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.

Titre de l'écran-titre (visionné le 9 mai 2023) / La thèse suivante examine la conversion du CO₂ à partir d'énergie solaire en utilisant des photocatalyseurs, qui est considérée comme l'un des techniques les plus intéressantes pour résoudre les problématiques du réchauffement climatique et de la crise énergétique. Il convient de souligner que cette thèse propose trois nouveaux composites hybrides nanostructurés pour la réduction photocatalytique du CO₂. La récolte de la lumière, la séparation des charges et les réactions de surface sont des aspects critiques qui ont un impact énorme sur la photoréduction du CO₂. Les cadres organiques covalents (COF) sont des candidats appropriés pour ces processus car ils offrent des caractéristiques et des propriétés structurelles exceptionnelles. De nombreux photocatalyseurs nanostructurés sont activement développés pour la photoréduction du CO₂. Les nanostructures multidimensionnelles et les hétérostructures sont largement étudiées en raison de leurs excellents attributs tels que la séparation efficace et la longue durée de vie des porteurs de charges. De manière prometteuse, les nanostructures et les nanocomposites des cadres organiques covalentes avec le graphène et ses dérivés, les dichalcogénures métalliques et les matériaux plasmoniques présentent d'excellentes performances photocatalytiques, selon des études de la littérature. D'abord, un cadre organique covalente, à base de céto-énamine TpPa-1 et de nanofeuillets d'oxyde de graphène réduit (rGO en anglais), a été développé par la technique d'assemblage in situ pour la photoréduction du CO₂ sous la lumière du soleil. Les interactions covalentes entre TpPa-1 et le rGO ont facilité la formation des bandes avec le potentiel requis, ainsi qu'une séparation de charge améliorée et une migration rapide des porteurs de charges vers la surface pour la réduction sélective du CO₂. Le médiateur électronique [Co(bpy)₃]²⁺ a servi pour apporter sites actifs pour la coordination, l'activation et la réduction des molécules de CO₂ en CO. De plus, un cadre organique covalente (COF) nanosphérique creux à base de TpPa-1, intégrée à un atome unique de Co-1T-MOS₂ (TpPa-1/Co-1T-MOS₂), a été conçu et développé via une stratégie à double ligand pour ajuster le potentiel des bandes et améliorer la séparation des charges afin d'optimiser l'efficacité de la photoréduction du CO₂. Les interactions entre TpPa-1 et Co-1T-MoS₂ ont facilité et amélioré la séparation des charges ainsi que la migration des porteurs de charge vers la surface, ce qui a entraîné une conversion sélective du CO₂ en CO. Finalement, les nanoparticules plasmoniques Au adhérés à une structure organique covalente tridimensionnelle, à base de porphyrine creuse (COF-366-Co) et avec un atome unique de Co (COF-366-Co[indice (H)]/Au), augmentent considérablement l'efficacité de la photoréduction du CO₂. Le nanocomposite conçu utilise le transfert d'électrons énergétiques induit par le plasmon, une meilleure collecte de lumière et des réactions de surface facilitées pour conduire les réactions redox photocatalytiques. Le nanocomposite développé (COF-366-Co[indice (H)]/Au) a montré une activité prometteuse vis-à-vis de la réduction photocatalytique du CO₂ sous irradiation à la lumière visible, qui a produit CO à un taux allant jusqu'à ~1200 µmolg⁻¹h⁻¹ et avec une sélectivité de 98 % sur H₂. / The ensuing thesis examines the conversion of carbon dioxide (CO₂) to value-added chemical and fuels under solar light irradiation by employing some of the emerging photocatalytic materials known as covalent organic frameworks (COFs). This approach of photocatalytic process is considered to be one of the most viable remedies to global warming and energy crisis dilemmas. Importantly, this thesis delivers three novel nanostructured hybrid composites based on COFs for photocatalytic CO₂ reduction to value-added chemicals and fuels. Light-harvesting, charge separation, and surface reactions are critical aspects that have an enormous impact on CO₂ photoreduction. Covalent organic frameworks can be suitable candidates for these processes as they offer outstanding structural features and properties. Diverse nanostructured photocatalysts are actively being developed for CO₂ photoreduction. Multidimensional nanostructures and nanocomposite heterostructures are widely studied because of their excellent attributes such as efficient separation and long