Ce mémoire regroupe en grande partie les informations relatives à un projet de maîtrise de la Chaire de Recherche en eau potable de l'Université Laval. Son objectif principal est de développer un outil de prédiction des concentrations en chlore résiduel libre (CCRL) sur plusieurs quartiers de la Ville de Québec à l'aide d'un modèle hydraulique. Plusieurs campagnes d'échantillonnage ont été réalisées durant l'année 2009 afin de mesurer les CCRL et d'étudier leurs variations spatiale et saisonnière. Un modèle calé sur une étude au traceur a permis de connaître les temps de séjour de l'eau (TDS), l'un des paramètres clefs de la cinétique de dégradation du chlore libre en réseau de distribution. Il a été observé que d'autres paramètres coimne les indicateurs de matière organique naturelle (MON), la température de l'eau ou l'âge des conduites ont une influence sur cette cinétique; un modèle a été élaboré en conséquence. Ce modèle a permis de rendre compte du lien étroit entre les TDS et les CCRL ainsi que des zones à faibles CCRL où la vulnérabilité du consommateur est plus forte.

Des peptides bioactifs ont déjà été fractionnés par électrodialyse avec membrane de filtration (ÉDMF) à partir d’hydrolysats de sous-produits de crabe des neiges. L’optimisation des paramètres apparaît maintenant indispensable pour perfectionner le procédé. Ainsi, le taux de migration des peptides, leur sélectivité et l'évolution des paramètres électrodialytiques ont été étudiés pour différents paramètres (configuration, concentration en KCl et types de champ électrique). La configuration (2) de la cellule d’ÉDMF comprenant deux compartiments d'alimentation et un compartiment de récupération a démontré des valeurs de champ électrique local relativement stables par rapport à la configuration (1) constituée d’un compartiment d’alimentation et de deux compartiments de récupération. Des peptides contenant des glutamates, des aspartates, et des glycines ont été séparés avec la configuration 1 et des peptides composés d’arginines et de lysines avec la configuration 2. Un taux de migration peptidique de 13,76 ± 3,64 g/m2h a été obtenu par le maintien constant de la conductivité des solutions. La sélectivité a été accrue en augmentant la concentration en KCl de 1 à 5 g/L dans le compartiment de récupération. Une augmentation de la force ionique a amplifié la charge de surface, agrandissant ainsi la taille effective des pores et réduisant la couche d'hydratation de la membrane d’ultrafiltration. Toutefois, les membranes échangeuses d’anions et de cations ont été colmatées par des peptides et des acides aminés et détériorées pendant l’ÉDMF. Pour résoudre ces problèmes, l’effet de l’application du champ électrique pulsé (PEF) et de l'inversion de polarité (PR) a été étudié. Le taux de migration des peptides n'a pas été affecté sauf avec PR à 40 V. La sélectivité a été maximale avec PEF à 20 V. La dissociation de l'eau a été réduite tout en conservant les propriétés physico-chimiques des membranes grâce à l’application du PEF et de la PR par rapport au courant continu (DC). En outre, la plus faible quantité d'énergie a été consommée avec le PEF. Par conséquent, il a été possible d’optimiser la technologie d’ÉDMF du point de vue de l’efficacité énergétique, de la sélectivité peptidique et de l’encrassement membranaire grâce à l’application du PEF et tout en maintenant la conductivité électrique des solutions. / Bioactive peptides were efficiently separated by using electrodialysis with filtration membrane (EDFM) from snow crab byproduct hydrolysate. Meanwhile, optimization of parameters is indispensable for scaling-up. The peptide migration rate and selectivity as well as evolution of electrodialytic parameters were studied with different parameters such as EDFM cell configuration, KCl concentration and type of electric field. The EDFM stack with two feed and one recovery compartments (configuration 2) has relatively stable electric field strengths (local) than the configuration with one feed and two recovery compartments (configuration 1). Peptides containing anionic amino acids: glutamic and aspartic acid as well as glycine and cationic amino acids: arginine and lysine were fractionated using configuration 1 and 2, respectively. Maintenance of solution conductivity upheld the local electric field and peptide migration throughout the treatment resulting in a higher peptide migration rate of 13.76±3.64 g/m2.h never observed so far. The selectivity of cationic peptides containing arginine and lysine increased significantly with increase in KCl concentration from 1 to 5 g/L. An increase in ionic strength amplified the surface charge density of filtration membrane subsequently increasing effective pore size and reducing hydration layer. However, both anion- and cation-exchange membranes were fouled by peptides and amino acids and were deteriorated during EDFM treatment. To address these problems, the effect of applying pulsed electric field (PEF) and polarity reversal (PR) was studied. The peptide migration rate was unaffected among PEF, PR and DC modes except with PR at 40 V. The selectivity of cationic peptides was maximum with PEF at 20 V. Fouling and water dissociation were significantly reduced and physicochemical properties of IEMs were better-protected with PEF and PR than DC. Moreover, the least amount of energy was consumed with PEF mode. Therefore, the parameters affecting EDFM process were optimized in terms of energy efficiency, selectivity and lower deterioration of membranes by applying PEF regime with configuration 2 and maintaining the constant electrical conductivity of solutions.

