Les rendements en production de canneberge ont augmenté de près de 20% durant la dernière décennie au Québec. Les nouvelles méthodes d’irrigation ont fortement contribué à cette croissance favorisant le développement des plants de canneberge dans un sol faiblement aéré. Cette étude visait à déterminer un seuil de potentiel matriciel (φm) pour lequel l’aération du sol devient insuffisante et affecte l’activité de la plante et les rendements. Un second objectif visait à déterminer un intervalle de valeurs de porosité d’air (θa) optimales pour les plants. Pour ce faire, six traitements ont été appliqués aléatoirement et répétés quatre fois sur 24 unités expérimentales. Les résultats indiquent qu’un φm supérieur au seuil de -2,2 à -3 kPa diminue significativement l’activité de la plante, conséquence d’une aération insuffisante du sol et ce, après une semaine seulement. Étonnement, ceci met en lumière la grande sensibilité de la canneberge face à un apport d’eau excessif.

Malgré leur fort développement en assainissement domestique urbain, les bioréacteurs à membranes (BaM) pâtissent de phénomènes de colmatage, induisant des coûts énergétiques et de maintenance importants. L’aération séquencée des membranes par des grosses bulles est l’une des stratégies pour limiter le colmatage ; son impact a fait l’objet de plusieurs études mais reste globalement mal compris, notamment du fait de la complexité de ces systèmes, multiphasiques et opaques. L’hydrodynamique des réacteurs reste mal caractérisée en présence de boues. Pour apporter des éléments de compréhension aux mécanismes de limitation du colmatage par injection d’air, un pilote de filtration membranaire semi-industriel (2 m3, 3 sous modules fibres creuses Puron®) a été conçu, dimensionné et installé sur l’unité de traitement des jus (TDJ) de la station d’épuration Seine Aval (SIAAP), afin d’être alimenté en boues biologiques dans des conditions réelles de fonctionnement. Le suivi des paramètres opératoires du pilote et de ses performances de filtration sur une période de 5 mois avait un double objectif : (i) mieux caractériser la dispersion du gaz pour différentes conditions de fonctionnement (paramètres de l’aération, concentration en boues de l’alimentation), (ii) hiérarchiser les facteurs qui limitent le colmatage des membranes. Il s’agit in fine de proposer des stratégies d’aération adaptées et efficaces pour limiter le colmatage. Afin de caractériser la dispersion du gaz dans le réacteur, une méthodologie innovante basée sur la tomographie de résistivité électrique (ERT) a été adaptée au pilote. Les conditions d’utilisation de l’ERT (nombre d’électrodes de mesure, séquence de quadripôles) ont été sélectionnées à travers une étude numérique, de même que les paramètres d’inversion nécessaires pour reconstituer la cartographie des résistivités à partir des mesures expérimentales. Cette étude numérique poussée, réalisée sous COMSOL, a permis de conclure à l’intérêt de la méthode pour représenter la distribution des phases dans la géométrie considérée. L’ERT a donc été appliquée au pilote alimenté en boues, pour différentes conditions d’aération. Le jeu de données de filtration a par ailleurs été analysé par logique floue, à l’aide du logiciel FisPro. Les arbres de décision obtenus, en analysant les résultats de manière globale et en les regroupant par conditions opératoires similaires, ont mis en évidence l’impact prépondérant des variables suivantes sur la dérive de perméabilité observée (comprise entre - 9 et 2 LMH/bar) : la différence de DCO entre le surnageant des boues et le perméat (DDCO) traduisant une phase colloïdale complexe, et la concentration en matières en suspension (MES), ayant toutes deux un impact négatif sur les performances de filtration. Une augmentation du débit d’air conduirait à une limitation de la dérive de perméabilité, sauf lorsque la variable DCO est élevée (> à 500 mg/L), cette hypothèse restant cependant à vérifier sur une base de données plus conséquente. Le modèle ainsi obtenu par logique floue permet de mieux simuler les évolutions de perméabilité que les modèles obtenus par régression linéaire multivariée (erreurs de 0,61 et de 0,70 respectivement), et ce malgré une incertitude relative importante sur la mesure de perméabilité (jusqu’à 16 %). Ces résultats sont cohérents avec la dispersion du gaz observée par ERT : son homogénéité dépend de la concentration en MES et du débit d’air injecté. A forte concentration en MES (6 – 10 g/L), des zones préférentielles de passage des bulles ont été observées, en particulier à faible débit d’air, expliquant ainsi un colmatage plus important. L’utilisation nouvelle dans ce contexte de ces techniques, ERT et logique floue, donne des résultats qui confortent l’intérêt d’adapter l’aération (débit, séquençage) aux caractéristiques des boues notamment leurs concentrations, et qui permettent d’envisager des stratégies de contrôle de ces paramètres