lifetime of the excited charge carriers. Promisingly, nanostructures and nanocomposites of the covalent organic frameworks with graphene and its derivatives, metal dichalcogenides and plasmonic materials exhibit excellent photocatalytic performance, according to the literature reports. In this investigation, a keto-enamine TpPa-1 covalent organic framework and reduced graphene oxide nanosheet nanocomposite are developed by an in-situ assembling technique. The covalent interactions between TpPa-1 and rGO facilitated the formation of band edges with required potential and thereby to achieve an improved charge separation along with rapid migration of charge carriers to the surface toward the selective reduction of CO₂. By the support of the electron mediator [Co(bpy)₃]²⁺ in the hybrid served as the active sites for the coordination, activation, and reduction of CO₂ molecules to CO. A hollow nano spherical TpPa-1 covalent organic framework (COF) integrated with single atom Co-1T-MoS₂ (TpPa-1/Co-1T-MoS₂) is further designed and developed through a dual-ligand strategy to tune the band edge potential and enhance the charge separation to improve CO₂ photoreduction efficiency of the system. The interactions between TpPa-1 and Co-1T-MoS₂ aided and enhanced the charge separation as well as charge carrier migration to the surface resulted in selective conversion CO₂ to CO. Au plasmonic nanoparticles adorned three-dimensional hollow porphyrin-based covalent organic framework with Co single atom (COF-366-Co[subscript (H)]/Au) is developed via dual-ligand strategy and post-synthetic metallization method and found that this system significantly boosted up the CO₂ photoreduction efficiency. It utilizes the plasmon-induced energetic electron transfer, enhanced light harvesting, and surface reactions to drive the photocatalytic redox reactions. The developed COF-366-Co[subscript (H)]/Au exhibited fine activity toward photocatalytic CO₂ reduction under visible light irradiation, which yielded the CO at a rate up to ~1200 µmolg⁻¹h⁻¹ with a selectivity of 98% over H₂.

Les résidus de bois génèrent de grands volumes de lixiviat par percolation ou suite à des activités manufacturières de transformation. Ce lixiviat contient souvent de fortes concentrations de composés phénoliques qui sont des contaminants environnementaux, classés disrupteurs endocriniens dont la gestion et le traitement appropriés s'imposent pour réduire les impacts environnementaux associés. Cette thèse traite les aspects de ce défi environnemental en contribuant à déterminer les mécanismes en présence lors du procédé de traitement de ces lixiviats par biofiltration aérée. L'évaluation de l'efficacité du traitement nécessitent le développement de méthodes de détection et d'analyse rapides, précises et reproductibles pour quantifier avec précision les composés phénoliques ce qui est l'un des premiers défis rencontrés lors de l'étude. Dans un premier temps, une méthode d'analyse a été développée et validée. Des analyses par chromatographie liquide (LC) avec détection ultraviolette (UV) et préparation d'échantillons par extraction en phase solide (SPE) sur des cartouches Oasis HLB ont été réalisées et adaptées pour quantifier huit composés phénoliques prioritaires dans le lixiviat de résidus de bois. La méthode a été validée sur une solution synthétique simulant le lixiviat de bois, puis sur le lixiviat réel enrichi à 1 µg mL⁻¹. La méthode développée et validée a été appliquée pour quantifier les composés phénoliques dans le lixiviat réel. Les courbes d'étalonnage étaient linéaires pour tous les composés dans l'intervalle de 1 à 30 µg mL⁻¹, et des taux de récupération élevées variant entre 93,5 % pour le 2-chlorophénol et 112,8 % pour le 4-nitrophénol ont été obtenues. Les limites de détection variaient de 0,06 µg L⁻¹ pour le 2-chlorophénol à 0,129 µg L⁻¹ pour le phénol. La méthode proposée réduit les interférences, le bruit de fond, le temps d'analyse, la quantité de solvants organiques et est moins coûteuse par rapport aux autres méthodes. Ensuite des essais en batch ont été réalisées pour comprendre et clarifier le mécanisme de sorption des composés phénoliques dans les lixiviats des résidus de bois par la tourbe en tant que media. Les mécanismes ont été étudiés séparément par isolement de chacun et le mécanisme de sorption a été suivi dans la présente étude en inhibant le processus biologique. L'étude cinétique a montré que la capacité maximale de sorption était