Les procédés de séparation membranaire peuvent servir à produire de l'eau potable à partir de l'eau de surface puisqu'ils permettent d'enlever les particules inertes en suspension, les colloïdes organiques et les micro-organismes pathogènes. L'implantation de tels procédés passe par le contrôle du colmatage des membranes. Or, les cinétiques de colmatage dépendent de la qualité de l'eau à filtrer, des membranes utilisées et des conditions d'opération. La présente étude, à l'échelle de laboratoire, consiste à comparer le colmatage en ultrafiltration en écoulement frontal, en ultrafiltration en écoulement tangentiel et en nanofiltration en écoulement tangentiel d'eaux de surface naturelles et altérées. Cette étude s'inscrit dans une série d'études qui vise finalement une meilleure compréhension des mécanismes de colmatage, le développement d'un indicateur de colmatage et le développement de prétraitements à la nanofiltration. Les résultats font ressortir l'impact des altérations des eaux, du prétraitement et des conditions d'opération sur la cinétique du colmatage, sur les divers taux de séparation et sur l'efficacité des différents lavages des membranes.

Titre de l'écran-titre (visionné le 5 septembre 2023) / Les industries minières génèrent vraiment des quantités importantes de déchets et de sous-produits qui peuvent contenir des éléments traces et des métaux lourds. Ces sous-produits et déchets sont des sources importantes de pollution de l'air, de l'eau et du sol, qui peuvent finalement affecter les ressources en eau. Diverses techniques physiques et chimiques sont employées pour éliminer les polluants du sol et de l'eau ; cependant, ces méthodes s'avèrent souvent coûteuses, laborieuses et peuvent altérer la composition des micro-organismes du sol. La phytoremédiation, une technologie verte, est une méthode rentable pour éliminer les métaux lourds des sols et des eaux contaminés. Les objectifs de cette thèse étaient : (i) d'examiner le rôle des macrophytes des zones humides dans la bio accumulation des métaux lourds comme moyen de décontamination des écosystèmes aquatiques ; (ii) d'évaluer le biochar produit par pyrolyse de la biomasse de macrophytes des zones humides et de inoculant microbiens comme bio-amendements de rejets miniers aurifères alcalins, et (iii) d'évaluer l'opinion et les perceptions des experts quant à l'acceptabilité sociale de la technologie d'hydrophytoremédiation par l'utilisation des plantes des zones humides au Canada, ainsi que la gestion de la gestion de la biomasse après récolte. Dans le chapitre 1, nous avons cherché à évaluer le potentiel de trois types de macrophytes émergents pour effectuer la phytofiltration du Cu à partir de sédiments contaminés par le Cu et de l'eau avec des concentrations variables de Cu (0, 50, 100, 150 et 200 μM). Pour simuler un écosystème naturel de zone humide, nous avons mené une étude en mésocosme en serre en utilisant des conditions expérimentales semi-hydroponiques et hydroponiques. Nous avons sélectionné trois types de plantes indigènes au Québec, Canada : Typha latifolia, ainsi que Phragmites australis, sous-espèce americanus (Phragmite indigène au Canada) et Phragmites australis, sous-espèce australis (phragmite exotique). Nous avons obtenu dans ces plantes un facteur de translocation (FT) de Cu <1 et un facteur de bioconcentration (FBC) >1. De plus, nous avons observé une relation inverse entre des doses croissantes de Cu et la biomasse moyenne aérienne et souterraine, ainsi que la hauteur et la longueur des racines des plantes sélectionnées dans des conditions hydroponiques. Nos résultats suggèrent que ces macrophytes des zones humides pourraient potentiellement éliminer les métaux lourds des sédiments contaminés par le Cu et des eaux enrichies en Cu. Pour le chapitre 2, nous avons mené des recherches pour explorer l'efficacité de l'utilisation d'une approche globale pour phytocapter les résidus de la mine d'or de Desmaraisville. Plus précisément, cette approche consistait à amender les résidus fins (RF) et les résidus grossiers ou stériles (RG) avec du biochar, ainsi que des inoculants microbiens. La biomasse aérienne de P. australis récoltée lors d'une expérience semi-hydroponique a été convertie en biochar par pyrolyse. L'étude a été menée dans un environnement de serre contrôlé, où des conteneurs mésosomes ont été utilisés pour cultiver des semis d'arbres (Populus tremuloides ; Picea glauca) et des graines herbacées (Lotus corniculatus ; Festuca rubra). Pour étudier l'efficacité des amendements de biochar, trois types d'amendements de biochar ont été appliqués : Le biochar préparé à partir de P. australis (PB), le biochar commercial d'écorce d'érable Award-Maple-700 (CB) et un traitement contrôlé sans biochar (WB). Ces amendements ont été appliqués avec (IN) et sans (WI) inoculation microbienne et testés sur deux substrats distincts, à savoir les stériles (WR) et les résidus fins (FT). Sur la base de notre étude, l'utilisation d'amendements de biochar, en combinaison avec l'inoculation microbienne, pour la plantation d'espèces végétales spécifiques pourrait offrir une solution pratique pour la revégétalisation des résidus alcalins de mines d'or. Enfin, le chapitre 3 présente la perception des experts sur l'acceptabilité sociale de la technologie d'hydrophytoremédiation, à travers une enquête par questionnaire