Introduction : Les acides haloacétiques (AHA) sont produits suite au processus de chloration de l'eau potable. Leur diminution semble résulter d'une biodégradation suite à l'implantation d'un biofilm à l'intérieur des réseaux. L'objectif de la présente étude consiste à caractériser la biodiversité du biofilm et à déterminer le lien entre celui-ci et la dégradation des AHA. Méthodes : Les échantillons ont été analysés par culture ainsi que par une approche moléculaire analysant l'ARNr 16s des bactéries présentes dans le biofilm afin de permettre leur quantification et leur identification. Résultats : Les fluctuations de la biomasse sont assujetties aux fluctuations saisonnières. Ces variations sont en partie corrélées avec les taux observés de biodégradation des AHA. Conclusion : L'implantation et la biodiversité du biofilm sont tributaires de plusieurs facteurs dont la contribution individuelle au sein du processus de biodégradation des AHA reste à déterminer.

L'azote et le phosphore sont à l'origine de problèmes environnementaux entraînant un stress environnemental sur les écosystèmes aquatiques, comme l'eutrophisation et la toxicité. Pour contrer ces impacts, l'utilisation de procédés de traitement avancés est nécessaire pour respecter les réglementations strictes en matière de rejet. Une augmentation annuelle de l'utilisation des nutriments par la société est observée alors que les réserves mondiales de phosphore (P) et potassium (K) sont limitées. Compte tenu de leur importance dans toute vie, la récupération de ces nutriments à partir des eaux usées a retenu l'attention des chercheurs et est devenue un domaine de recherche très important. Les stations de traitement des eaux usées (STEP) sont considérées comme l'un des points d'accumulation importants de phosphore avec environ 1,3 million de tonnes d'élimination de P par an via le traitement des eaux usées dans le monde (Li et Li 2017). La valorisation du P des eaux usées pourrait ainsi couvrir environ 15 à 20% de la demande mondiale de phosphore (Yuan et al. 2012). Par conséquent, les stations d'épuration sont désormais considérées comme des installations de récupération des ressources de l'eau (StaRRE), un lieu où la valorisation et la gestion des biodéchets sont poursuivies. Les procédés électrochimiques peuvent être utilisés comme traitement tertiaire pour l'élimination du P (Tran et al. 2012). De nos jours, il suscite également l'intérêt des chercheurs en tant que nouvel outil pour les processus de récupération des nutriments tels que l'électrodialyse, l'électrocoagulation, le dosage électrochimique de magnésium, etc. Par contre, des applications à l'échelle pilote et à grande échelle nécessitent encore davantage d'investigations et de recherches. Dans ce projet de recherche, une technique d'électrocoagulation est appliquée pour la première fois pour récupérer le phosphore sous forme de vivianite à partir des eaux usées. En fait, la récupération du phosphore sous forme de vivianite, une pratique innovante, a attiré une attention considérable en raison de son omniprésence naturelle, de sa facilité d'accès et de sa valeur économique prévisible (Wu et al. 2019). Le processus d'électrocoagulation proposé utilise une anode de fer sacrificielle pour produire des ions ferreux formés lors de la dissolution de l'anode. Ces ions réagiront avec les ions du phosphore dans les eaux usées, en particulier PO₄³⁻ , HPO₄²⁻ et H₂PO₄⁻, entraînant la formation de vivianite, Fe₃(PO₄)₂,8H₂O, utilisable dans différents types d'application : engrais à libération lente, batterie Li-ion, peinture. . .Dans le cadre de ce projet, la modélisation électrochimique avec PHREEQC est utilisée afin d'étudier la dissolution de l'anode de fer, les conditions optimales de la précipitation de vivianite, les facteurs limitant cette formation et le suivi du processus de la précipitation dans une matrice d'eau usées complexe. PHREEQC a été démontré d'être un outil puissant pour effectuer des calculs de spéciation et l'évaluation de l'indice de saturation qui détermine le taux de précipitation. La partie expérimentale du travail couvre la récupération de vivianite en utilisant la méthode d'électrocoagulation. Cette récupération est évaluée dans des réacteurs de laboratoire opérés en mode batch et en mode continu afin d'évaluer respectivement, la récupération de vivianite comme une nouvelle route de récupération de P et la cinétique de sa précipitation a différentes valeurs de pH. / Nitrogen and phosphorus are causing environmental problems leading to environmental stress on aquatic ecosystems such as eutrophication and toxicity. To counteract these impacts, the use of advanced treatment processes is required to meet the strict discharge regulations. An annual increase in nutrient use by society is observed while