atteinte entre 20-24 h à 10°C, et entre 16-20 h à 20°C ; Cependant, c'est pendant les premières heures que le processus de sorption est élevé. La capacité maximale de sorption a été évaluée à 68,5 mg/kg (57,87% de la concentration initiale) pour les composés les plus polaires : 4-nitrophénol, phénol et 2-chlorophénol, et à 35,2 mg/kg de tourbe pour les composés les moins polaires tels que 2,4-diméthylphénol dans des conditions de pH 4 et à 10°C. Les méthodes biologiques sont efficaces, innovantes et économiques. En particulier, le procédé de biofiltration qui présente divers avantages par rapport aux autres technologies (CAS et MBR). Deux filtres pilotes, avec et sans activité biologique ont été conçus pour suivre en continu les mécanismes. Cette étude suppose que les trois mécanismes de volatilisation, sorption et biodégradation sont présents, confirme ces hypothèses et détermine la contribution de chaque mécanisme. Une bonne efficacité a été obtenue dans le biofiltre et 97 % et 98,2 % de l'élimination de la DCO et de la DBO ont été observées, respectivement. D'excellentes performances ont été obtenues et ont atteint 99,9 % d'élimination des concentrations initiales pour tous les composés phénoliques. / Wood residues generate large volumes of leachate through percolation or following manufacturing transformation activities. This leachate often contains high concentrations of phenolic compounds which are environmental contaminants, classified as endocrine disruptors, which must be managed and treated appropriately to reduce the associated environmental impacts. This thesis deals with aspects of this environmental challenge by helping to determine the mechanisms involved in the treatment process for these leachates by aerated biofiltration. To evaluate the treatment with accuracy, the development of rapid, precise and reproducible detection and analysis methods is required to accurately quantify phenolic compounds, which is one of the first challenges encountered during the study. First, an analysis method was developed and validated. Liquid chromatography (LC) analyzes with ultraviolet (UV) detection and solid phase extraction (SPE) sample preparation on Oasis HLB cartridges were performed and adapted to quantify eight priority phenolic compounds in wood residue leachate. The method was validated on a synthetic solution simulating wood leachate, then on real leachate enriched at 1 μg mL⁻¹. The developed and validated method was applied to quantify phenolic compounds in real leachate. Standard curves were linear for all compounds in the range of 1 to 30 μg mL⁻¹, and high recoveries ranging from 93.5% for 2-chlorophenol to 112.8% for 4- nitrophenol were obtained. Detection limits ranged from 0.06 μg L⁻¹ for 2-chlorophenol to 0.129 μg L⁻¹ for phenol. The proposed method reduces interferences, background noise, analysis time, amount of organic solvents and is less expensive compared to other methods. Then batch tests were carried out to understand and clarify the mechanism of sorption of phenolic compounds in wood residue leachate by peat as media. The mechanisms were studied separately by isolation of each and the sorption mechanism was followed in the present study by inhibiting the biological process. The kinetic study showed that the maximum sorption capacity was reached between 20-24 h at 10°C, and between 16-20 h at 20°C; However, it is during the first hours that the sorption process is high. The maximum sorption capacity was evaluated at 68.5 mg/kg (57.87% of the initial concentration) for the most polar compounds: 4-nitrophenol, phenol and 2-Chlorophenol, and at 35.2 mg/Kg peat for less polar compounds such as 2,4-dimethylphenol under conditions of pH 4 and 10°C. Biological methods are effective, innovative and economical. In particular, the biofiltration process which has various advantages over other technologies (CAS and MBR). Two pilot filters, with and without biological activity, were designed to continuously monitor the mechanisms. This study assumes that the three mechanisms of volatilization, sorption and biodegradation are present, confirms these hypotheses and determines the contribution of each mechanism. Good efficiency was achieved in the biofilter and 97% and 98.2% removal of COD and BOD were observed, respectively. Excellent performance was obtained and achieved 99.9% removal of initial concentrations for all phenolic compounds.

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.