auprès des experts. Cette étude a utilisé la méthode Delphi pour recueillir les opinions des experts sur la faisabilité de l'utilisation des plantes des zones humides pour l'hydrophytoremédiation dans l'élimination de la contamination des métaux lourds des plans d'eau causée par les activités minières. Bien que la phytoremédiation soit une technique rentable et respectueuse de l'environnement, peu de recherches ont été menées sur son acceptabilité sociale. Selon les experts, l'utilisation de plantes de zones humides dans l'hydrophytoremédiation pour l'élimination des métaux lourds de l'eau affectée par l'exploitation minière est perçue comme une stratégie viable et efficace. En outre, tous les experts s'accordent à dire que les organismes de réglementation devraient être responsables de la protection des zones humides et de la gestion raisonnée de la biomasse contaminée après la récolte. Dans l'ensemble, la phytoremédiation pourrait être une approche prometteuse pour l'élimination des contaminants, qui nécessite des recherches supplémentaires pour assurer sa mise en œuvre sûre et socialement acceptable. En utilisant des techniques post-récolte appropriées, la phytoremédiation peut être une stratégie efficace pour remédier à la contamination par les métaux lourds dans les masses d'eau résultant des activités minières. / Mining industries generate significant amounts of waste and by-products that may contain trace elements and heavy metals. These by-products and wastes are significant sources of air, water and soil pollution, which can ultimately affect water resources. Various physical and chemical techniques are used to remove pollutants from soil and water; however, these methods are often costly, time-consuming and can alter the composition of soil microorganisms. Phytoremediation, a green technology, is a cost-effective method for removing heavy metals from contaminated soil and water. The objectives of this thesis were: (i) to examine the role of wetland macrophytes in the bioaccumulation of heavy metals as a means of decontamination of aquatic ecosystems; (ii) to evaluate biochar produced by pyrolysis of wetland macrophyte biomass and microbial inoculants as bio-amendments of alkaline gold mine tailings, and (iii) to assess expert opinion and perceptions of the social acceptability of hydrophytoremediation technology using wetland plants in Canada, as well as the management of post-harvest biomass. In Chapter 1, we sought to evaluate the potential of three types of emergent macrophytes to perform Cu phytofiltration from Cu-contaminated sediments and water with varying Cu concentrations (0, 50, 100, 150 and 200 μM). To simulate a natural wetland ecosystem, we conducted a greenhouse mesocosm study using semi-hydroponic and hydroponic experimental conditions. We selected three plants varieties occurring in Quebec, Canada: Typha latifolia, as well as Phragmites australis, subspecies americanus (native to Canada) and Phragmites australis, subspecies australis (exotic). We obtained in these plants a translocation factor (TF) of Cu <1 and a bioconcentration factor (BCF) >1. In addition, we observed an inverse relationship between increasing concentrations of Cu and the average above-ground and below-ground biomass, as well as root height and length of selected plants under hydroponic conditions. Our results suggest that these wetland macrophytes could potentially remove heavy metals from Cu-contaminated sediments and Cu-enriched waters. For Chapter 2, we conducted research to explore the effectiveness of using a comprehensive approach to phytocaping the Desmaraisville gold mine tailings. Specifically, this approach consisted of amending fine tailings (FT) and coarse tailings or waste rock (WR) with biochar, as well as microbial inoculants. Aboveground biomass of P. australis harvested in a semi-hydroponic experiment was converted to biochar by pyrolysis. The study was conducted in a controlled greenhouse environment, where mesocosm containers were used to grow tree seedlings (Populus tremuloides, Picea glauca) and herbaceous seeds (Lotus corniculatus; Festuca rubra). To study the effectiveness of biochar amendments, three types of biochar amendments were applied: Biochar prepared from P. australis (PB), commercial maple bark biochar Award-Maple-700 (CB), and a control treatment without biochar (WB). These amendments were applied with (IN) and without (WI) microbial inoculation and tested on two separate substrates, WR and fine tailings FT. Based on our study, the use of biochar amendments, in combination with microbial inoculation, for the planting of specific plant species could offer a practical solution for the revegetation of alkaline gold mine tailings. Finally, Chapter 3 presents the experts' perception of the social acceptability of the hydrophytoremediation technology, through a questionnaire survey of the experts. This study used the Delphi method to collect the experts' opinions on the feasibility of using wetland plants for hydrophytoremediation in removing heavy metal contamination from water bodies caused by mining activities. Although phytoremediation is a cost-effective and environmentally friendly technique, little research has been conducted on its social acceptability. According to experts, the use of wetland plants in hydrophytoremediation for the removal of heavy metals from water affected by mining is seen as a viable and effective strategy. In addition, all experts agree that regulatory agencies should be responsible for wetland protection and the sound management of contaminated biomass after harvesting. Overall, phytoremediation may be a promising approach for contaminant removal, which requires further research to ensure its safe and socially acceptable implementation. Using appropriate post-harvest techniques, phytoremediation can be an effective strategy to address heavy metal contamination in water bodies resulting from mining activities.