'épuration, et de leur opération. Pour assurer le traitement en tout temps, certaines unités de traitement, telles que les décanteurs physico-chimiques lamellaires, nécessitent une injection continue de produits chimiques, ce qui entraîne une dépense significative dans les coûts d'opération des usines. L'intégration d'un outil mathématique permettant une meilleure gestion de l'injection des réactifs entraînerait une économie sur les coûts d'opération. Bernier (2014) a développé une première version du modèle SimDec, basé sur le modèle de Takács et al. (1991), pour la prédiction de la qualité de l'effluent du décanteur physico-chimique lamellaire en connaissant la qualité d'eau de l'affluent. Même si le modèle SimDec fonctionne bien, Bernier (2014) suggère quelques améliorations, telles que l'ajout d'une meilleure caractérisation des vitesses de chute des particules. Il suggère également la division en classe de particules, comme mentionné dans les travaux de Maruéjouls et al. (2015). L'objectif principal de ce mémoire est d'étudier l'influence de la dose de coagulant sur la vitesse de décantation et la distribution des tailles de particules. Les vitesses de chute ont été estimées à l'aide d'essais ViCAs (Vitesse de Chute en Assainissement), développés par Chebbo et Gromaire (2009), lesquels permettent de connaître le pourcentage de particules décantées après une période de temps. Le coagulant utilisé, l'Alufer, est un mélange de deux coagulants commerciaux, AlCl₃ et FeCl₃, avec des fractions volumiques respectives de 60% et 40%. Le comportement étudié des courbes de distribution de vitesses de chute se rapproche des résultats de Tik (2020). Une optimisation de la concentration injectée pour maximiser la décantation est possible pour des valeurs de coagulant entre 5 mg/L et 20 mg/L et de polymère de 0,2 à 0,8 mg/L / Every day, 10 million people in the Parisian area produce wastewater, which must be collected and treated before being discharged into the Seine River. The Syndicat interdépartemental pour l'assainissement de l'agglomération parisienne (SIAAP) is responsible for transporting the water to its six treatment plants and for its treatment. To ensure treatment at all times, some treatment units, such as lamellar physical-chemical decanters, require continuous injection of chemicals, which results in a significant expense in the plants' operating costs. Incorporating a mathematical tool to better manage reagent injection would result in a savings in operating costs. Bernier (2014) developed an initial version of the SimDec model, based on the Takács et al. (1991) model, for predicting the effluent quality of the lamellar physical-chemical settler with knowledge of the influent water quality. Although the SimDec model works well, Bernier (2014) suggests some improvements, such as adding better characterization of particle fall velocities and suggests the division into particle classes, as mentioned in the work of Maruéjouls et al. (2015). The main objective of this study is to investigate the influence of coagulant dose on settling velocity and particle size distribution. Settling velocities were estimated using ViCAs (Vitesse de Chute en Assainissement, in French) tests, developed by Chebbo and Gromaire (2009), which provide the percentage of particles settled after a period of time. The coagulant used, Alufer, is a mixture of two commercial coagulants, AlCl₃ and FeCl₃, with respective volume fractions of 60% and 40%. The studied behavior of the settling velocity distribution curves is close to the results of Tik (2020). Optimization of the injected concentration to maximize settling is possible for coagulant values between 5 mg/L and 20 mg/L and polymer values between 0.2 and 0.8 mg/L.

La présente étude visait à établir la capacité d’enlèvement de l’azote des effluents domestiques par le procédé à culture fixée immergée BIO-FOSSEMD, conçu pour les petites localités. Des essais ont été effectués avec une unité pilote comprenant un réacteur de 15 litres. Aéré en continu et soumis à des charges de 35 g N-NH4+ m-2 d-1 et 323 g DBO5 m-2 d-1, ce procédé a atteint 96% de nitrification, atteignant régulièrement des valeurs inférieures à 2 mg N-NH4+/L. Sous aération intermittente du réacteur, l’efficacité de l’enlèvement de NH4+ et de NO3- dépend de la durée des périodes aérobie et anoxie. Avec un cycle de 24 h comptant 75% d’aération, les concentrations en azote à l’effluent ont varié de 0,4 à 7,4 mg N-NH4+ /L et de 10 à 21 mg N-NO3-/L. Les taux maximaux de nitrification et de dénitrification s’élèvent à 58 g N-NH4+ m-2 d-1 et 52 g N-NO3- m-2 d-1, respectivement. / The present study was conducted to establish the nitrogen removal capacity for a domestic effluent of the submerged fixed-film process BIO-FOSSEMD. This process has been especially designed for small communities and is based on the use of textile as bacterial support. When aerated continuously and subjected to loads of 35 g N-NH4+ m-2 d-1 and 323 g DBO5 m-2 d-1, this process reached 96% of nitrification, while providing 98% biological oxygen demand removal and 91% suspended solids removal. Under these conditions, values lower than 2 mg N-NH4+/L were measured on a regular basis in the effluent. When the reactor is operated under intermittent aeration, NH4+ and NO3- removal efficiencies depend on the duration of aerobic and anoxic periods. With a 24 h cycle, including 75% of aeration, the effluent nitrogen concentrations varied from 0,4 to 7,4 mg N-NH4+/L and from 10 to 21 mg N-NO3-/L. Under continuous aeration, total nitrogen removal average was around 49%, reaching over 70% at some point. Similar nitrogen removal was reached under intermittent aeration. Kinetic tests conducted ex situ gave a maximal nitrification rate of 58 g N-NH4+ m-2 d-1 and a maximal denitrification rate of 52 g N-NO3- m-2 d-1.