L'objectif de ce travail est d'étudier et de modéliser le comportement de l'azote pour un procédé de traitement résidentiel d'eau usée. Une unité pilote d'un système BionestMD traitant des eaux grises et noires installée dans les locaux de la compagnie produisant le procédé a été étudiée. Celle-ci comportait une fosse septique ainsi qu'un réacteur biologique à support fixe, dont une partie est aérée. La sortie de ce réacteur était en partie recirculée vers l'entrée de la fosse. Un suivi sur plusieurs semaines de plusieurs paramètres (DCO, NH₃/NH₄⁺, O₂...) a été effectué quotidiennement et/ou hebdomadairement sur chaque entrée et sortie ainsi que dans chaque étape du traitement. Le suivi a été réalisé à la fois en fonctionnement normal, en surcharge ainsi qu'en fonctionnement sans recirculation. La modélisation est quant à elle réalisée à l'aide du logiciel de simulation GPS-XTM. Les différentes étapes du traitement réel y sont représentées par un décanteur primaire (fosse) ainsi qu'un réacteur hybride, permettant la croissance fixe et suspendue (réacteur). Une étude de sensibilité a été réalisée pour cerner quels paramètres influencent le plus les prédictions du modèle. Celui-ci a par la suite été calé en comparant les résultats obtenus sur le pilote sous différents régimes à ceux simulés. Les résultats obtenus montrent que le système étudié élimine habituellement totalement l'azote ammoniacal, hormis lors des journées où la charge à traiter est particulièrement élevée. Les mesures de DCO ainsi que des MES effectuées à l'effluent du système ont également toujours été très faibles avec des moyennes de 16 et 3 mg/L (valeurs maximales de 58 et 6 mg/L), malgré des valeurs moyennes à l'entrée de 260 mg/L et 207 mg/L respectivement. Le modèle construit et calé montre également une bonne fidélité par rapport aux valeurs mesurées sur le pilote en sortie de chaque étape du traitement, avec une précision un peu moins bonne pour les nitrates. La modélisation semble donc pour le moment être un bon outil pour faciliter la compréhension et l'étude des performances d'un système de traitement résidentiel des eaux usées.

Les systèmes de traitement des eaux usées (les réseaux d'égouts urbains et les Stations de Récupération des Ressources de l'Eau (StaRRE)) font face à des défis considérables. L'accentuation des changements climatiques et l'émergence de nouvelles maladies infectieuses poussent les régulateurs à resserrer les permis d'assainissement et demander l'extraction de plus de ressources des eaux usées. Simultanément, de nouvelles méthodes de collecte d'information sont développées, qu'il s'agisse de nouveaux capteurs ou de nouvelles méthodes d'analyse. Ces nouvelles technologies produisent des données qui peuvent aider les systèmes d'assainissement à atteindre leurs objectifs. Cependant, pour qu'elles soient utilisables, il est essentiel que les données captées soient adéquatement traitées, nettoyées, gérées, interprétées et mobilisées. Dans les dernières années, des efforts considérables ont été déployés pour bien exploiter les données issues des eaux usées dans deux secteurs en particulier : au sein des StaRRE pour la création de 'jumeaux numériques' -- des modèles servant à simuler en temps-réel l'état des systèmes d'assainissement afin d'en améliorer le contrôle et l'opération -- et au niveau des réseaux d'égouts pour la surveillance du virus SARS-CoV-2 dans les eaux usées des populations. Cette thèse de doctorat porte sur le point d'intersection entre les StaRRE et la surveillance épidémiologique des eaux usées : leur soif de données de bonne qualité et suffisamment contextualisées pour être utilisables. La thèse commence avec une revue de littérature pour chaque domaine couvrant leur utilisation des données. Les efforts réalisés pour améliorer l'utilisation des données de la StaRRE pil*EAU*te(une StaRRE à l'échelle pilote située à l'Université Laval), sont alors présentés. La thèse décrit ensuite les efforts déployés pour créer un modèle de données pour l'organisation et l'interprétation des données de surveillance épidémiologique des eaux usées (WBE), le PHES-ODM. Un exemple de mobilisation de données de WBE pour le support à la décision en santé publique à l'aide de l'apprentissage automatique est alors présenté. / Wastewater systems, including sewer networks and Water Resource Recovery Facilities (WRRFs), face significant challenges due to urbanization, accelerating climate change, and new infectious diseases. These pressures demand stricter sanitation permits and more intensive resource extraction, demands that are compounded by a shortage of qualified workers in industrial economies. Advancements in data collection techniques, such as sensors and analysis protocols, can aid sanitation systems in meeting these challenges with the vast amounts of data they generate. However, to be valuable, this data must be properly processed, cleaned, managed, and interpreted. Considerable efforts have been made to utilize data from sanitation systems, particularly in two key areas: the creation of 'digital twins' in WRRFs to simulate real-time treatment processes for improved operation, optimization and control, and the use of Wastewater-Based Epidemiology (WBE) in sewer systems in response to the SARS-CoV-2 pandemic. This Ph. D. thesis investigates the critical intersection between WRRFs and WBE systems, emphasizing their need for high-quality, contextualized, and actionable data. The research begins with a literature review of each domain, applying the concept of data pipelines to wastewater systems and identifying bottlenecks that hinder knowledge creation. The pil*EAU*te pilot wastewater treatment plant at Université Laval serves as a testing ground for innovative metadata-aware data manipulation tools. The focus then shifts to the WBE domain, where a data model for storing and organizing data and metadata -- the Public Health Environmental Surveillance Open Data Model -- is developed. The final section explores how Wastewater-Based Epidemiology data, combined with machine learning, can support short-term decision-making in epidemic scenarios.