global phosphorus (P) and potassium (K) reserves are becoming limited. Given their importance in all life, the recoveryof these nutrients from waste water has gained the attention of researchers and has become a highly important research field. Waste water treatment plants (WWTPs) are considered one of the important accumulation points of phosphorus with around 1.3 million tons of P-removed globally per year via sewage treatment (Li et Li 2017). P-recovery from wastewater could thus cover around 15-20% of the global phosphorus demand (Yuan et al. 2012). Therefore, WWTPs are now considered as Water Resource Recovery Facilities (WRRFs), a place where biowaste valorization and management are pursued. Electrochemical processes can be used as tertiary treatment for P-removal (Tran et al. 2012). Nowadays, it is also gaining the interest of researchers as a new tool for nutrient recovery processes such as electrodialysis, electrocoagulation, electrochemical magnesium dosage, etc.Based on a literature review, it could be concluded that all these processes have currently only been studied at pilot-scale, and full-scale application still needs more investigation and research. In this research project, an electrocoagulation technique was applied for the first time to recover phosphorus from wastewater as vivianite. In fact, vivianite phosphorus recovery, an innovative practice, has attracted considerable attention for its natural ubiquity, easy accessibility and foreseeable economic value (Wu et al. 2019). The proposed electrocoagulation process uses a sacrificial iron anode to produce ferrous ions formed during anode dissolution,reacting with ions in wastewater, in particular PO₄³⁻ , HPO₄²⁻ et H₂PO₄ , resulting in the formation of vivianite, Fe₃(PO₄)₂,8H₂O, that can be used in different types of application : slow release fertilizer, Li-ion battery, paint . . . As part of this project, electrochemical modelling with PHREEQC was used to study the dissolution of the iron anode, the optimal conditions for vivianite precipitation, the factors limiting its formation and the monitoring of the precipitation process in a complex wastewater matrix. PHREEQC was found to be a powerful tool to perform speciation calculations and the evaluation of the saturation index which determines the rate of precipitation. The experimental part of the work studied the recovery of vivianite using electrocoagulation. This recovery was evaluated in lab-scale reactors operating in batch mode and in continuous mode in order to evaluate respectively, the recovery of vivianite as a new route of recovery of P and the kinetics of its precipitation at different pH values.

Les marais filtrants artificiels (MFA) forment un système biologique et passif de traitement des eaux usées constituant une alternative durable aux traitements conventionnels des effluents de cultures en serre. La performance des MFAs à réduire la charge polluante des effluents de culture et l’émission de gaz à effet de serre est étroitement liée aux communautés microbiennes. Afin d’optimiser l’activité biologique des MFAs et par conséquent leur performance, l’enrichissement en biochar des substrats filtrants pourrait constituer une avenue prometteuse. Le biochar, produit de la pyrolyse de la biomasse, est utilisé comme amendement pour les sols. Toutefois, les conséquences de son utilisation dans les systèmes d’épuration des eaux usées comme les MFAs sont peu connues jusqu’à nos jours. Les objectifs de cette thèse étaient donc de : (1) évaluer l’effet d’un biochar sur la diversité et l’activité des microorganismes dans les MFAs ; (2) évaluer l’effet du biochar sur l’efficacité des MFAs à réduire la charge en pesticides dans les effluents de cultures ; (3) évaluer l’effet du biochar sur les microorganismes des MFAs en présence de pesticides, et finalement (4) évaluer l’effet de l’utilisation de l’eau traitée par les MFAs comme eau d’irrigation sur la croissance des plantes et la diversité microbienne de la rhizosphère d’une culture de tomate. Les résultats obtenus ont démontré que le biochar n’a pas eu un effet majeur sur la composition des populations bactériennes dans les substrats et les effluents des marais. Toutefois, le biochar a affecté le taux d’expression de plusieurs gènes clés impliqués dans le fonctionnement des MFAs incluant ceux contrôlant le dégagement des gaz à effet de serre. Par ailleurs, l’utilisation des eaux traitées par les MFAs comme eau d’irrigation n’a pas affecté le développement des plantes de tomate. Au contraire, des bactéries connues pour leur stimulation de la croissance des plantes comme Flavobacterium, Rhizobium, Azospirillum et Pseudomonas ont été détectées en abondance. Finalement, en présence de pesticides, le biochar a exercé un effet protecteur sur les communautés