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

L’objectif de la thèse était de développer un procédé de traitement des lisiers de porc par zone humide artificielle (ZHA) adapté aux contraintes du climat méditerranéen ainsi qu’à celles des éleveurs porcins. Le lisier de porc présentant des teneurs en ammonium (NH4+) toxiques pour les espèces végétales, il a été nécessaire de prétraiter le lisier. Des expérimentations sur le prétraitement du lisier de porc par aération continue (30 jours) à petite (12 litres) et moyenne échelles (300 litres) ont donc été conduites, et ont permis une diminution des concentrations en NH4+ en dessous des seuils de tolérance végétale. Cependant, la volatilisation de l’ammoniac semble avoir été le processus majoritairement à l’origine des abattements observés (phénomène d'ihnibition). Afin d’améliorer la diminution du NH4+, des produits d’ensemencement microbiens commerciaux ont été utilisés sans que leur effet n'ait pu être mis en évidence. Lors des expérimentations à moyenne échelle, le lisier prétraité a été amendé en ZHA (mésocosmes constitués d’un filtre à écoulement vertical suivi d’un filtre à écoulement horizontal). La forte variabilité phénotypique en système expérimental des macrophytes sélectionnés et prélevés dans le milieu naturel environnant (Carex hispida, Typha latifolia, Carex cuprina, Iris pseudacorus, Alisma lanceolatum et Juncus effusus), a été illustrée. Lors des apports en lisier dans la ZHA, les espèces végétales ont répondu différement, soulignant l’intérêt des cortèges multi-spécifiques. Les premiers résultats épuratoires ont été probants. Cependant l’étude des processus épuratoires a mis en lumière la problématique de leur durabilité. / The aim of the thesis was to develop a treatment process of pig manure by constructed wetland (CW) and designed in order to be adapted to the Mediterranean climate constraints and those of pig farmers. However hog manure has concentrations above 2 g.l-1 of ammonium (NH4+), toxic to the plants. It is therefore necessary to establish a slurry pre-treatment step. The thesis has included experiments including pre-treatment of pig slurry by continuous aeration (30 days) to small (12 liters) and medium scale (300 liters). Commercial products for microbial seeding were also used. The results showed that the aeration of pig manure did allow lower concentrations of NH4+ below plant tolerance threshold. However, the ammonia volatilization process appears to be the leading cause behind the observed reductions (inhibition phenomenom). No effect could be demonstrated for microbial treatments. During meso-scale experiments, the CW was amended with the pre-treated slurry (mesocosms made of a vertical flow filter followed by a horizontal flow filter). As a first step, the high phenotypic variability of macrophytes (taken from the natural environment) in experimental system was illustrated and discussed. After manure application, the selected plant species (Carex hispida, Typha latifolia, Carex cuprina Iris pseudacorus, Alisma lanceolatum and Juncus effusus) have presented different responses, emphasizing the importance of multi-species selection for the CW. Finally, the first purifying results were conclusive. However the study of the underlying purifying processes has highlighted the issue of sustainability of these phenomena.