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Les abreuvoirs pour l'abreuvement des bovins sont une source importante d'agents pathogènes qui réduisent la qualité de l'eau destinée à la consommation des animaux, favorisent la transmission d'agents pathogènes dans l'environnement et dans la chaîne de production. L'objectif de cette étude était d'évaluer le potentiel de différentes technologies de traitement de l'eau à réduire la contamination dans les abreuvoirs des fermes d'élevage vache-veau. Si les techniques conventionnelles comme la chloration, l'ozonation ou la sédimentation s'avèrent difficiles à implanter en milieu agricole étant donné leur coût d'installation, d'opération et d'entretien ou leur faisabilité technique (accès à l'électricité), l'utilisation de revêtements à base d'oxyde de titane (TiO₂) à la surface des abreuvoirs fabriqués majoritairement en acier inoxydable (SS) et en polyéthylène haute densité (HDPE), conjointement avec l'utilisation de la lumière diode électroluminescente LED UV-A, pourrait être une option alternative abordable pour la désinfection de l'eau d'abreuvement. Dans un réacteur photocatalytique, le potentiel de différents composites de TiO₂ et de différentes méthodes d'immobilisation ont été évalués par la réduction d'un indicateur d'oxydation (bleu de méthylène) pour la fabrication des matériaux revêtus de TiO₂. Le potentiel des matériaux revêtus de TiO₂ produits et soumis à la lumière LED UV-A a été évalué pendant un test de désinfection de 8 h. Des différences statistiquement significatives ont été notées pour les traitements (p < 0.05). L'évaluation de l'efficacité des traitements dans l'élimination de la bactérie étudiée Escherichia coli (E. coli; souche ATCC 8739) a permis d'obtenir les résultats suivants: 100 % d'efficacité pour l'acier avec le revêtement et l'activation par la lumière (SS-C-Light), 81,4% pour l'acier sans revêtement sous l'influence de la lumière (SS-Light), 63,9% pour le polyéthylène haute densité avec le revêtement et l'activation par la lumière (HDPE-C-Light) et 51,3% pour le polyéthylène sans revêtement sous l'influence de la lumière (HDPE-Light). Dans l'obscurité, il n'y a pas eu d'élimination des bactéries. Ces résultats démontrent le potentiel des matériaux revêtus de TiO₂ en présence de lumière LED UV-A pour la désinfection de l'eau d'abreuvement des bovins de boucherie à même l'abreuvoir. C'est une approche prometteuse à mettre en œuvre en vue de réduire le problème persistant de la contamination des abreuvoirs par E. coli. Toutefois, une optimisation du procédé de fabrication devra être fait. / Cattle water troughs are an important source of pathogens that reduce the quality of water for animal consumption, favor the transmission of pathogens in the environment and in the production chain. The objective of this study was to evaluate the potential of different water treatment technologies to reduce contamination in water troughs on cow-calf farms. Conventional techniques such as chlorination, ozonation or sedimentation are difficult to implement in agricultural environments due to their installation, operation and maintenance costs or their technical feasibility (access to electricity). The use of titanium oxide (TiO₂) coatings on the surface of water troughs made of stainless steel (SS) and high-density polyethylene (HDPE), in conjunction with the use of an ultraviolet light-emitting diode UV-A LED light, could be an alternative option for water disinfection. For this purpose, in a photocatalytic reactor, the potential of different TiO₂ composites and different immobilization methods was evaluated by reduction of an oxidation indicator (methylene blue) to produce TiO₂-coated materials. The potential of the produced TiO₂-coated materials subjected to UV-A LED light was evaluated during an 8 h disinfection test. Statistically significant differences were noted for the treatments (p < 0.05). The efficacy of the treatments in eliminating the test bacterium Escherichia coli (E. coli) (strain ATCC 8739) was ranked in the following order: 100% efficiency for steel with coating and light activation (SS-C-Light), 81.4% for steel without coating under the influence of light (SS-Light), 63.9% for high density polyethylene with coating and light activation (HDPE-C-Light) and 51.3% for polyethylene without coating under the influence of light (HDPE-Light). In the dark, there was no elimination of bacteria. These results demonstrated the potential of TiO₂-coated materials under the influence of UV-A LED light for the disinfection of cattle drinking water at the trough. This is a promising approach to reduce the persistent problem of E. coli contamination. However, the manufacturing process still needs to be optimized.