Les éclosions virales constituent des menaces persistantes pour les établissements de soins. En plus de compromettre la santé des usagers, du personnel et des visiteurs, ces éclosions représentent d'énormes défis de gestion des ressources humaines, matérielles et financières. La pandémie de SRAS-CoV-2 sévissant depuis plus d'une année a mis en lumière la méconnaissance du rôle de l'air dans la transmission des virus. Des technologies de traitement de l'air pourraient contribuer au contrôle des virus aérosolisés et éventuellement à la protection des occupants des milieux de soins. Dans le cadre de ce doctorat, une stratégie de traitement de l'air utilisant l'ozone a été testée pour inactiver des bioaérosols viraux. Afin d'obtenir un portrait de la contamination aérienne en milieu hospitalier, une campagne d'échantillonnage a été menée lors de trois éclosions d'influenza. Enfin, la production d'aérosols pendant le traitement d'échantillons en laboratoire clinique a été examinée. Dans la première étude, le norovirus murin ainsi que les bactériophages PhiX174, Phi6, PR772 et MS2 ont été nébulisés dans une chambre d'aérosols rotative et exposés à un traitement de l'air utilisant l'ozone à différents niveaux d'humidité relative. Le norovirus murin a été exposé à 0,23 ppm d'ozone et à 20% et 85% d'humidité relative alors que les bactériophages ont été exposés à 1,13 ppm d'ozone et à trois humidités relatives, soit 20%, 55% et 85%. Pour tous les virus, des temps d'exposition de 10, 40 et 70 minutes ont été évalués. Ce traitement a été comparé à une condition de référence, qui consistait en une exposition à l'air. Les aérosols ont été récupérés à l'aide d'un échantillonneur d'air et les virus ont été quantifiés en culture et par biologie moléculaire. Des ratios infectieux ont été calculés afin de déterminer la réduction de l'infectiosité virale attribuable au traitement à l'ozone. Une inactivation d'au moins deux ordres de grandeur a été observée après 40 minutes d'exposition à l'ozone à 85% d'humidité relative pour PhiX174, MS2 et MNV-1. Une exposition à la condition de référence à 20% d'humidité relative pendant 10 minutes a été suffisante pour une inactivation similaire des bactériophages PR772 et Phi6. Ce même traitement de l'air a ensuite été évalué pour l'inactivation d'aérosols d'influenza et du virus respiratoire syncytial. Toutefois, dans le cas de ce second virus, la perte d'infectiosité lors des procédés d'aérosolisation et d'échantillonnage était trop importante pour pouvoir l'exposer à l'ozone. Concernant l'influenza, des concentrations d'ozone de 0,23 et 1,70 ppm ont été testées à des niveaux faibles et élevés d'humidité relative. Deux suppléments, l'un de nature lipidique et l'autre de nature protéique, ont été ajoutés au lysat viral afin de quantifier l'effet protecteur qu'ils pourraient procurer aux virus aérosolisés. Une condition sans supplément a aussi été testée à des fins de comparaison. Une exposition pendant 80 minutes à une concentration d'ozone de 1,70 ppm combinée à une humidité relative élevée a engendré la meilleure inactivation, soit une réduction de quatre ordres de grandeur, pour les aérosols sans supplément ou additionnés de supplément protéique Lors de la troisième étude, l'air d'un milieu hospitalier en contexte d'éclosion grippale a été échantillonné à trois reprises. L'efficacité de récupération de trois appareils, dont deux fonctionnant à haut débit et un à bas débit, a été évaluée. Cette campagne a révélé une variabilité des concentrations aériennes d'influenza A et B entre les éclosions. Bien que des concentrations maximales de l'ordre de 10⁵ copies d'ARN/m³ aient été détectées, aucun virus infectieux n'a été quantifié. Finalement, la génération d'aérosols pendant le traitement d'échantillons sanguins et urinaires dans un laboratoire clinique de biochimie a été examinée. Les employés redoutaient de produire des aérosols contenant du SRAS-CoV-2 infectieux à partir d'échantillons récoltés chez des patients infectés par la COVID-19. Pour ce projet, une culture liquide d'une bactérie modèle a été employée en remplacement des échantillons cliniques. Trois méthodes de collecte ont été utilisées pour évaluer la production