La population des villages du Nunavik, au nord du Québec, a généralement accès à l'eau potable municipale à partir de réservoirs domestiques. L'eau brute, qui vient généralement d'une source de surface, est amenée à l'usine de traitement municipale pour être traitée avec des rayons ultraviolets et du chlore, puis distribuée à la communauté par des camions citernes. Une campagne d'échantillonnage de l'eau réalisée en 2019 dans trois villages du Nunavik a mis en évidence que la désinfection par chloration n'est pas suffisante pour assurer une protection adéquate pendant la distribution et le stockage domestique de l'eau. L'objectif de ce mémoire de maîtrise a été de développer une stratégie pour améliorer la désinfection secondaire de l'eau par chloration au Nunavik, en utilisant comme étude de cas le village de Kangiqsualujjuaq. Pour ce faire, un portrait de la qualité de l'eau entre la source et les robinets a été dressé, avec une emphase sur le chlore résiduel et les sous-produits de désinfection. Avec ce portrait, une démarche a été mise au point pour identifier les quantités adéquates de chlore permettant d'obtenir des concentrations de désinfectant résiduel répondant aux standards internationaux, tout en limitant la génération de sous-produits de désinfection. Ces doses adéquates ont été obtenues à l'aide simulations de chloration en laboratoire réalisées avec des eaux de la communauté collectées en 2020 et en 2021. Avec les informations obtenues sur le terrain et dans les expériences de laboratoire, une base de données d'aide à la décision a été développée pour permettre aux responsables de la communauté de faire des choix éclairés quant à l'application du chlore pour la désinfection secondaire de l'eau. / The inhabitants of the villages of Nunavik, in northern Quebec, have generally access to municipal water stored in their domestic tanks. Municipal drinking water is commonly produced in a treatment plant supplied by a surface source, where ultraviolet light and chlorination are applied. Treated water is then distributed to the community by tanker trucks. A water sampling campaign conducted in 2019 in three Nunavik villages highlighted that secondary disinfection by chlorination is not sufficient to ensure adequate protection during water distribution and storage. The objective of this project was to develop a strategy to improve the secondary disinfection by chlorination, using the village of Kangiqsualujjuaq as case study. A profile of the water quality from source to tap was drawn up, with an emphasis on residual chlorine and disinfection by-products. Based on this portrait, a strategy was implemented to identify adequate chlorine doses to achieve disinfectant residual concentrations that meet international standards, while limiting the generation of disinfection by-products. These adequate doses were obtained using laboratory simulations of chlorination performed with community waters collected in 2020 and 2021. Based on the collected information, a decision support database was developed to allow community managers to make informed choices about the application of chlorine for secondary disinfection of water.

