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.

Cette thèse porte sur la variabilité spatio-temporelle de sous-produits chlorés de la désinfection (SPD), plus spécifiquement les trihalométhanes (THM) et les acides haloacétiques (AHA), ainsi que du temps de séjour (TDS) dans un réseau de distribution en eau potable (RDEP) à l’échelle du quartier résidentiel. La réalisation de cette thèse a nécessité l’étude d’un secteur résidentiel du RDEP de la ville de Québec ayant une aire d’environ 2 km2 et habitée par près de 6000 citoyens. Le premier chapitre est une revue de littérature abordant le chlore résiduel libre ainsi que les concentrations en SPD dans les RDEP, le suivi de la qualité de l’eau, la modélisation des TDS et l’impact du vieillissement et de la réhabilitation des conduites des RDEP sur le TDS et la qualité de l’eau. Le deuxième chapitre porte spécifiquement sur l’analyse de la variabilité spatio-temporelle du chlore résiduel libre, des THM, des AHA et du TDS. Une dimension dominante est identifiée entre les aspects spatial et temporel de la variabilité pour le chlore et les SPD à l’aide de modèles linéaires mixtes généralisés. Ensuite, le potentiel du TDS comme indicateur de la qualité de l’eau au niveau du chlore résiduel libre, des THM et des AHA est analysé par un test des rangs signés de Wilcoxon. Dans le troisième chapitre, une analyse de sensibilité des TDS est effectuée en considérant différents scénarios hydrauliques. Les scénarios considérés sont un vieillissement additionnel ainsi que la réhabilitation des conduites afin d’évaluer leur effet sur le TDS par rapport à un scénario de référence représentant le meilleur état de connaissance du secteur étudié. Une mise en perspective de ces effets sur le TDS par rapport à la concentration en chlore résiduel libre est aussi effectuée. Finalement, l’impact de l’incertitude des paramètres hydrauliques (diamètre, coefficient de rugosité, demandes en eau) sur les TDS est étudié par des simulations Monte-Carlo. / The objective of this thesis is to evaluate the spatial and temporal variability of chlorinated disinfection by-products (DBPs), more specifically trihalomethanes (THM) and haloacetic acids (HAA), and the residence time of water (RT) in a water distribution network (DN) on the scale of a residential neighborhood. A specific residential area in the DN of Quebec City was chosen in order to conduct this study. This area covers approximately 2 km2 and is inhabited by nearly 6000 citizens. The first chapter of this thesis is a literature review addressing free residual chlorine as well as THMs and HAAs concentrations in DNs, monitoring of water quality, modeling of RT and the impact of aging and rehabilitation of pipes on RT and water quality. The second chapter focuses specifically on the analysis of the spatial and temporal variability of free residual chlorine, THMs, HAAs and RT. This variability is studied and a dominant dimension between the spatial and temporal aspect is identified for residual chlorine, THMs and HAAs using generalized linear mixed models. Then, the potential of RT as a water quality indicator for residual chlorine, THMs and HAAs is analyzed by a Wilcoxon signed ranks test. In the third chapter, a sensitivity analysis of RT is performed with different hydraulic scenarios. The scenarios considered are additional aging and rehabilitation of pipes to assess the effect on RT relative to a reference scenario representing the best state of knowledge of the studied area. The effects on RT are also studied in the context of their potential impact on free residual chlorine concentrations. Finally, the impact of the uncertainty of hydraulic parameters (diameter, roughness factor, water demand) on RT is investigated with Monte-Carlo simulations.

Pour différentes raisons dont l'amélioration de la santé publique et un souci économique, il est important d'optimiser le fonctionnement des usines de production d'eau potable. Les présents travaux avaient pour objectif l'optimisation d'un système de coagulation, floculation et décantation à flocs lestés qui constitue la première étape de nombreux systèmes conventionnels de traitement d'eau actuels. Le premier sous-objectif de ce projet a porté sur le test d'un outil expérimental, le jartest, réalisé avec du microsable. Cette étude a été réalisée à l'usine de traitement d'eau (UTE) de Québec secteur centre. Le second objectif a visé le suivi ainsi que le développement d'outils d'analyse de données et de performance de deux (2) systèmes réels de décantation à flocs lestés. Dans la première partie de l'étude, les résultats obtenus montrent que les absorbances UV (Abs. UV) des eaux décantées (ED) mesurées en jartests représentent bien les performances en usine mais que cela n'est pas le cas en termes de turbidite. Ces résultats montrent aussi que la reproductibilité des jartests est bonne en termes d'Abs. UV mais qu'elle est mauvaise en termes de turbidite. L'intérêt pratique de tels jartests est donc pour l'instant limité. La seconde étude a été un suivi des systèmes de décantation des UTE de Québec secteur centre et de Charny pendant environ un an. L'analyse des données collectées révèle que l'abattement de la turbidite à l'ED dépend de la turbidite à l'eau brute (EB). qui varie très significativement pendant l'année. Le suivi des comptes de bactéries sporulantes aérobies (BSA) montre que la décantation à flocs lestés permet un abattement des BSA d'environ 1 log, ce qui indique un enlèvement significatif des parasites dans cette première étape de traitement. D'autre part, une modélisation par réseaux neuronaux qui permet une prédiction du dosage d'alun et de chaux a été réalisée. Cet outil pourrait, dans le futur, assister les opérateurs dans les ajustements de dosages de produits chimiques. Une approche pour mesurer la robustesse d'un système de traitement d'eau est également proposée. Cette approche est basée sur un indicateur de performance existant qui est mis en relation avec un nouvel indicateur qui caractérise la variabilité de la qualité de l'affluent. Ce dernier indicateur permet aussi de comparer différentes sources d'eau. Cette approche d'évaluation de la robustesse est appliquée et testée sur l'abattement de la turbidite dans les décanteurs à flocs lestés des deux UTE considérées dans la présente étude.