microbiennes des MFAs permettant ainsi de maintenir leur performance à réduire les charges polluantes dans les effluents de serre. Toutefois, l’effet du biochar sur la capacité des marais à réduire la concentration des pesticides a été spécifique au type de pesticide. Ces travaux suggèrent que l’amendement des MFAs avec du biochar peut être une pratique utile pour améliorer et optimiser le fonctionnement des MFAs en atténuant certains de leurs inconvénients comme le dégagement des gaz à effet de serre. Ils ont démontré également la faisabilité et l’importance de la valorisation des eaux traitées par les MFAs. / Recently, the use of constructed wetlands (CWs), which form a biological and passive system of wastewater treatment, has been proposed as an alternative to conventional treatments of greenhouse effluents. The performance of CWs can be improved by the enrichment of their substrates with various products affecting their microbial communities, thus reducing the impact of some related problems such as the release of greenhouse gases. Biochar, which is the product of biomass pyrolysis, is used as an amendment in the soil. However, the consequences of its use with substrates in wastewater treatment systems such as CWs are little known until today. The objectives of this thesis were (1) to evaluate the effect of a biochar on the diversity and activity of microorganisms in CWs, (2) to evaluate the effect of biochar on the efficiency of CWs to reduce pesticides in greenhouse effluents, (3) to evaluate the effect of biochar on microorganisms in CWs in the presence of pesticides, and finally (4) to assess the effect of using water treated in CWs as irrigation water on tomato growth and rhizosphere microbial diversity. The obtained results demonstrated that biochar did not have a major effect on the composition of bacterial populations in CWs substrates and effluents. However, biochar affected the expression rate of several key genes in CWs functioning, including those involved in the release of greenhouse gases. Also, the use of CWs s treated waters to grow tomato plants in hydroponic crops did not present any physiological or microbiological risk to tomato plants. In fact, plant growth-promoting bacteria such as Flavobacterium, Rhizobium, Azospirillum and Pseudomonas were detected in abundance in the rhizosphere of tomato plants. Finally, in the presence of pesticides, biochar showed a protective effect on the microbial communities of CWs and thus makes it possible to maintain CWs performance in reducing pollutant loads in greenhouse effluents. However, the effect of biochar on CWs performance in reducing pesticides is specific to the type of pesticide. This work highlights the utility of biochar in improving the functioning of CWs and in circumventing some of their disadvantages such as the release of greenhouse gases. The feasibility and the importance of the valorization of water treated by CWs was also demonstrated.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2009-2010 / L'usage de la modélisation pour aider à opérer ou à concevoir des systèmes d'épuration est de plus en plus fréquent. Cependant, dans le cas de la biofiltration, peu de modèles accessibles existent. L'objectif de cette étude est de vérifier l'applicabilité d'un logiciel commercial à différents types de biofiltres et de simuler le comportement des composés solubles et particulaires sur une chaîne de traitement par biofiltration. La station Seine Centre du SIAAP, localisée à Paris, a été choisie. Traitant un débit moyen de 240 000 m3/j, elle met en oeuvre des biofiltres secondaires de type Biofor®, des biofiltres tertiaires nitrifiants de type Biostyr et des biofiltres dénitrifiants de type Biofor®. Une base de données de six ans, comprenant les concentrations journalières en plusieurs endroits de la station pour les principaux polluants (MeS, DCO, NFL.+, NO3", NTK), a été utilisée. Le logiciel de modélisation choisi pour cette étude est GPS-X®, couramment utilisé dans l'industrie. Ce simulateur propose un module de biofiltration complet, qui est composé de cinq sous-modèles : hydraulique, de filtration, de lavage, de réactions biologiques et de biofilm. Les paramètres du modèle ont été étudiés afin de déterminer leur influence sur la réponse en sortie, ce qui a permis de construire un diagramme de calage. Dans un premier temps, le modèle a été calé et validé pour chaque biofiltre pris séparément, en comparant les résultats obtenus aux données de terrain. Le modèle a ensuite été calé et validé pour simuler la chaîne de biofiltres en entier, en temps sec puis en temps de pluie, dans une configuration différente. Les résultats fournis par le modèle ont été analysés statistiquement. Enfin, le modèle a été utilisé pour effectuer des tests de surcharge hydraulique.