La désinfection de l'eau potable par le chlore permet d'inactiver les micro-organismes pathogènes et de contrôler la croissance microbienne au cours du transport de l'eau dans le réseau de distribution municipal. En présence de la matière organique et inorganique dans l'eau brute, ce procédé de traitement conduit à la formation de sous-produits de la désinfection (SPD) incluant les trihalométhanes (THM) et les acides haloacétiques (AHA) qui sont réglementés. Afin de respecter les normes pour ces SPD formés au cours de la chloration, les rayons ultraviolets et d'autres oxydants tels que l'ozone, le dioxyde de chlore ou la chloramine peuvent être utilisés comme désinfectants alternatifs pour la désinfection primaire. L'ozonation est communément appliquée durant la production d'eau potable non seulement pour permettre la diminution de la teneur en SPD réglementés mais aussi en raison de sa puissance comme désinfectant et oxydant. Néanmoins, compte tenu de courte demi-vie de l'ozone dans l'eau (l'ozone n'a pas d'effet rémanent), son utilisation requiert l'application de chlore ou de chloramine suivant l'ozonation afin de s'assurer la sécurité de l'eau distribuée. Toutefois, ce scénario de désinfection de l'eau potable (ozone-chlore/chloramine) favorise la formation des acétaldéhydes halogénés (halogenated acetaldehydes, HAL). Ces derniers attirent de plus en plus d'attention dans les dernières années en raison de leur abondance (troisième plus grande famille de SPD) et de leur cytotoxicité élevée. La présente thèse s'est donc consacrée à améliorer les connaissances sur la présence et la variabilité spatio-temporelle des HAL dans les réseaux d'aqueduc ainsi que sur les niveaux d'exposition de la population à ces contaminants dans les eaux potables désinfectées à l'ozone. Dans un premier temps, différents paramètres (pH, agent de conservation et durée de conservation) ont été optimisés pour la conservation des échantillons afin d'analyser les acétaldéhydes trihalogénés (trihalogenated acetaldehydes, THAL) et acétaldéhydes dihalogénés (dihalogenated acetaldehydes, DHAL) par une méthode analytique consolidée qui a été validée en laboratoire. Par la suite, quatre campagnes d'échantillonnage ont été réalisées sur deux ans (entre 2017 et 2019) au sein de deux systèmes d'eau potable sélectionnés comme cas à l'étude. La première campagne d'échantillonnage s'est échelonnée sur une année et a généré une base de données robuste sur le comportement de HAL dans les usines de traitement d'eau potable (UTEP) et leur variabilité spatio-temporelle dans les réseaux de distribution. À la suite de cette campagne, la relation entre l'ozonation et la variation de HAL dans l'eau traitée a été évaluée pendant un mois via une campagne d'échantillonnage intensive, dans une UTEP où les changements de pratique de l'ozonation avaient lieu. Finalement, deux autres campagnes d'échantillonnage ont été effectuées pour évaluer les effets de manipulations domestiques de l'eau sur la concentration de HAL à laquelle la population est exposée. Les résultats obtenus ont permis d'identifier les facteurs contribuant à la formation de HAL dans l'eau potable et de déterminer les stratégies de manipulation domestique pour réduire l'exposition aux HAL via l'eau potable. En se basant sur les concentrations de THM, la prédiction de la concentration de THAL est devenue possible grâce aux fortes corrélations entre les concentrations de THM et de THAL dans les deux systèmes d'eau potable à l'étude. / Disinfection of drinking water with chlorine results in the inactivation of targeted pathogens and the control of microbial growth during the transportation through the distribution system, while in the presence of naturally occurring organic and inorganic matter, disinfection by-products (DBPs) are formed. For instance, trihalomethanes (THMs) and haloacetic acids (HAAs) are regulated in many countries. In order to meet the regulations, ultraviolet irradiation and other oxidants such as ozone, chlorine dioxide or chloramines are used as alternative disinfectants for primary disinfection. Ozonation is commonly applied during water treatment not only due to the intended reduction in the levels of regulated THMs and HAAs but also its numerous advantages as oxidant and disinfectant. However, the use of chlorine or chloramines following ozonation is generally required to ensure the safety of drinking water in distribution systems due to the short half-life of ozone. Unfortunately, this disinfection scenario (ozone-chlorine/chloramines) promotes the formation of halogenated acetaldehydes (HALs), which attract more and more attention in the last years due to their abundance in drinking water (third largest group of identified DBPs by weight) and their relatively high cytotoxicity. This thesis is therefore devoted to improving the knowledge about the occurrence and spatio-temporal variability of HALs as well as the levels of human exposure to these contaminants in ozonated drinking water. First, various parameters (pH, quenching agent and sample holding limit) were optimized for sample preservation in order to analyze trihalogenated acetaldehydes (THALs) and dihalogenated acetaldehydes (DHALs) using a consolidated analytical method. Subsequently, four sampling campaigns were conducted over two years (between 2017 and 2019) in two drinking water systems. The first one-year sampling campaign generated a robust database of HALs regarding their behavior in drinking water treatment plants (DWTPs) and the spatio-temporal variability in distribution networks. Then the relationship between ozonation and HAL variation in treated water was assessed during a one-month intensive sampling campaign, in a DWTP where changes regarding ozonation procedures occurred. Finally, two more sampling campaigns were carried out to evaluate the effects of household tap water handling on the exposure of HALs. The results allow to identify the contributing factors to HAL formation in drinking water and to determine strategies of household handling for the control of HAL exposure via drinking water. The prediction of the occurrence of THALs based on THMs was made possible because of the strong correlations between THM levels and THAL levels in both drinking water systems.