Cette thèse porte sur l'étude des caractéristiques réactives de la matière organique résiduelle (ROM) présente dans l'eau potable circulant dans un réseau de distribution. Le cas à l'étude est l'eau distribuée dans un réseau d'aqueduc de la Ville de Québec (Canada). La thèse est divisée en quatre volets. Le premier fait une revue de la littérature sur les origines de la matière organique naturelle (NOM), sur l'impact des conditions environnementales d'un écosystème lacustre, sur ses caractéristiques et son devenir tout au long de la filière de production d'eau potable. Elle fait également état des mécanismes et des processus pouvant affecter le devenir de la ROM lors de son séjour dans le réseau de distribution. Le second volet s'intéresse au portrait des caractéristiques réactives de la ROM en fonction de ses fractions constitutives. Il met en perspective l'impact des conditions opérationnelles sur les propriétés de la ROM. Les résultats démontrent que les différentes fractions constituant la ROM ont des caractéristiques réactives qui leur sont propres. Il s'avère que le regroupement de ces fractions engendre un effet de compétition entre elles, lorsque la ROM réagit avec le chlore. Les réactions qui se produisent en l'absence de compétition montrent que la matière organique hydrophile est un précurseur important de sous-produits de la désinfection. Le troisième volet traite de l'impact des saisons sur les caractéristiques réactives des fractions de la ROM dans l'eau de l'extrémité du réseau de distribution, selon les conditions de chloration, et sur les caractéristiques de la NOM ainsi que sur la capacité de la filière de traitement d'abattre celle-ci. Ainsi, on observe que la ROM présente à l'extrémité du réseau d'aqueduc présente un maximum de réactivité à l'automne et au printemps et un minimum de réactivité en été et en hiver. Le dernier volet présente l'évolution de la réactivité de la ROM dans le réseau. Plus spécifiquement, il vérifie l'impact du temps de séjour sur les caractéristiques réactives de la ROM. Les résultats présentés confirment que toutes les fractions de la ROM de la ROM. Les résultats présentés confirment que toutes les fractions de la ROM possèdent encore de bonnes habiletés à produire des sous-produits de la chloration et qu'elles sont peu ou pas affectées par le temps de séjour de l'eau à l'intérieur du réseau de distribution, et ce, comparativement à l'impact que peut avoir la post-chloration. / This thesis presents a study of the reactive characteristics of the remaining organic matter (ROM) found in water distribution systems. The case under study is the main distribution system of Quebec City. The thesis is divided into four chapters. The first one is a literature review on the origin of natural organic matter (NOM), the impact of the lacustrian environmental conditions on NOM characteristics and the fate of NOM within the water treatment process. This review also highlights the mechanisms and the processes that may impact ROM fate into the pipes. The second chapter focuses on the portrait of ROM reactivity on the basis of its constitutive fractions (e.g. hydrophobic, transphilic and hydrophilic). This portrait emphasizes how operational conditions, such as pH and applied chlorine dose, may impact characteristics of ROM and its fractions. The collected data show that ROM fractions have specific reactivity of their own. The gathering of ROM fractions leads to competitive reactions while ROM is reacting with chlorine.. In the absence of these competitive reactions, the results show that ROM hydrophilic fraction is a major disinfection by-product precursor. The third chapter investigates the seasonal portrait, through fractionation and variable chlorination conditions, of the NOM reactivity at the end of the distribution system. It highlights the impact of the seasons on NOM characteristics and on the efficiency of the treatment process. The results show that the ROM within the distribution system exhibits a higher reactivity during Fall and Spring, than during Summer and Winter. Furthermore, each ROM fraction has a specific seasonal reactivity pattern according to the chlorination conditions. The last chapter studies the evolution of ROM characteristics along the water distribution system. More specifically, the fourth chapter evaluates the impact of water residence time on the ROM reactivity. According to the collected data, ROM still has the ability to generate disinfection byproducts, regardless of the location in the distribution system. Furthermore, compared to the impact of post-chlorination on ROM reactivity, this ability does not appear to be affected in a significant way by the water residence time in the distribution system.