Dans ces travaux de recherche nous avons cherché à développer et optimiser un procédé d’oxydation avancée dédié au traitement de l’eau. Pour cela, Nous avons développé un procédé combinant la génération de radicaux hydroxyles par décharge plasma à pression atmosphérique et un catalyseur fixe. L’originalité de ce travail a été d’utiliser un système d’écoulement permettant l’obtention d’un film liquide (épaisseur < 1mm) afin de permettre une interaction entre le plasma, le liquide et la surface catalytique. Les résultats ont montré que la décharge de type DBD était préférable au Glidarc, plus thermique, plus énergétique et produisant trop de NOx. Les valeurs d’efficacités respectives ont été de 0,67 g.kWh-1 (DBD) et 0,23 g.kWh-1 (Glidarc). Les résultats ont également montré que le matériau de la surface d’écoulement pouvait influencer l’efficacité du procédé. Ainsi dans le cas du laiton, la présence de réactions de corrosion produisant des NO2- réduit l’efficacité de moitié comparée à une plaque d’acier. Le développement d’un modèle CFD 1D du procédé a également été effectué. Celui-ci a permis d’estimer que l’efficacité énergétique de production des HO⋅ est de 4,4.10-9 molHO.J-1 pour la décharge DBD. Il a également permis de montrer que les facteurs majoritairement limitants étaient la présence de réactions parasites telles que la recombinaison des HO⋅. Le modèle a également montré que les réactions chimiques ne durent pas plus de 1µs après l’impact du streamer et n’ont lieu que dans les premiers 5% d’épaisseur de liquide. Enfin, un dépôt catalytique de DLC dopé à l’argent et réalisé par rf-PECVD a permis d’améliorer de près de 10% l’efficacité maximale du procédé. Mots clés : Procédé d’Oxydation Avancée, décharge à barrière diélectrique, Glidarc, dépollution, rf-PECVD, Diamond-Like Carbon, catalyseur, argent, modélisation CFD. / The aim of this research lies in the development and optimization of an advanced oxidation process dedicated to wastewater treatment. This process combines an atmospheric plasma discharge with an immobilized catalyst (Ag-DLC) in order to generate hydroxyl radicals. The novelty of this work relies in the use of a falling thin film system (thickness < 1mm) to promote the interaction between plasma discharge, the solution and the catalytic surface. The results demonstrate the interest of employing a Dielectric Barrier Discharge configuration instead of a Glidarc system. Indeed, the Glidarc system leads to a too high production level of NOx. The efficiencies of these two processes were respectively 0,67 g.kWh-1 and 0,23 g.kWh-1 for the DBD and the Glidarc system. Moreover, the influence of the counter-electrode / flowing plate material on the process efficiency was pointed out. Compared to stainless steel, the presence of corrosion reactions on the brass surface produced NO2- and thus, reduced the process efficiency. The production of HO⋅ radicals at the plasma / water interface was estimated to be 4,4.10-9 molHO.J-1 by the use of 1D CFD modeling. Side reactions such as HO⋅ recombinaison appear as the major limiting factors. Futhermore the model demonstrates that the time needed to complete all the chemical reactions was less than 1 µs and these reactions occurred only in the first 5% of the top liquid film. Finally with an Ag-DLC based catalytic coating elaborated by RF-PECVD, the efficiency was increased to 10% compared to the best efficiency observed with the non-catalytic system. Keywords : Advanced Oxidation Process, Dielectric barrier discharge, Glidarc, depollution, rf-PECVD, Diamond-Like Carbon, catalyst, silver, CFD modelling.