Un suivi de deux filtres granulaires pleine échelle a été fait à une des usines de production d’eau potable de la Ville de Québec qui a une capacité de production de plus de 220 000 m3/jour. Un des filtres contient du sable et de l’anthracite, et l’autre du sable et du charbon activé en grains (CAG). Les deux filtres, qui sont précédés d’une inter-ozonation, ont été opérés dans les mêmes conditions pendant l’étude. Les qualités de l’eau brute, décantée, ozonée et filtrée ont été suivies pendant 32 semaines, de mai à décembre 2011, à raison de 2 échantillonnages dans un cycle de filtration à chaque deux semaines. Cette période correspond à peu près à la deuxième année d’opération après le changement des milieux filtrants dans cette usine. Le filtre avec CAG s’est avéré plus performant pour presque tous les paramètres de qualité d’eau considérés, en particulier en termes d’enlèvement de la matière organique biodégradable et non-biodégradable. Par contre, et contrairement à ce qui a été observé antérieurement, la réduction de la turbidité a été plus forte dans le filtre avec anthracite. Une analyse économique préliminaire et partielle montre que le meilleur enlèvement de la matière organique réalisé par le filtre avec CAG pourrait amener une économie significative due à une réduction de la demande en chlore mais que celle-ci serait masquée par le coût d’achat très élevé du CAG par rapport à l’anthracite. / A water quality monitoring was conducted on two full scale granular filters of the biggest water treatment plant of Québec City. One of the filters contains anthracite and sand layers, while the other contains granular activated carbon (GAC) and sand layers. Both filters, which are preceded by an inter-ozonation step, were operated in the same conditions during the study which happened during the second year of operation of these filters. The qualities of raw water, settled water, ozonated water and filtered water were monitored for 32 weeks, from May to December 2011, two times in a filtration cycle every two weeks. Globally, the GAC filter exhibited better organic matter removal performances but a lower turbidity removal performance than the anthracite filter. This allows a potential reduction in chlorine consumption for the GAC filter but this economy is shadowed by the very high cost of this filter media.

La présence de composés azotés en excès peut conduire à la pollution de l'environnement et des problèmes de santé. Les ions nitrates sont les composés azotés les plus couramment rencontrés dans les eaux usées issues des activités humaines telles que l'agriculture. Par conséquent, l'élimination des ions nitrate dans les eaux souterraines et les eaux de surface ainsi que dans les eaux usées est d'une importance capitale. Actuellement, les principales méthodes appliquées pour l'élimination des ions nitrate, comprennent les méthodes biologiques et physico-chimiques. Cependant, ces traitements présentent des lacunes et des limites, telles que des conditions de réalisations coûteuses et complexes. Le procédé d'adsorption est considéré comme meilleur que les autres technologies de traitement des eaux usées, car sa conception est simple et son opération facile et économique, en plus de permettre de récupérer les ions nitrate. La technologie d'adsorption a été pratiquée avec succès dans l'élimination des ions nitrate avec divers matériaux comme adsorbants. Dans cette thèse, la silice mésoporeuse SBA-16 fonctionnalisée avec des groupements ammonium a été synthétisée et utilisée comme adsorbant potentiel pour l'élimination des ions nitrate dans l'eau potable et les eaux usées. Ceci est principalement dû à leur grande surface spécifique, leur méso-structure ordonnée et leur capacité de fonctionnalisation par différents groupes fonctionnels de surface. Le processus de fonctionnalisation de la SBA-16 avec des groupements amines (des groupes mono-, di- et tri-ammonium) peut être réalisé par deux méthodes: le procédé de greffage post-synthèse et par co-condensation. L'influence du pH de la solution, de la température d'adsorption, des ions compétitifs, de la charge en adsorbant et du rapport molaire organoalkoxysilane / silice a été étudiée par une série d'expériences d'adsorption en mode discontinu. Comme indiqué par les résultats de cette étude, la SBA-16 fonctionnalisée par greffage post-synthèse montre de meilleures performances en termes de pourcentage d'élimination des polluants et de capacité d'adsorption. La capacité d'adsorption maximale a été de 70,46 mg NO3-/ g d'adsorbant à une température de 5 ° C. Le processus d'adsorption a été très rapide et le temps d'équilibre a été atteint en moins de 5 minutes. La capacité d'adsorption a été augmentée en même temps la concentration initiale. L'enlèvement maximal pour les ions nitrate a été observé à pH 3 et au-delà de pH = 3, il n'y'a pas d'effet significatif sur cette élimination. La capacité d'adsorption augmente avec la modification du type d'amine, en passant du mono-, di - et tri-ammonium. En outre, les modèles d’adsorption tels que Freundlich, Temkin et Langmuir ont été appliqués aux