Cette étude a été menée dans le cadre d’un souci des nuisances olfactives présentes autour d’une usine de mélange et de stockage de bitume polymérisé. Le traitement par biofiltration des vapeurs émanant de ce bitume présente un défi particulier puisque cet effluent combine des composés odorants avec des composés organiques volatils (COV). L’objectif général de l’étude était de déterminer l’applicabilité de la biofiltration pour le traitement d’air chargé en vapeurs de bitume. Une analyse exhaustive des vapeurs de bitume a d’abord permis d’identifier plus de 100 composés. Cette analyse a ensuite été utilisée pour créer un mélange gazeux synthétique représentatif des vapeurs de bitume : H2S et cinq COV (hexane, décane, toluène, p-xylène et thiophène). Deux biofiltres pilotes ont alors été alimentés avec cet air vicié pendant une période de 106 jours. Le biofiltre 1 était un système simple en une étape et le biofiltre 2 était un système double en deux étapes distinctes. Les pilotes, d’un diamètre de 25 cm, étaient garnis sur 1 et 2 m avec un milieu organique pour obtenir des temps de résidence en fût vide de 36 et 72 secondes respectivement. Les résultats obtenus démontrent qu’une période d’environ 50 jours a été nécessaire pour atteindre le régime stationnaire. Les deux pilotes ont présenté de très bonnes performances épuratoires pour l’H2S; l’enlèvement quasi total de ce composé a été observé après quelques semaines et s’est maintenu pendant toute la durée subséquente de l’expérience. Par contre, le traitement des COV était nettement moins efficace. Le pilote 1 a seulement atteint une efficacité de 20% tandis le pilote 2 a atteint 60%. Les capacités épuratoires maximales ont été obtenues avec le pilote 2 et correspondent à 25 g•m-3•h-1 pour l’H2S et à 5,3 g•m-3•h-1 pour les COV. Ce projet a permis de démontrer le potentiel de la biofiltration pour le traitement simultané d’H2S et de COV. Il a également été possible d’établir certaines conditions d’opération nécessaire au bon fonctionnement du procédé et de déterminer qu’un système en deux étapes serait mieux adapté au traitement des vapeurs de bitume. / This study was carried out in response to odour problems around a polymer-modified bitumen mixing and storage plant. Biofiltration of these bitumen vapours presents an interesting challenge since they combine odorous substances with volatile organic compounds (VOCs). The general objective of this study was to determine the potential of biofiltration for the treatment of air containing bitumen vapours. By means of a detailed analysis of the bitumen vapours, it was possible to identify over a 100 compounds. This analysis was then used to create a synthetic gas which was representative of the bitumen vapours: H2S and five VOCs (hexane, decane, toluene, p-xylene and thiophene). Two pilot-scale biofilters were operated using this synthetic gas for a period of 106 days. Biofilter 1 was a single-stage system while biofilter 2 was a two-stage system. The biofilters, 25 cm in diameter, were filled with 1 and 2 m of an organic filter medium to obtain empty bed residence times of 36 and 72 seconds respectively. Results demonstrated that a period of about 50 days was necessary to reach a steady state. The two biofilters performed very well in regards to H2S; the complete removal of this compound was observed after a few weeks and was subsequently maintained for the rest of the experiment. However, VOC elimination was much less efficient. Biofilter 1 was only able to treat 20% of the inlet concentration while biofilter 2 removed 60%. Maximum elimination capacities of 25 g•m-3•h-1 for H2S and 5.3 g•m-3•h-1 for VOCs were obtained with biofilter 2. This project demonstrated the potential of biofiltration for the simultaneous treatment of H2S and VOCs. It was also possible to establish certain operating conditions necessary for proper operation and to determine that a two-stage system would be more efficient for the treatment of bitumen vapours.

L’utilisation d’oxydants, comme l’hypochlorite de sodium, est une stratégie très efficace en traitement de l’eau pour inactiver les microorganismes responsables de plusieurs maladies. Toutefois leur utilisation favorise également la formation de sous-produits de la désinfection (SPD), tels que les trihalométhanes et les acides haloacétiques. La présence d’iodure et de bromure dans l’eau brute peut également conduire à la formation d’autres familles de SPD, les trihalométhanes iodés (THMi) et les acides haloacétiques iodés (AHAi). Cette étude a comme objectif d’évaluer la variabilité des THMi et AHAi dans deux petits réseaux de distribution de la région de Québec (notés R1 et R2) ainsi que de mesurer l’enlèvement des THMi lors de l’utilisation de filtres domestiques. L’échantillonnage de l’eau s’est effectué entre juin et décembre 2017 sur différents points dans l’usine de traitement des eaux et dans le réseau de distribution. Pour le réseau R1, des concentrations moyennes de 2,99 μg/L en THM iodés et de 0,74 μg/L en AHA iodés sont observées, alors que la concentration maximale obtenue est de 4,02 μg/L pour les THM iodés et de 2,46 μg/L pour les AHA iodés. Des concentrations moyennes de 2,98 μg/L en THM iodés et de 0,51 μg/L en AHA iodés sont observées dans le Réseau R2, alors que la concentration maximale obtenue est de 4,05 μg/L pour les THM iodés et de 2,33 μg/L pour les AHA iodés. Les concentrations en THM iodés et en AHA iodés augmentent dans l’usine, particulièrement à la suite de la post chloration et du passage de l’eau par le bassin de contact. Les concentrations en THM iodés restent ensuite stables dans le réseau de distribution alors que celles des AHA iodés diminuent. De plus, l’enlèvement des THMi s’avère très efficace après la filtration de l’eau sur un filtre domestique de type BritaMD, avec un pourcentage d’enlèvement moyen de 100%. / The use of oxidants, such as sodium hypochlorite, is a very effective strategy in treating water to inactivate microorganisms responsible for several diseases. However, their use also favors the formation of disinfection by-products (SPD), such as trihalomethanes and haloacetic acids. The presence of iodide and bromide also allows the formation of other families of SPD, iodinated trihalomethanes (THMi) and iodinated haloacetic acids (AHAi). The purpose of this study is to evaluate the variability of THMi and AHAi in two small distribution networks in the Quebec City region (R1 and R2) and to measure the removal of THMi when using household filters. Water sampling took place between June and December 2017 at various points in the water treatment plant and in the distribution network. For the R1 network, mean concentrations of 2.99 μg / L in iodinated THM and 0.74 μg / L in iodinated AHA were observed, while the maximum concentration achieved was 4.02 μg / L for THMs. iodized and 2.46 μg / L for iodinated AHAs. Mean concentrations of 2.98 μg / L in iodinated THM and 0.51 μg / L in iodinated AHA were observed in Network R2, while the maximum concentration obtained was 4.05 μg / L for iodinated THMs. and 2.33 μg / L for iodinated AHAs. Iodine THM and iodinated AHA concentrations increase in the plant, particularly because of post-chlorination and passage of water through the contact basin. The iodinated THM concentrations then remain stable in the distribution network while those of the iodinated AHAs decrease. On the other hand, the removal of THMi is very effective after filtration of water on a BritaMD type household filter, with an average removal percentage of 100%.