Dans les hôpitaux, les bioaérosols en suspension dans l’air peuvent contenir des cellules bactériennes ou fongiques provenant des patients, des visiteurs, du personnel et de l’environnement extérieur. Les centrales de traitement de l’air (CTA) sont des unités permettant de filtrer, de conditionner et d’assurer une bonne qualité de l’air aux occupants et sont présentes dans certains hôpitaux. Dans la littérature, il n’y a pas de consensus sur le choix des échantillonneurs d’air et les méthodes d’analyse lorsqu’on désire évaluer la qualité de l’air qui est traité dans ces centrales. Le principal défi consiste à éviter la perturbation des soins aux patients lors de l’échantillonnage de l’air dans les CTA. Le présent projet a permis de développer un protocole permettant l’échantillonnage des bioaérosols dans les CTA en utilisant des cannes d’échantillonnage sans perturber les activités qui se déroulent dans l’hôpital. L’objectif de cette étude longitudinale était d’analyser la qualité microbiologique de l’air lors de dix campagnes s’échelonnant sur une période d’un an. Les résultats de cette étude ont démontré que les saisons affectaient significativement les concentrations de microorganismes cultivables et totaux dans l’air intérieur et extérieur d’un hôpital, mais l’effet saisonnier n’influençait pas les concentrations de particules. Le traitement de l’air réalisé avec plusieurs filtres s’est avéré efficace afin de réduire les charges microbiennes et les particules. L'utilisation des méthodes de séquençage Sanger pour l’identification des colonies isolées et de séquençage à haut débit de gènes universels a permis d'obtenir un aperçu de la diversité des espèces bactériennes et fongiques et de valider l’utilisation de marqueurs d’air biologiques. Ce projet a permis d’élaborer des méthodes d’échantillonnage en air dynamique et à haut débit. Il permettra de proposer une stratégie assurant le suivi à long terme de la qualité de l’air à l'intérieur d’un hôpital sans perturber les activités qui s’y déroulent. / Air contains bioaerosols, which are airborne particles of biological origin, including bacterial or fungal cells. Bioaerosols in hospitals may contain microorganisms from patients, visitors, staff, and the outdoor environment. Air treatment units (ATU) are present in certain hospitals and aim to ensure the best air quality for occupants. The literature is scarce when it comes to the choice of air samplers and the method of analyses to assess the air quality in these ATUs. The main challenge is to avoid disruption of patient care during air sampling. The present project developed a protocol allowing the sampling of bioaerosols in ATU using sampling rods and, therefore, without disturbing the activities taking place in the hospital. The objective of this longitudinal study was to analyze the microbiological quality of the air during ten campaigns over one year. The results of this study demonstrated that the seasons significantly affect the concentrations of culturable and total microorganisms in the indoor and outdoor air of a hospital. Airborne particle concentrations were not affected by these seasonal changes. Air treatment with several filters was proven to be effective in reducing microbial loads and particles. The use of Sanger sequencing to identify isolated colonies and next-generation sequencing methods provided insight into the diversity of bacterial and fungal species. This project developed high-velocity dynamic air sampling methods. The study proposes a strategy ensuring long-term monitoring of air quality inside a hospital without disturbing the activities that are taking place inside and to validate the use of biological markers for contaminants in the air in a normal situation.