isothermes obtenus. Les données d'équilibre d'adsorption sont en bon accord avec les modèles de Langmuir et de Temkin. De plus, les paramètres thermodynamiques ont été évalués pour le processus d'adsorption des ions nitrate. Les valeurs négatives des paramètres tels que l'enthalpie (AH °) et l'entropie (ΔSo) constatées pour l'ensemble des modèles d'isotherme, indiquent respectivement que la réaction est exothermique, et que la disposition aléatoire de l'adsorbat est en baisse à l'interface solide / liquide. / The presence of excess nitrogen (N) compounds can lead to environment pollutions and healthy problems. Also, nitrate ions are the commonly encountered N compounds in wastewater through human activities such as agriculture and human wastes. Therefore, removal of nitrate to diminish the concentration of nitrate in groundwater, surface water as well as in wastewaters is of prime importance. Normally, the major methods that have been applied for nitrate removal include biological and physicochemical technologies. However, current available treatments for nitrate removal have shortcomings and limitations such as high costs and complex operations. The adsorption process is considered better among other wastewater treatment technologies because of the simple design, easy and economical operation as well as allowing nitrate recovery. Adsorption technology has been found successful in nitrate removal by using various materials as adsorbents. In this thesis, ammonium-functionalized SBA-16 mesoporous silica was synthesized and used as potential adsorbent for nitrate removal in water and wastewater, which is due mainly to their large specific surface area, ordered meso-structure, and their functionalization ability by different surface functional groups. The functionalized SBA-16 process with amine groups (mono-, di- and tri ammonium silane) can be carried out through two methods: post synthesis grafting and co-condensation. The influence of solution pH, temperature, competitive ions, adsorbent loading and molar ratio organoalkoxysilane/silica was investigated by a series of batch adsorption experiments. As the results of this study, the mesoporous functionalized SBA-16 via post-synthesis grafting method exhibited higher performances in terms of percentage pollutant removal and adsorption capacities. The maximum adsorption capacity was found to be 70.46 mg NO3-/g adsorbent at temperature of 5oC. The adsorption was rapid at early stages of the treatment and the equilibrium was reached within 5 minutes. The capacity of adsorbent was increased with initial concentration. The maximum removal for nitrate was observed at pH of 3. The adsorption capacity increased with changing the amine type from mono-, di - to tri- ammonium silane groups. In addition, the parameters of adsorption process such as equilibrium adsorption isotherm and thermodynamic were investigated. The Freundlich, Langmuir and Temkin isotherm models were investigated. The adsorption equilibrium data were in good agreement with the Langmuir and Temkin isotherm models. The negative values of enthalpy (ΔH°) and entropy (ΔSo) were found for all of isotherm models. This indicates the exothermic character of nitrate adsorption process as well as the decrease in randomness at the solid/solution interface during the adsorption.

La détérioration des ressources en eau et la grande quantité d'eau polluée générée dans les sociétés industrialisées donnent une importance fondamentale aux procédés de traitement des eaux usées pour préserver les ressources, conformément à l'objectif 6 des 17 objectifs de développement durable des Nations Unies. Le rejet de nutriments tels que l'ammoniac par les eaux usées est un problème important, l'élimination de l'azote (N) est donc l'un des processus critiques de toute station de récupération des ressources en eau (StaRRE). L'objectif de ce projet de recherche doctoral est d'améliorer la compréhension des mécanismes d'élimination de l'azote dans le traitement biologique des eaux usées grâce à la modélisation, et d'optimiser les StaRRE existantes pour réduire la consommation d'énergie et de ressources. Dans ce cadre, 3 études différentes ont été réalisées. Tout d'abord, un modèle de décanteur réactif unidimensionnel a été développé. Celui-ci prédit le comportement de décantation de boues à des concentrations élevées de boues ainsi que les conversions biocinétiques dans le processus de décantation secondaire (DS). Il a été constaté qu'une description précise des réactions biocinétiques dans la DS impose des défis de calibration élevés pour le modèle de décantation, car ce dernier doit capturer les profils de concentration complets de la biomasse active dans la couverture de boues. Le modèle calibré a pu prédire avec précision les profils de concentration des effluents et du lit de boues dans la DS. Le modèle développé peut être utilisé pour le contrôle et la simulation des StaRRE afin d'obtenir de meilleures prédictions des concentrations d'effluents et des boues de retour, et aussi de calculer correctement le bilan massique d'azote d'une StaRRE. Deuxièmement, un