Le traitement de l'eau permet à tout un chacun d'avoir de l'eau potable simplement en ouvrant le robinet. Pourtant, un nombre grandissant de consommateurs préfère boire de l'eau embouteillée. Les raisons de ce choix sont essentiellement esthétiques et en lien étroit avec les goûts et les odeurs. Cette préférence se manifeste notamment parmi les citoyens de Sainte-Foy, ville dont le réseau est alimenté par le fleuve Saint-Laurent. La présente étude a pour objectifs de comprendre ce qui peut engendrer ces problèmes organoleptiques. Pour ce faire, un suivi des paramètres physicochimiques et un profil des qualités esthétiques de l'eau ont été effectués, au moyen d'un groupe témoin de dégustation (panel), en plusieurs points du réseau de la ville de Sainte-Foy ainsi qu'à l'usine de traitement. Or, les principaux problèmes qui ont été retenus résident dans les goûts et les odeurs de chlore. Par conséquent, la mise en relation des pôles analyses et perceptions devait permettre de comprendre pourquoi ces problèmes étaient présents et comment ils évoluaient. Ainsi, de cette opération, la seule certitude mise en lumière se retrouve en début de réseau où il est nettement clair que l'acide hypochloreux est responsable des odeurs de chlore, et ce, durant toute l'année. En ce qui concerne les autres points du réseau, des composés autres que ceux étudiés dans cette recherche interviendraient de 40 à 50 % dans la responsabilité de ces odeurs de chlore. Le reste se partage entre l'acide hypochloreux et la trichloramine. En conséquence, les problèmes de goût et d'odeur seraient dus à une contribution partagée entre plusieurs composés présents dans l'eau. Cependant, tous ces composés n'ont pas fait l'objet de cette recherche.

L'étude s'intéresse à la bactérie Legionella pneumophila (Lpn) dans les biofilms des affluents du lac du Bourget. Elle confirme le caractère ubiquiste de cette bactérie, principalement sous sa forme non cultivable. Elle met aussi en évidence, le caractère local des facteurs naturels de régulation : seule la température de l'eau intervient dans la majorité des sites. Ce déterminisme local a aussi été mis en évidence avec l'étude du réseau hydrographique aixois qui reçoit à la fois des eaux thermales et celles de la rivière Le Tillet. Les perturbations thermique et chimique liées aux arrivées d'eau chaude sont détectables jusqu'à la partie aval du réseau. L'effet d'enrichissement des apports en Lpn qui leur correspondent reste localisé ce qui peut être la manifestation de processus naturels d'autoépuration. Nos résultats montrent également un comportement différent des organismes du groupe des Pseudomonas et des bactéries apparentées vis-à-vis des caractéristiques physico-chimiques. Des expériences effectuées en réacteurs biologiques ont montré qu'une augmentation de la vitesse ou de la température de l'eau est favorable à la présence de Lpn. Un modèle de transport de charges a été construit à partir duquel une gestion de l'utilisation du jet d'eau situé à proximité de la plage municipale d'Aix-les-Bains pourrait être faite pour tenir compte des périodes durant lesquelles des fragments de biofilms susceptibles de contenir des Lpn sont transportés en masse par le réseau aixois en direction de la plage. / The study concerns the occurrence of the bacteria Legionella pneumophila (Lpn) in biofilms from Lake Bourget tributaries. It confirms the ubiquity of the bacteria in flowing waters, but mainly as viable but non culturable state. It highlights that main environmental control factors are local, at the exception of water temperature which is involved in most studied sites. Local control of biofilms development has also been demonstrated in the study of the Aix-les-Bains hydrological network which receives hot springs water and water from the Tillet river. Thermal and chemical disturbances induced by hot waters entrances could still be detected at the farthest downstream part of the network. Biofilms enrichment in Lpn related to theses incomings kept localized possibly due to self-purification processes. Our results depict different answers of microorganisms like Pseudomonas and related bacteria towards physicochemical characteristics. Two experiments were performed based on biological reactors, showing that increases of water temperature or water flow, both enhance Lpn concentration. An hydrological transport model has been designed to serve the management of a waterspout sited by the Aix-les-Bains beach. It is written especially to address periods where biofilms transport holding high Lpn concentrations should be avoided.