Les trihalométhanes (THM) et les acides haloacétiques (AHA) constituent les seules familles réglementées de sous-produits de la désinfection (SPD). Les SPD sont des composés issus de la réaction de la matière organique naturelle présente dans l’eau et du désinfectant lors du traitement de l’eau potable. La plupart de ces composés ne sont pas réglementés, même si plusieurs études ont montré que certains SPD peuvent présenter un risque toxicologique plus important que les THM et les AHA. De nos jours, très peu d’informations sont disponibles sur l’occurrence des SPD non-réglementés dans l’eau potable, en particulier dans les petits réseaux municipaux. Paradoxalement, les petits réseaux approvisionnés en eau de surface ont souvent des difficultés à mettre en place des traitements adéquats pour enlever les précurseurs de SPD dans l’eau soumise à la désinfection. L’eau potable des petits réseaux est ainsi plus vulnérable aux SPD et leur suivi y est d’autant plus important. Cette thèse s’est donc consacrée à améliorer les connaissances sur l’occurrence des SPD (et en particulier, les SPD non-réglementés) dans les petits réseaux de distribution d’eau potable, en étudiant notamment leur évolution spatiale et temporelle. Pour ce faire, deux campagnes d’échantillonnage ont été réalisées sur deux ans (entre 2010 et 2012) dans 25 petits réseaux du Québec et de Terre-Neuve-et-Labrador. Les THM, les AHA et trois autres familles de SPD non-réglementés, à savoir les haloacétonitriles, les halonitrométhanes et les haloacétones, ont été étudiés. Les résultats obtenus ont permis de mieux comprendre leur patron de variabilité spatio-temporelle, de modéliser leur présence et de développer un outil d’aide à la décision pour la mise en place d’une stratégie de suivi des SPD réglementés et non-réglementés. / Trihalomethanes (THMs) and haloacetic acids (HAAs) constitute the only regulated disinfection by-products (DBPs) in various countries. DBPs are compounds formed during drinking water treatment, from the reaction between natural organic matter and the disinfectant. Most DBPs are not regulated, even if they may have more pronounced toxicological effects than regulated ones. There is currently very little information about the occurrence of non-regulated DBPs, particularly in small water systems (SWS). Paradoxically, in many cases, SWS supplied by surface waters lack adequate treatment processes to remove DBP precursors in water subjected to the disinfection process. Their tap water may be more vulnerable to the presence of DBPs. This thesis is dedicated to improving the knowledge of the occurrence of DBPs (especially non-regulated DBPs) in SWS by studying their spatial and temporal variability. To do that, two sampling programs were carried out in 25 SWS during two years (between 2010 and 2012) in Canada. Small systems in the provinces of Newfoundland & Labrador and Quebec were considered. The following DBPs were measured during the study: THMs, HAAs, haloacetonitriles, haloketones and halonitromethanes. The obtained results contribute to a better understanding of the DBP spatio-temporal variation patterns, to establishing models to evaluate their levels and to developing decision-making schemes for simultaneously monitoring various families of DBPs, including non-regulated DBPs.

Les étangs aérés (EA) représentent une technologie de traitement des eaux usées très répandue dans les petites communautés du Canada et des États-Unis. Au Québec, c'est plus des deux tiers des stations qui sont de ce type. Parmi les stations de petite taille (débit annuel moyen <2500 m³/d), cette proportion monte à 85%. Avec, d'une part, l'évolution de la réglementation qui impose des normes de rejet de plus en plus strictes pour les stations de traitement et, d'autre part, la croissance des communautés desservies, la mise à niveau d'un grand nombre d'EA est nécessaire. Une des solutions pour l'augmentation de la capacité des EA est d'ajouter un support bactérien fixe au sein des étangs pour augmenter le temps de rétention de la biomasse ainsi que leur concentration. Cette solution est exploitée par l'entreprise Bionest qui a développé la technologie KAMAKTM dont l'idée principale est d'ajouter un support bactérien fixe au sein de colonnes aérées installées directement dans les étangs. Le KAMAKTM complet est formé d'une alternance de zones de sédimentation (3) et de séries de colonnes formant des réacteurs à biofilm (2). Ce type de technologie peu documenté a fait l'objet du projet de recherche dont il est question dans cette thèse. Une stratégie de suivi en continu de la qualité de l'eau a été déployée sur un système KAMAKTM pleine échelle installé – pour simuler une situation de surcharge – dans une portion des EA de la petite municipalité de Grandes-Piles (415 habitants). Ce suivi a permis de gagner de l'expérience quant à l'installation, l'exploitation et l'entretien de stations de mesure dans un contexte de petit système sans opération quotidienne et, bien sûr, de récolter des données permettant d'évaluer