modèle à l'échelle de l'usine a été mis en place pour un système de pré-dénitrification conventionnel pour la StaRRE pilEAUte à l'échelle pilote. Une méthodologie de calibration du modèle par étapes a été adoptée en fusionnant les principaux protocoles de calibration de modèle, tout en mettant l'accent sur le modèle biocinétique. Le modèle de la StaRRE pilEAUte, y compris le décanteur réactif développé, a été calibré et validé pour simuler les variables de modèle sélectionnées, puis utilisé pour une analyse de scénarios plus approfondie de l'optimisation de la consommation d'énergie et des ressources. Les résultats de l'analyse des scénarios ont montré le potentiel d'optimisation du système conventionnel d'élimination d'azote grâce à la réduction de l'aération et du retour interne des nitrates. Ils ont également démontré que la dénitrification dans le décanteur secondaire peut avoir une contribution significative à la capacité globale d'élimination d'azote d'une StaRRE lorsque la liqueur mixte peut traverser le lit de boues. Troisièmement, l'étude visait à évaluer l'applicabilité des stratégies de commande continu et intermittent du rapport de l'ammoniac par rapport aux NOX-N (commande AvN) sur la StaRRE pilEAUte. Les stratégies de commande de l'aération par AvN sont appliquées en amont d'un réacteur de désammonification, qui est un processus d'élimination efficace d'azote avec un besoin de ressources réduit (en termes d'aération et carbone) par rapport aux systèmes conventionnels. Les deux stratégies de commande testées pourraient être réalisées grâce à une commande automatique. Cependant, le maintien du rapport AvN dans l'effluent à la valeur souhaitée (1) dépend fortement des conditions opérationnelles telles que les variations de l'affluent, le temps de rétention des boues et la fiabilité des capteurs. Même si la recherche est guidée par les études de StaRRE à l'échelle pilote, les méthodologies développées pour démontrer et modéliser les processus et les conditions opérationnelles économes en énergie et en ressources sont applicables et transférables à d'autres études de cas à plein échelle. / Deterioration of water resources and the large amount of polluted water generated in industrialized societies gives fundamental importance to waste water treatment processes to preserve resources in accordance with goal 6 of the 17 sustainable development goals of the United Nations. Discharge of nutrients such as ammonia with waste water is a significant issue, thus nitrogen (N) removal is one of the critical processes of any water resource recovery facilities (WRRF). The objective of this PhD research project was to improve the understanding of N-removal mechanisms in biological treatment of wastewater through modelling and to optimize existing WRRFs to reduce energy and resource consumption. Within this context, 3 different studies were carried out. First, a one dimensional reactive settler model was developed that predicts the settling behaviour at high sludge concentrations together with biokinetic conversions in the secondary settling process. It was found that an accurate description of biokinetic reactions in the SST puts high calibration requirements on the settling model as it must properly capture the full concentration profiles of active biomass in the sludge blanket. The calibrated model was able to accurately predict the effluent and sludge blanket concentration profiles in the SST. The developed model can be used for control and simulation of WRRFs for better predictions of SST effluent and underflow concentrations and also properly calculate the nitrogen mass balance of a WRRF. Second, a plant-wide model was set up for a conventional pre-denitrification system for the pilot-scale pilEAUte WRRF. A step-wise model calibration methodology was adopted by merging main existing model calibration protocols while placing emphasis on the biokinetic model. The pilEAUte model, including the developed reactive settler, was calibrated and validated to simulate the selected model variables and used for further scenario analysis for energy and resource optimization. The scenario analysis results showed the optimization potential of conventional N removal systems through application of reduced aeration and internal nitrate recycling. It also demonstrated that denitrification in the secondary settler can contribute significantly to the overall N removal capacity of the WRRF when mixed liquor can pass through the sludge blanket. Third, it was aimed to evaluate the applicability of continuous and intermittent Ammonia vs NOₓ-N (AvN) control strategies on the pilEAUte WRRF. The AvN aeration control strategies are applied prior to a deammonification stage which is a short-cut N removal process with reduced resource (aeration and carbon) requirements in comparison to conventional systems. Both strategies could be achieved through automatic control. However, keeping the AvN ratio in the effluent on the desired value highly depends on operational conditions such asinfluent variations, sludge retention time and the sensor's measurement reliability.