Le bon usage des antibiotiques en réanimation est un véritable défi. Le sepsis et l’épuration extra-rénale peuvent modifier le comportement des anti-infectieux exposant le patient au risque de sous ou de surdosage. Une meilleure compréhension des altérations liées au sepsis et aux défaillances d’organe permet d’adapter les posologies d’antibiotiques. L’augmentation des posologies d’antibiotiques est nécessaire à la phase initiale du sepsis en raison d’un volume de distribution augmenté. Les adaptations posologiques vont ensuite dépendre des propriétés physico-chimiques de l’anti-infectieux plus que du type d’épuration extra-rénale appliquée. La modélisation pharmacocinétique de population couplée à des simulations de Monte Carlo est une approche pharmaco-statistique élaborée permettant de définir pour une population spécifique les paramètres influençant la PK de l’antibiotique et de prendre en considération la variabilité inter-individuelle. Cette analyse permet également de tester différents schémas posologiques pour un antibiotique donné afin de déterminer la posologie optimale en fonction de différentes fonctions d’organe et selon la susceptibilité des germes traités. La prescription individualisée faisant appel à des logiciels de modélisation PK/PD pourrait permettre à l’avenir d’optimiser l’utilisation des antibiotiques tant en terme d’efficacité que de toxicité tout en limitant l’émergence de résistance. / Prescribing antibiotics in an appropriate way is a massive challenge for the intensivists. Sepsis and renal replacement therapy may alter antibiotics pharmacokinetics exposing critically ill patients to under or overdosing. A better understanding of sepsis and organ failure related alterations could help optimizing antibiotic drug dosing. Increased dosing regimens are often necessary at the early phase of sepsis due to increased volume of distribution. Dosing adjustment will then depend on the physicochemical properties of the anti-infective agent rather than renal replacement therapy modalities. A population pharmacokinetic analysis coupled to Monte Carlo simulations consists in a pharmaco-statistic approach aiming to identify covariates influencing antibiotics PK and to consider inter-individual variability. This analysis allows testing different dosing scenarios to determine the optimal dosing regimen according to different levels of organ dysfunction and according to pathogen susceptibility. Individual drug dosing optimisation, using PK/PD modelling software could improve antibiotic efficacy while limiting antibiotic-related toxicity and antimicrobial resistance.