les performances du système à l'étude. Une procédure de traitement des données a été développée pour passer des données brutes à des données plus facilement interprétables et à des fichiers d'entrée pour la modélisation. L'analyse des performances a principalement été orientée sur les défis identifiés pour le système, soit la nitrification et l'enlèvement des matières en suspension (MES). Pour la nitrification, les données ont montré que le système permet une nitrification saisonnière (à température chaude) prolongée par rapport à un étang aéré typique, et ce, même si le système est exposé à une forte charge organique. La prolongation de la période de nitrification d'environ un mois a été observée en automne, à la fin de la période optimale de nitrification. Pendant cette période, un événement temporaire de perte de nitrification a cependant été expérimenté. L'explication proposée pour cet événement concerne l'enlèvement des MES. Une présence importante de MES dans le système a en effet été corrélée avec cet événement. Le suivi de l'accumulation des solides et de leur digestion a fourni des explications pour les variations de performance d'enlèvement des MES. Un suivi de l'évolution des hauteurs de sédiments, de leurs caractéristiques et de la production de gaz associée à leur digestion a été réalisé. Ce suivi a montré que les conditions de forte charge appliquées au système sont associées à une accumulation hivernale des sédiments suivie d'une activité significative de digestion anaérobie pendant la période estivale. Cette digestion entraîne une production de biogaz pouvant causer la remise en suspension de sédiments. Ce phénomène a été utilisé pour expliquer l'augmentation momentanée des concentrations en MES et la perte temporaire de nitrification pendant l'été. Dans le cas de la nitrification, un attachement accru de MES au biofilm est associé à une pénétration plus faible de l'oxygène qui entraîne une baisse d'activité des bactéries nitrifiantes. Dans le but de comprendre de manière globale les performances du système et de vérifier les explications présentées pour les baisses momentanées de performance, un modèle mathématique a été développé. Ce modèle a permis de mettre en lumière la complexité de la nitrification saisonnière et d'illustrer les liens existants entre les processus actifs au sein du système. Des fonctionnalités innovantes ont été intégrées au modèle pour décrire la remise en suspension de sédiments et l'influence de la température sur les bactéries autotrophes. Ces dernières ont été divisées en deux groupes pour décrire adéquatement les performances de nitrification. Le modèle a finalement été utilisé pour évaluer l'impact de stratégies opérationnelles et de modifications de configuration sur les performances du système. / Aerated lagoon (AL) systems are widely used for wastewater treatment in small communities of Canada and the United States. In the province of Québec, for example, more than two thirds of all plants are of this type. Among the plants classified as small or very small (yearly average flowrate below 2500 m³/d), this fraction rises to 85%. With, on the one hand, the evolution of regulations imposing increasingly strict discharge standards for treatment plants and with, on the other hand, the growth of the served communities, the upgrading of many AL type plants is becoming a necessity. One of the solutions put forward for increasing the capacity of AL is to add a fixed biofilm support within the lagoons to increase the biomass retention time as well as their concentration. This solution has been adopted by the Quebec company Bionest by developing the KAMAKTM technology. The main idea of the KAMAKTM is to add a fixed bacterial support within aerated columns installed directly in the lagoons. These columns, installed in series, form biofilm reactors within the lagoons. The complete KAMAKTM system consists of an alternation of sedimentation zones (3) and biofilm reactors (2). This thesis aims at increasing the knowledge of this type of technology which was poorly documented so far. An online water quality monitoring strategy was deployed on a full-scale KAMAKTM system installed in a portion – to simulate an overload situation – of the AL of the small Quebec municipality of Grandes-Piles (415 inhabitants). This high-frequency monitoring made it possible to gain an understanding regarding the installation, operation and maintenance of automated monitoring stations in the context of a small system without day-to-day operation and, of course, to collect data to objectively assess the performance of the studied system. A data treatment procedure was developed to transform raw data into more easily interpretable data and, ultimately, into input files for process modelling.Interpretation of the monitoring data allowed assessing the performance of the technology. The performance analysis focused on the main challenges identified for the system, namely nitrification and total suspended solids (TSS) removal. For nitrification, the data have