Le Tanfloc est un coagulant organique naturel à base d’extrait de tanin. Ce produit est issu du métabolisme de certaines plantes, dont l’Acacia mearnsii, qui est utilisé pour sa production. Selon certaines études, le Tanfloc présenterait des performances d'abattement de la matière organique dissoute comparables à celles de l’alun dans le traitement des eaux de surface, avec l’avantage de ne pas être influencé par le pH. Il pourrait être également utilisé comme l’alun, dans le traitement des eaux usées, pour l'abattement de la DCO (Demande chimique en Oxygène), de la MES (Matière En Suspension) et de la demande biologique en oxygène. Contrairement aux autres coagulants organiques naturels, tels que le Moringa, le Tanfloc est présenté comme le coagulant organique qui pourrait être un alternatif aux coagulants inorganiques tels que l’alun, dont l’utilisation présente quelques inconvénients. Les objectifs de cette étude, sont d’améliorer les connaissances sur ce coagulant : ses mécanismes de coagulation, ses performances, et d’étudier les possibilités de son utilisation dans le traitement des eaux usées et dans la potabilisation en comparaison avec l’alun. En eau potable, les résultats de séries de jar tests réalisées avec des sources d’eau différentes (Fleuve Saint Laurent et la Rivière Chaudière), montrent que le résiduel de COD (Carbone organique dissous) du Tanfloc en plus de dégrader la qualité de l’eau traitée, implique une demande en chlore plus élevée. Cependant, il semble que cet apport de COD ne soit pas précurseur des sous-produits de désinfection. En outre, tout comme l’alun, ses performances sont influencées par la variation du pH, de la dose et des caractéristiques de l’eau brute. En eaux usées, bien qu’il ne permette pas l’abattement de l’azote total et du phosphore total, le Tanfloc pourrait être utilisé dans le traitement des eaux usées (traitement primaire), car il permet selon nos résultats un meilleur abattement de la DCO et de la MES que l’alun. En outre, le caractère organique des boues produites suite à l’utilisation du Tanfloc pourrait améliorer leurs valorisations. / Tanfloc is a tannin extracts-based natural and organic coagulant. Tannin is derived from the metabolism of some plants like Acacia mearnsii which is used in its production. Some studies suggest that Tanfloc offers a reduction performance of dissolved organic matter similar to that of alum for the treatment of surface waters, with the advantage that the pH has no impact on it. Like alum, it can be used in waste water treatment to reduce Chemical Oxygen Demand (COD), Suspended Solids (SS), and Biological Oxygen Demand. Unlike other natural organic coagulants such as Moringa, Tanflloc is seen as the organic coagulant which might be a suitable alternative to inorganic coagulants like alum whose use presents some disadvantages. The objectives of this research were to improve on the knowledge about this coagulant: how it works, its performance; and to investigate its potential use in waste and potable water treatment as compared to alum. As far as potable water is concerned, the results of jar tests on different water sources (St. Lawrence River and Chaudière River) show that Tanfloc’s DOC (Dissolved Organic Carbon) residual does not only degrade treated water quality, but also involves a higher chlorine demand. However, it appears that this COD residue is not a harbinger of disinfection by-products. Moreover, as it is the case with alum, pH variation, dosing, and raw water characteristics have an impact on Tanfloc’s performance. As far as waste water is concerned, although Tanfloc does not reduce total nitrogen and total phosphorus, it can be used in waste water treatment (primary treatment) because our results suggest that it enables a better reduction of COD and SS than alum. Furthermore, the resulting sludge from Tanfloc’s use is organic and this can add to its valuation.