Ce mémoire présente une méthodologie pour identifier des stratégies hydrauliques en réseau de distribution dans le but d’assurer des concentrations suffisantes de chlore résiduel en extrémités de réseau. La recherche a été réalisée en deux phases. La première consistait à identifier les zones de distribution de l’eau potable dans le réseau d’aqueduc à l’étude à l’aide d’une étude au traceur. La seconde phase du projet visait à prédire les concentrations de chlore résiduel en réseau de distribution ainsi que d’émettre des recommandations pour améliorer les concentrations de chlore résiduel en extrémités de réseau. Le secteur sélectionné pour l’étude est un quartier résidentiel de la ville de Québec alimenté en eau potable par deux sources : un réservoir situé en réseau et une usine de traitement de l’eau potable (UTE). Le système de distribution du secteur est caractérisé par la présence de nombreuses extrémités de réseau puisqu’il ne possède aucune interconnexion avec les réseaux limites au sud et à l’est. Les consommations étant faibles à ces endroits, les temps de séjour y sont élevés. De plus, le réseau est le dernier secteur à être desservi dans la partie à l’est de l’aire de distribution de l’UTE. Ces conditions mènent à une dégradation de la qualité de l’eau potable dans le système de distribution. La méthode proposée combine une caractérisation hydraulique, une étude au traceur ainsi qu’une étude de la qualité de l’eau pour identifier le patron de distribution de l’eau en réseau. Également, le modèle a été calé au niveau de l’hydraulique et de la qualité de l’eau potable à partir de données inédites sur la distribution de l’eau, les temps de séjour et la variabilité de la qualité de l’eau dans le réseau. Les données nécessaires au calage du modèle ont été obtenues à partir d’une campagne intensive d’échantillonnage. L’étude au traceur a été réalisée par injection d’une saumure de chlorure de calcium (CaCl2). Les résultats obtenus ont permis d’associer au réservoir les points d’échantillonnage dont la concentration en calcium a augmenté au cours de l’essai. Les hypothèses élaborées suite à l’étude au traceur ont été validées à partie des résultats d’une campagne de caractérisation de la qualité de l’eau effectuée simultanément. Cette validation a été rendue possible par les différences entre les valeurs de chlore résiduel aux deux entrées, dues au fait que l’eau provenant du réservoir y a été re-chlorée avant d’être acheminée dans le réseau de distribution. De plus, cette campagne a permis d’identifier la source d’alimentation en eau potable des points dont la concentration en calcium était demeurée constante au cours de l’essai au traceur. Par la suite, le calage du modèle a permis d’en augmenter les capacités prédictives jusqu’à un niveau jugé satisfaisant. Sur la base du modèle de qualité de l’eau, des stratégies hydrauliques ont été évaluées afin d’optimiser les concentrations en chlore résiduel en extrémité de réseau. Cinq groupes d’essais ont été explorés : (1) fermetures de vannes sur des conduites importantes, (2) ajout de pompe re-circulatoire avec injection d’une solution d’hypochlorite, (3) régulation de pression aux entrées du secteur, (4) ouverture d’une interconnexion avec le réseau limitant à l’est, et (5) combinaison des essais 2 et 4. Suite aux différentes simulations, deux stratégies hydrauliques se sont démarquées et des recommandations ont été émises. Celles-ci impliquent l’ajout d’une pompe re-circulatoire et l’injection d’une solution hypochlorite ainsi que l’ouverture d’une interconnexion avec le réseau limitant à l’est. / This Master’s project presents a methodology that can effectively identify distribution zones within a drinking water distribution network in order to ensure sufficient concentrations of residual chlorine at the dead-ends of a distribution system. The project was carried out in two phases. The first phase of the project consisted in identifying water distribution zones within the network with a tracer study. The second phase was designed to predict concentrations of residual chlorine within the distribution network, as well as make recommendations in hydraulic strategies to improve these concentrations in problematic areas of the network. The sector selected for the study is a residential district of Quebec City supplied with drinking water directly from the main supply pipes from the water treatment plant and by re-chlorinated water from a reservoir. The water distribution network is characterized by several dead-ends due to the absence of interconnexions with the bordering networks to the north and east and is also the last sector to be supplied on the eastern side of the plant’s service area. Unfortunately, water consumption is very low in these areas resulting in long standing time in the water pipes. These conditions lead to the degradation of water quality. The proposed methodology engages three strategies: a hydraulic characterization of the distribution network, a tracer study and a water quality characterization study. The hydraulic and water quality models were calibrated with