d'aérosols, soit le prélèvement d'air par un appareil standard, l'emploi de boîtes indicatrices et l'écouvillonnage de surfaces. Aucune bactérie n'a été récupérée par ces trois méthodes d'échantillonnage, ce qui indique que les procédures de traitement étudiées n'ont produit qu'une faible quantité d'aérosols. / Viral outbreaks are recurring threats to healthcare facilities. While putting the health of users, staff and visitors at risk, these outbreaks represent enormous challenges in the management of human, material and financial resources. The SARS-CoV-2 pandemic. The SARS-CoV-2 pandemic, which has been raging for more than a year, has highlighted the misunderstanding of the role of air in the transmission of viruses. Air treatment technologies could contribute to the control of airborne viruses and eventually to the protection of healthcare occupants. During this doctoral program, an air treatment strategy using ozone was assessed for the inactivation of viral bioaerosols. To obtain a global portrait of airborne contamination in a hospital environment, an air sampling campaign was conducted during three influenza outbreaks. At last, the aerosol production during sample treatment in a clinical laboratory was examined. In the first study, murine norovirus and bacteriophages PhiX174, Phi6, PR772 and MS2 were nebulized in a rotative aerosol chamber and exposed to an air treatment using ozone at different relative humidity levels. The murine norovirus was exposed to 0.23 ppm of ozone and 20% and 85% of relative humidity while the bacteriophages were exposed to 1.13 ppm of ozone and three relative humidity: 20%, 55% and 85%. For all viruses, exposure times of 10, 40 and 70 minutes were evaluated. This treatment was compared to a reference condition, which was air exposure. The aerosols were collected with an air sampler and viruses were quantified using both culture and molecular biology. Infectious ratios were calculated to determine the viral infectivity reduction that was attributable to ozone. An inactivation of at least two orders of magnitude was obtained for an ozone exposure of 40 minutes at 85% of relative humidity for PhiX174, MS2 and MNV-1. Exposure to the reference condition at 20% of relative humidity for 10 minutes was sufficient for a similar inactivation of bacteriophages PR772 and Phi6. The same air treatment was then evaluated for the inactivation of influenza or respiratory syncytial virus aerosols. However, the infectivity loss of the respiratory syncytial virus during aerosolization and sampling processes was too elevated for ozone exposure. For influenza, ozone concentrations of 0.23 and 1.70 ppm were tested at low and high relative humidity levels. Two supplements, one lipid-based and the other protein-based were added to the viral lysate to quantify their protective effect for airborne viruses. A condition without a supplement was also tested for comparison purposes. Exposure to 1.70 ppm of ozone at high relative humidity for 80 minutes yielded the greatest inactivation, which was a reduction of four orders of magnitude for aerosols without supplement or with the protein-based supplement. In the third study, the air in a hospital environment during influenza outbreaks was sampled three times. The collection efficiency of three air samplers, two high flowrate and one low flowrate, was evaluated. This campaign revealed a variability between outbreaks in regards to airborne influenza A and B concentrations. While concentrations of up to 10⁵ RNA copies/m³ were detected, no infectious virus could be quantified. Lastly, aerosol generation during blood and urine sample treatment in a clinical biochemistry laboratory was examined. Employees feared producing infectious SARS-CoV-2 containing aerosols from samples collected from COVID-19 infected patients. For this project, a liquid culture of a model bacteria was employed to replace clinical samples. The sampling methods were used to evaluate aerosol production: air sampling using a standard device, the use of settling plates and surface swabbing. No bacteria were recovered by these three sampling methods, which indicates that the studied sample treatment procedures produce low quantities of aerosols.