shown that the system allows extended seasonal (at warm temperature) nitrification compared to typical AL systems (suspended growth), and even with the system being exposed to higher organic loading rates. The extension was mainly observed in the fall, at the end of the optimal nitrification period. However, during the summer period, a temporary nitrification loss event was experienced. The explanation for this event is connected to the second challenge: TSS removal. Indeed, TSS present in the system was correlated with this event and with the operating temperature. Monitoring of solids accumulation and sediment digestion helped identify potential causes for the poor TSS removal performance in this period. The evolution of sediment height, sediment characteristics and gas production associated with their digestion, was monitored in parallel to the monitoring of water quality. It showed that the high loading rate conditions applied to the system are associated with sediment accumulation during winter followed by their anaerobic digestion during the summer period. The resulting production of biogas caused sediment resuspension. This resuspension phenomenon has been used to explain the momentary deterioration in effluent quality in terms of TSS and ammonia during the summer period. Regarding nitrification, an increased attachment of TSS to the biofilm, associated with a lower penetration of oxygen, led to a decrease in the activity of the nitrifying bacteria. In order to understand the performance of the system in a comprehensive manner and to validate the presented explanations for the momentary deterioration of performance, a mathematical model was developed to describe the complete system. The modelling work highlighted the complexity of the nitrification performance dynamics and illustrates, in an integrated manner, the existing links between the different active processes within the system. Innovative features were integrated in the model to describe the resuspension of sediment and the influence of temperature on autotrophic bacteria. Two groups of autotrophic bacteria had to be considered in the model to adequately describe the observed nitrification performance. The model was finally used to assess the impact of new operational strategies and configuration changes on the performance of the system.

Les ions nitrate présents dans les effluents agricoles et agroalimentaires sont la cause majeure de la pollution de l'eau induisant eutrophisation et risques sanitaires dûs à la méthémoglobinémie. Le traitement de ces effluents avant de les rejeter est alors impératif. De nombreux procédés biologiques et physicochimiques ont été mis en oeuvre pour le traitement de ces effluents. Cependant, l'adsorption s'avère une alternative prometteuse grâce à sa simplicité et sa rapidité. Dans le présent travail, l'objectif principal est l'étude du procédé d'adsorption des ions nitrate par un organosilicate mésoporeux de type SBA-15. Les essais ont été réalisés avec des solutions synthétiques en batch et analysés par HPLC ionique. Les matériaux ont été caractérisés par les techniques de DRX et BET. L'équilibre de l'adsorption a été modélisé par les modèles de Langmuir, Freundlich et Temkin afin de déterminer les paramètres thermodynamiques. La capacité d'adsorption maximale obtenue est de 50 mg/g. L'étude des conditions opératoires a révélé que le rendement d'adsorption augmente avec la charge en adsorbant et diminue avec la concentration initiale en nitrate. Le pH optimum est situé entre 4 et 8. Par ailleurs, l'étude de l'effet des ions S0₄²⁻, CO₃²⁻, Mg²⁺ et Ca²⁺ a montré que le sulfate et le carbonate ont un effet négatif sur l'adsorption. Les isothermes d'adsorption ont montré que la capacité d'adsorption diminue en augmentant la température. Aussi, le modèle de Langmuir s'applique le mieux aux résultats expérimentaux pour toutes les températures investiguées. L'adsorbant testé sur des solutions en présence de matière organique (acides phytiques et humiques) simulant les conditions réelles des effluents d'origine agricole nous a permis de conclure que la matière organique n'a pas d'effet significatif sur l'adsorption du nitrate.

Ce projet vise à améliorer l’efficacité des marais à éliminer les éléments minéraux présents dans les effluents provenant de cultures de tomates hors sol. Selon nos résultats, les ssh végétalisés de Typha latifolia et combinés avec un apport en carbone ont rendu plus efficace le traitement des effluents de cultures en serre. De plus, parmi les trois types de marais à l’étude (ssh, ssv et sh), les ssh semblent être les mieux adaptés pour traiter des effluents très chargés en éléments minéraux. Toutefois, les émissions de GES ne sont pas à négliger dans les ssh. Afin d’accroître la performance de traitement en terme de charge polluante ionique, des marais en série devraient être utilisés. Selon l’un de nos essais, le traitement des effluents par trois ssv en série a éliminé efficacement les différents minéraux en dessous de la limite permise au Québec.