original data characterizing the spatial and temporal water quality variations within the network. An intensive sampling campaign was conducted to obtain the necessary data for the calibration of the models. The tracer study was conducted by injecting CaCl2 brine at the reservoir outlet in order to increase calcium concentrations in water from the reservoir. It was then possible to associate sampling points at which calcium concentrations showed an increase during the test as being supplied by the reservoir. A water quality characterization study was conducted simultaneously with the tracer study, making it possible to validate the distribution zones identified. This validation was made possible by the difference between chlorine values at the two entry points: water from the reservoir has distinctively higher levels due to re-chlorination. In addition, it was possible to identify distribution zones at points where the calcium concentration had remained constant during the tracer test. Thereafter, the hydraulic and water quality models were calibrated satisfactorily providing a tool for evaluating hydraulic strategies to boost chlorine concentrations in problematic areas. Five types of hydraulic strategies were explored: (1) valve closures on major pipelines, (2) the addition of a re-circulating pump with chlorine injection, (3) the regulation of pressure at the main entry points of the sector, (4) the opening of an interconnexion with the east neighbouring network, and (5) a combination of strategies 2 and 4. Following the various simulations, two hydraulic strategies were more efficient than the others: the addition of a re-circulation pump with the injection of a hypochlorite solution and the opening of the interconnexion with the east neighbouring network.

La respirométrie est une discipline consistant en la mesure et l’interprétation du taux de respiration de microorganismes. Avec les années, cette technique est devenue un outil indispensable pour la caractérisation des boues activées et d’échantillons d’eau usée. En 2016, l’usine pilEAUte de l’Université Laval s’est doté d’un respiromètre en ligne du type RODTOX afin de caractériser l’effluent de son traitement primaire. Or, bien que les expériences réalisées automatiquement par le RODTOX soient riches en information, les données rendues accessibles aux utilisateurs du RODTOX par l’appareil sont plutôt pauvres. Des outils ont donc été développés dans le cadre de ce projet de maîtrise afin d’extraire du RODTOX les données brutes provenant de sa sonde d’oxygène dissous et analyser son signal. Cela a permis d’extraire des données de la sonde des estimations de la demande biochimique en oxygène à court terme (DBOct) de l’eau usée, ainsi que du taux de respiration exogène (OURex) de la boue activée et du coefficient de transfert de masse d’oxygène (KLa) du réacteur dans lequel le RODTOX réalise ses expériences. De plus, un modèle mathématique du RODTOX a été conçu, ce qui a permis l’estimation des certains coefficients biocinétiques de la boue activée du RODTOX. En retour, ces coefficients ont permis l’estimation de la part de la DBOct attribuable soit à la biodégradation des composés carbonés ou à celle des composés azotés. Ce document décrit le processus de développement de ces outils d’analyse du signal du RODTOX. S’ensuit une démonstration de leur efficacité et une discussion des aspects pouvant être améliorés dans l’avenir. Enfin, des usages potentiels pour les informations produites par le RODTOX et des outils employés pour décoder son signal sont suggérés. / Respirometry is the measurement and interpretation of the respiration of microorganisms. Over the years, this discipline has proven itself to be an invaluable tool for the characterization of activated sludge and wastewater samples. In 2016, Université Laval’s pilEAUte plant purchased a RODTOX on-line respirometer to characterize its primary effluent. Though the respirometric experiments performed by this machine are information-rich, the default output available to its users is very sparse. Thus, to take advantage of the experiments performed automatically within the RODTOX, tools were developed in the context of this M. Sc. study to extract the raw data produced by the RODTOX’s built-in dissolved oxygen sensor and process its signal. This allowed for the extraction of estimates of the wastewater’s short-term biochemical oxygen demand (stBOD), the activated sludge’s exogenous oxygen uptake rate OURex and the oxygen mass transfer coefficient (KLa) of the RODTOX’s built-in bioreactor. Additionally, a mathematical model of the RODTOX sensor was developed which enabled the estimation of some of the sludge’s biokinetic characteristics. This, in turn, has led to the estimation of the portions of stBOD attributable to carbonaceous and nitrogenous compounds, respectively. This document relates the development of these processing tools, the demonstration of their adequate performance and suggestions for future improvements. Then, prospective uses for the measurements produced by the RODTOX and its new processing tools are suggested.