L’augmentation rapide de la population mondiale et des pratiques industrielles et agricoles ont exacerbé l’épuisement des nutriments essentiels pour la croissance des plantes, phosphore en particulier, étant lui-même une ressource nonrenouvelable. Après des années d’exploitation agricoles et miniers écologiquement laxistes, la société se trouve coincée entre une pénurie croissante d'éléments nutritifs et la fréquence croissante de proliférations d'algues nuisibles (HAB) causées par la lixiviation de phosphore dans les systèmes aquatiques. Toutefois, ceci présente une opportunité de développer des nouvelles technologies permettant d'éliminer, de récupérer et de réutiliser le phosphore provenant de cours d'eau pollués. L'une de ces technologies est l'adsorption nano-renforcée. Cette étude a évalué le potentiel de désorber le phosphore d'une résine échangeuse d'ions hybridée avec des nanoparticules d'oxyde de fer pour quatre solutions de régénérations différentes en utilisant une approche de plan d’expériences. Des nouvelles solutions de régénération utilisant un mélange KOH / K2SO4 et une solution alcaline de NH4OH se sont révélées comparables à la solution "témoin" de KOH et de H2SO4. Parmi les 4 méthodes de régénération étudiées, la solution de NH4OH présente le potentiel le plus élevé car il s’agit d’un déchet valorisé. Son efficacité de désorption est comparable à celle de la solution de contrôle et elle n’a démontré aucune perte de la longévité de la résine après cinq cycles d’adsorption et de désorption. Sur la base des données du plan d’expériences, une série de modèles de régression a été développée pour permettre de mieux comprendre la concentration de phosphore attendue d'un processus de régénération, en tenant compte de la chimie de régénération, du volume de traitement, de la vitesse de rinçage et de la résistance de la solution alcaline. Les solutions de post-désorption de régénération riches en nutriments semblent prometteuses pour une utilisation ultérieure. Les travaux futurs devraient inclure le développement de modèles de procédé afin de mieux comprendre les mécanismes de cette désorption. Dans l’ensemble, la technologie d’adsorption nano-améliorée offre une solution rentable et durable au problème du phosphore dans les applications de traitement des eaux usées à travers le monde. / Rapid increases in the world’s population and to-date industrial and agricultural practices have exacerbated the depletion of essential nutrients in today’s society. After years of environmentally lax agricultural and mining processes, society finds itself trapped between increasing nutrient shortage and the increased frequency of harmful algal blooms (HABs) caused by phosphorus leaching into water systems. New technologies that allow for removal and subsequent recovery and reuse of phosphorus from polluted streams is imperative. One such technology is nanoenhanced adsorption, which may allow to produce a valuable nutrient-rich solution upon desorption of the saturated media. This study evaluated the potential of four regeneration chemistries to desorb phosphorus from a commercially available ion exchange resin hybridized with iron-oxide nanoparticles using a Design of Experiments (DoE) approach. Novel regeneration solutions using a KOH/K2SO4 blend and a recovered NH4OH alkaline solution proved to be comparable to the "control" solution of KOH and H2SO4. Among the four regeneration methods studied, using the NH4OH solution shows the highest potential because: i) it is a valorized waste stream, ii) it showed a desorption efficiency comparable to the control solution, and iii) it did not demonstrate any dampening of the resin longevity after five adsorption and desorption cycles. Based on the DoE data, a series of regression models was developed to generate understanding with regard to expected phosphorus concentration from a regeneration process considering the regeneration chemistry, the treatment volume, the rinse speed, and the strength of the alkaline solution. Nutrient-rich regeneration solutions post-desorption show promising for subsequent use as hydroponic fertilizers or precursors for the P fertilizer industry. Future work should include the development of mechanistic process models to gain an even better understanding of the mechanics behind the desorption. Overall, the nano-enhanced adsorptive technology proposes a cost-effective and sustainable solution to the phosphorus problem in wastewater treatment applications across the globe.