Les eaux de ruissellement routier constituent une problématique due principalement à la circulation routière. Dans certains pays des sels de déglaçage sont répandus sur les routes pendant l’hiver et ceci ajoute d’autres contaminants à cette problématique. Pour traiter ces eaux de ruissellement il a été proposé d’utiliser un marais épurateur construit (MEC) couplé à un lit filtrant. Étant donné le taux de salinité élevé de ces eaux, il a également été suggéré de se servir d’espèces halophytes (plantes qui accumulent les sels) pour le MEC. Le lit filtrant serait composé de calcite, un minéral qui adsorbe le phosphore. L’un des objectifs de cette étude est de déterminer la faisabilité d’un traitement par MEC avec des espèces halophytes en évaluant d’abord les conditions optimales nécessaires pour la croissance des espèces sélectionnées (Atriplex patula, Salicornia europaea, Spergularia canadensis, Typha augustifolia), et leur capacité d’accumulation des sels. Des essais-pilotes menés en serres sont ensuite réalisés à partir des valeurs optimales de ces facteurs. L’autre objectif est d’étudier la capacité d’adsorption par la calcite en fonction de la concentration de phosphore initiale, du temps et de la présence ou non de métaux dans l’eau. Ces caractéristiques nous permettent de définir les paramètres d’essais d’adsorption menés dans des colonnes qui nous permettront de formuler des recommandations quant à la conception du lit filtrant. Les essais-pilotes ont permis d’atteindre des taux d’enlèvement de chlorure et de sodium allant jusqu’à 97 % selon l’espèce halophyte considérée. Les plus hauts taux d’enlèvement ont été constatés dans le cas des unités pilotes d’Atriplex patula. Il a été observé que les adsorptions de phosphore par la calcite ont atteint 1,7 mg P/g de calcite. Les résultats des essais en colonne ont présenté des réductions des concentrations allant jusqu’à 64 %. Cependant le traitement pourrait être meilleur à grande échelle. Des suggestions de recherches futures pour l’amélioration de ces traitements sont présentées en conclusion. / Road runoff is a worldwide problematic, mainly due to metals and hydrocarbon released by cars. Certain Nordic countries like Canada add other contaminants to this chemical mixture by spreading de-icing salts on their roads during winter. With the goal of treating high salt concentration road runoff, it has been proposed to use a constructed wetland coupled with a packed bed filter. Halophytic plants (plants able to accumulate salts) have been suggested as the constructed wetland vegetation. The packed bed filter would be filled with calcite, a phosphorus adsorbant material. The first objective of this thesis was to determine the feasibility of a treatment by constructed wetlands with halophytic plants. Our methodology consisted in evaluating the optimal conditions (1) for the growth of the selected species (Atriplex patula, Salicornia europaea, Spergularia canadensis and Typha augustifolia) and (2) for NaCl accumulation. Those results have been used to design 16 pilot tests by our laboratory. The second objective was to study the phosphorus adsorption capability of calcite as a function of the initial phosphorus concentration, time, temperature and the presence of metals. Adsorption was then tested in column tests. Constructed wetland pilots resulted in chloride and sodium reduction rates from 0 to 97 % depending on the species. The calcite presented adsorptions of active phosphorus up to 1.7 P/g mg of calcite. The results of the column tests allowed a 64 % removal of phosphorus. Saturation of calcite has been reached in a few hours. Treatment could be improved on a large scale device. It is recommended to place the packed bed filter after the MECA and to the follow the design parameters: 1) nutrition complement in the substrate, 2) water level close to the soil surface, 3) a residence time of one week and 4) different basins to be able to optimize the phytoremediation capabilities of the selected species. Packed bed filter should have a residence time of two hours and a calcite of 0.317 cm granulometry. Suggestions for future research to improve treatment system are presented in the conclusion section.

Certains épisodes de contamination, autant chimique que bactériologique, ont été très médiatisés et ont éveillé la population face à l’enjeu de la qualité de l’eau potable qui lui est livrée par ses municipalités. Depuis quelques années, le suivi en continu de la qualité de l’eau a commencé à prendre sa place dans les stratégies de surveillance de la qualité de l’eau dans les réseaux de distribution. Ce portrait de l’utilisation du suivi en continu de la qualité de l’eau potable est basé sur une enquête par questionnaire, distribuée à l’ensemble des municipalités opérant un réseau de distribution d’eau potable (810 municipalités). L’analyse descriptive des données montre que le type de source d’eau et la taille de la population influencent le plus l’utilisation du suivi en continu. L’analyse multivariée fait ressortir l’utilisation de la filtration et de la désinfection comme catalyseurs d’utilisation du suivi en continu. Les répondants ont signifié comme facteurs favorisant l’utilisation du suivi en continu la rapidité d’exécution des équipements et la possibilité de créer un portrait de base de la qualité de l’eau. Comme facteurs limitant l’utilisation du suivi en continu, ils ont cité les coûts élevés des équipements, le trop faible risque de contamination et dans certains cas, l’absence d’une obligation réglementaire d’utiliser la technologie. Tous ces facteurs d’utilisation du suivi en continu sont aussi influencés par la règlementation aux articles 5, 22 et 22.1 du Règlement sur la qualité de l’eau potable du Québec (RQEP). Le portrait a permis d’identifier certaines lacunes du suivi de la qualité de l’eau potable et d’évaluer la conformité aux normes de suivi en continu du RQEP. / Chemical and bacteriological contamination of drinking water has been highly publicized through the media and has raised public awareness of drinking water quality in municipal utilities. Online and real-time monitoring of drinking water quality has grown in popularity in the last few years, carving its place in drinking water quality surveillance. This portrait of the use of online monitoring of drinking water quality is based on a survey conducted in all of Quebec municipalities that operate a drinking water utility (810 municipalities). Descriptive analysis of the data has shown that source type and population size as the main factors influencing the use of online monitoring. Multivariate analysis added the use of filtration and disinfection in the water treatment process as main factors of the use of online monitoring. Respondents mentioned early warning capabilities and water baseline creation possibilities as reasons encouraging the use of online monitoring. High cost, low contamination risk and, in some cases, absence of regulation as reasons discouraging the use of these technologies. All of these factors and reasons are influenced by legislation, specifically articles 5, 22 and 22.1 of Province of Quebec’s Drinking Water Quality Regulation (DWQR). The portrait has identified some problems in drinking water quality monitoring and has made possible an evaluation of online monitoring regulations contained in the DWQR.

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.