La détérioration des ressources en eau et la grande quantité d'eau polluée générée dans les sociétés industrialisées donnent une importance fondamentale aux procédés de traitement des eaux usées pour préserver les ressources, conformément à l'objectif 6 des 17 objectifs de développement durable des Nations Unies. Le rejet de nutriments tels que l'ammoniac par les eaux usées est un problème important, l'élimination de l'azote (N) est donc l'un des processus critiques de toute station de récupération des ressources en eau (StaRRE). L'objectif de ce projet de recherche doctoral est d'améliorer la compréhension des mécanismes d'élimination de l'azote dans le traitement biologique des eaux usées grâce à la modélisation, et d'optimiser les StaRRE existantes pour réduire la consommation d'énergie et de ressources. Dans ce cadre, 3 études différentes ont été réalisées. Tout d'abord, un modèle de décanteur réactif unidimensionnel a été développé. Celui-ci prédit le comportement de décantation de boues à des concentrations élevées de boues ainsi que les conversions biocinétiques dans le processus de décantation secondaire (DS). Il a été constaté qu'une description précise des réactions biocinétiques dans la DS impose des défis de calibration élevés pour le modèle de décantation, car ce dernier doit capturer les profils de concentration complets de la biomasse active dans la couverture de boues. Le modèle calibré a pu prédire avec précision les profils de concentration des effluents et du lit de boues dans la DS. Le modèle développé peut être utilisé pour le contrôle et la simulation des StaRRE afin d'obtenir de meilleures prédictions des concentrations d'effluents et des boues de retour, et aussi de calculer correctement le bilan massique d'azote d'une StaRRE. Deuxièmement, un modèle à l'échelle de l'usine a été mis en place pour un système de pré-dénitrification conventionnel pour la StaRRE pilEAUte à l'échelle pilote. Une méthodologie de calibration du modèle par étapes a été adoptée en fusionnant les principaux protocoles de calibration de modèle, tout en mettant l'accent sur le modèle biocinétique. Le modèle de la StaRRE pilEAUte, y compris le décanteur réactif développé, a été calibré et validé pour simuler les variables de modèle sélectionnées, puis utilisé pour une analyse de scénarios plus approfondie de l'optimisation de la consommation d'énergie et des ressources. Les résultats de l'analyse des scénarios ont montré le potentiel d'optimisation du système conventionnel d'élimination d'azote grâce à la réduction de l'aération et du retour interne des nitrates. Ils ont également démontré que la dénitrification dans le décanteur secondaire peut avoir une contribution significative à la capacité globale d'élimination d'azote d'une StaRRE lorsque la liqueur mixte peut traverser le lit de boues. Troisièmement, l'étude visait à évaluer l'applicabilité des stratégies de commande continu et intermittent du rapport de l'ammoniac par rapport aux NOX-N (commande AvN) sur la StaRRE pilEAUte. Les stratégies de commande de l'aération par AvN sont appliquées en amont d'un réacteur de désammonification, qui est un processus d'élimination efficace d'azote avec un besoin de ressources réduit (en termes d'aération et carbone) par rapport aux systèmes conventionnels. Les deux stratégies de commande testées pourraient être réalisées grâce à une commande automatique. Cependant, le maintien du rapport AvN dans l'effluent à la valeur souhaitée (1) dépend fortement des conditions opérationnelles telles que les variations de l'affluent, le temps de rétention des boues et la fiabilité des capteurs. Même si la recherche est guidée par les études de StaRRE à l'échelle pilote, les méthodologies développées pour démontrer et modéliser les processus et les conditions opérationnelles économes en énergie et en ressources sont applicables et transférables à d'autres études de cas à plein échelle. / Deterioration of water resources and the large amount of polluted water generated in industrialized societies gives fundamental importance to waste water treatment processes to preserve resources in accordance with goal 6 of the 17 sustainable development goals of the United Nations. Discharge of nutrients such as ammonia with waste water is a significant issue, thus nitrogen (N) removal is one of the critical processes of any water resource recovery facilities (WRRF). The objective of this PhD research project was to improve the understanding of N-removal mechanisms in biological treatment of wastewater through modelling and to optimize existing WRRFs to reduce energy and resource consumption. Within this context, 3 different studies were carried out. First, a one dimensional reactive settler model was developed that predicts the settling behaviour at high sludge concentrations together with biokinetic conversions in the secondary settling process. It was found that an accurate description of biokinetic reactions in the SST puts high calibration requirements on the settling model as it must properly capture the full concentration profiles of active biomass in the sludge blanket. The calibrated model was able to accurately predict the effluent and sludge blanket concentration profiles in the SST. The developed model can be used for control and simulation of WRRFs for better predictions of SST effluent and underflow concentrations and also properly calculate the nitrogen mass balance of a WRRF. Second, a plant-wide model was set up for a conventional pre-denitrification system for the pilot-scale pilEAUte WRRF. A step-wise model calibration methodology was adopted by merging main existing model calibration protocols while placing emphasis on the biokinetic model. The pilEAUte model, including the developed reactive settler, was calibrated and validated to simulate the selected model variables and used for further scenario analysis for energy and resource optimization. The scenario analysis results showed the optimization potential of conventional N removal systems through application of reduced aeration and internal nitrate recycling. It also demonstrated that denitrification in the secondary settler can contribute significantly to the overall N removal capacity of the WRRF when mixed liquor can pass through the sludge blanket. Third, it was aimed to evaluate the applicability of continuous and intermittent Ammonia vs NOₓ-N (AvN) control strategies on the pilEAUte WRRF. The AvN aeration control strategies are applied prior to a deammonification stage which is a short-cut N removal process with reduced resource (aeration and carbon) requirements in comparison to conventional systems. Both strategies could be achieved through automatic control. However, keeping the AvN ratio in the effluent on the desired value highly depends on operational conditions such asinfluent variations, sludge retention time and the sensor's measurement reliability.