Les impacts environnementaux majeurs de l'agriculture sont associés à l'eutrophisation des eaux de surface causée par un enrichissement excessif en nutriments (azote et phosphore) et à la contamination des eaux souterraines par les ions nitrate. L'objectif principal de ce projet de doctorat est l'utilisation de matériaux mésoporeux fonctionnalisés à base de silice pour l'adsorption des ions phosphate et nitrate contenus dans des solutions acqueuses synthétiques simulant les effluents d'origine agricole. Trois matériaux mésoporeux (MCM-41, MCM-48 et SBA -15) fonctionnalisés avec des groupements ammonium par la technique de greffage et de co-condensation ont été synthétisés, caractérisés puis testés en mode discontinu. Les conditions opératoires ont été optimisées aussi en mode discontinu. L'équilibre et la cinétique d'adsorption ont été modélisés. Finalement, l'adsorption des ions nitrate et phosphate a été menée en mode d'écoulement continu pour simuler les conditions opératoires à l'échelle industrielle.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2014-2015 / Au cours des dernières décennies, la photocatalyse par les semiconducteurs a été intensivement étudiée pour une grande variété d'applications, y compris la production d'hydrogène à partir de la dissociation de l'eau et la décomposition des polluants dans l'air et l'eau. Actuellement, TiO2 est le matériau photocatalytique le plus largement étudié en raison de son faible coût et ses propriétés physiques et chimiques exceptionnelles. Cependant, la rapide recombinaison électron-trou et son absorption dans la région de l’ultra-violet le rendent inefficace sous la lumière du soleil. Cette thèse vise à développer des photocatalyseurs efficaces à base de TiO2 en appliquant différentes stratégies telles que le contrôle de la morphologie des nanoparticules de TiO2, le couplage du TiO2 avec des métaux et d’autres semi-conducteurs, et l'optimisation de la porosité des photocatalyseurs. Nous avons mis au point une méthode de synthèse solvo-thermique pour produire des nanocristaux de TiO2 hautement cristallins de différentes formes, tel que rhombique, sphérique, et sous forme de tige. Les nanocristaux TiO2 obtenus ont ensuite été décorés par des clusters d'Ag de taille contrôlée pour former des hybrides Ag-TiO2 ayant une performance photocatalytique supérieure à celle du photocatalyseur conventionnel Ag-TiO2-P25. Nous avons également développé une technique non-hydrolytique pour la synthèse de nanodisques uniformes de TiO2 de diamètre contrôlé entre de 12 nm et 35 nm. Ces nanodisques ont ensuite été utilisés comme blocs de construction pour la synthèse des photocatalyseurs multi-composants solubles dans l'eau à base de CdS-Titanate-Ni; ces derniers sont très actifs pour la production d'hydrogène grâce à leur absorption efficace de lumière visible et leur séparation efficace d’électrons et trous. Finalement, nous avons construit un assemblage tridimensionnel ordonné de nanosphères creuses de coquille mince de Au/TiO2, en utilisant les blocs de construction de nanodiques de titanate. Ces photocatalyseurs présentent non seulement une surface spécifique très élevée, mais aussi un comportement photonique et une diffusion multiple de la lumière, ce qui améliore significativement l'absorption de la lumière visible. Ces nanosphères creuses de structure ordonnée tridimensionnelle présentent une activité photocatalytique induite par la lumière visible, étant plusieurs fois plus élevée que celle des nanopoudres conventionnelles d’Au/TiO2. / Semiconductor photocatalysis has been intensively studied over the past decades for a wide variety of applications including hydrogen production from water splitting and decomposition of pollutants in air and water. Currently, TiO2 is the most widely investigated photocatalytic material because of its low cost and outstanding physical and chemical properties. However, its fast electron-hole recombination and light absorption only in ultra-violet region make it inefficient working under sunlight. The goal of the research presented in this thesis is to design efficient TiO2 based photocatalysts by applying various strategies encompassing controlling the morphology of TiO2 particles, coupling TiO2 with metals, and other semiconductors and optimizing porosity of the photocatalysts. We have developed a solvothermal synthetic method for producing highly crystalline TiO2 nanocrystals with various shapes, such as rhombic, spherical, and bar. The obtained TiO2 nanocrystals were then decorated with size-controlled Ag clusters to form Ag-TiO2 hybrids which exhibit superior photocatalytic performance in comparison to conventional Ag-TiO2-P25 photocatalyst. We have also developed a nonhydrolytic technique for the synthesis of uniform titanate nanodisks with controlled diameter in the range of 12 nm to 35 nm. These nanodisks were then used as building blocks for the design of water-soluble CdS–Titanate–Ni multicomponent photocatalysts which are highly active for hydrogen generation due to their effective visible light absorption and efficient charge separation. Finally, we have constructed a three-dimensional ordered assembly of thin-shell Au/TiO2 hollow nanospheres from titanate nanodisk building blocks. The designed photocatalysts exhibit not only a very high specific surface area but also photonic behavior and multiple light scattering, which significantly enhances visible light absorption. As a result, Au/TiO2 hollow nanospheres with three-dimensional ordered structure exhibit a visible-light-driven photocatalytic activity that is several times higher than conventional Au/TiO2 nanopowders.