L'étude menée dans cette thèse avait pour but de développer et d'approfondir nos connaissances sur la relation entre le mouvement diffusif des gaz dans le sol et certaines propriétés physiques du sol, à trois niveaux d'observations : micro-, méso- et macroéchelle. À cette fin, cinq objectifs ont été définis : (1) micro-échelle - mise en évidence de la relation entre la porosité du sol, décrite par des paramètres multi-fractals et calculée sur des images de systèmes porals en 3-D obtenues de données CT scan (tomodensitométrie assistée par ordinateur), et la diffusion des gaz mesurée en laboratoire à méso-échelle; (2) méso-échelle - mesures sur des colonnes de sol en laboratoire des coefficients de diffusion relatifs des gaz dans le sol (Dc/D0) et sélection d'un modèle de prédiction optimal basé sur des caractéristiques physiques du sol; (3) macro-échelle - mise en application du modèle de prédiction de Ds/D0 par une analyse temporelle des patrons de distribution spatiale multi-échelles de Ds/D0 en sol agricole; (4) multi-échelle - intégration de DJD0 et de sa relation avec les paramètres physiques des sols agricoles décrivant la porosité aux trois niveaux d'observations; (5) macro-échelle - application concrète du transfert d'échelle (méso à macro) par une approche simple permettant d'estimer l'oxydation du méthane dans un sol de recouvrement de site d'enfouissement. Les résultats ont montré que : (1) à micro-échelle, il existe une forte corrélation entre Ds/D0 et certains paramètres multi-fractals décrivant la porosité du sol. Une loi de puissance d'ordre deux serait applicable comme relation d'échelle de Ds/D0. (2) À mésoéchelle, le modèle de Millington et Quirk (1961), aussi une loi de puissance, s'avère être le plus performant pour les sols agricoles et le sol de recouvrement de site d'enfouissement. (3) À macro-échelle, ce modèle permet l'analyse de la variabilité spatio-temporelle de Dç/Do à l'échelle d'un champ. Cela a révélé une variabilité spatiale élevée de Ds/D0, dépendante de la distance dans le champ, et dont la structure spatiale se maintient au cours d'une saison de croissance. (4) L'intégration de ces trois échelles a permis d'esquisser un pont empirique entre certaines propriétés physiques du sol et Ds/D0 sur trois niveaux d'observations. (5) Une approche simple a pu être validée à macro-échelle où ce modèle de prédiction de Ds/D0 s'est avéré adéquat pour estimer l'oxydation du méthane à partir de propriétés physiques du sol faciles à mesurer.

Malgré leur fort développement en assainissement domestique urbain, les bioréacteurs à membranes (BaM) pâtissent de phénomènes de colmatage, induisant des coûts énergétiques et de maintenance importants. L’aération séquencée des membranes par des grosses bulles est l’une des stratégies pour limiter le colmatage ; son impact a fait l’objet de plusieurs études mais reste globalement mal compris, notamment du fait de la complexité de ces systèmes, multiphasiques et opaques. L’hydrodynamique des réacteurs reste mal caractérisée en présence de boues. Pour apporter des éléments de compréhension aux mécanismes de limitation du colmatage par injection d’air, un pilote de filtration membranaire semi-industriel (2 m3, 3 sous modules fibres creuses Puron®) a été conçu, dimensionné et installé sur l’unité de traitement des jus (TDJ) de la station d’épuration Seine Aval (SIAAP), afin d’être alimenté en boues biologiques dans des conditions réelles de fonctionnement. Le suivi des paramètres opératoires du pilote et de ses performances de filtration sur une période de 5 mois avait un double objectif : (i) mieux caractériser la dispersion du gaz pour différentes conditions de fonctionnement (paramètres de l’aération, concentration en boues de l’alimentation), (ii) hiérarchiser les facteurs qui limitent le colmatage des membranes. Il s’agit in fine de proposer des stratégies d’aération adaptées et efficaces pour limiter le colmatage. Afin de caractériser la dispersion du gaz dans le réacteur, une méthodologie innovante basée sur la tomographie de résistivité électrique (ERT) a été adaptée au pilote. Les conditions d’utilisation de l’ERT (nombre d’électrodes de mesure, séquence de quadripôles) ont été sélectionnées à travers une étude numérique, de même que les paramètres d’inversion nécessaires pour reconstituer la cartographie des résistivités à partir des mesures expérimentales. Cette étude numérique poussée, réalisée sous COMSOL, a permis de conclure à l’intérêt de la méthode pour représenter la distribution des phases dans la géométrie considérée. L’ERT a donc été appliquée au pilote alimenté en boues, pour différentes conditions d’aération. Le jeu de données de filtration a par ailleurs été analysé par logique floue, à l’aide du logiciel FisPro. Les arbres de décision obtenus, en analysant les résultats de manière globale et en les regroupant par conditions opératoires similaires, ont mis en évidence l’impact prépondérant des variables suivantes sur la dérive de perméabilité observée (comprise entre - 9 et 2 LMH/bar) : la différence de DCO entre le surnageant des boues et le perméat (DDCO) traduisant une phase colloïdale complexe, et la concentration en matières en suspension (MES), ayant toutes deux un impact négatif sur les performances de filtration. Une augmentation du débit d’air conduirait à une limitation de la dérive de perméabilité, sauf lorsque la variable DCO est élevée (> à 500 mg/L), cette hypothèse restant cependant à vérifier sur une base de données plus conséquente. Le modèle ainsi obtenu par logique floue permet de mieux simuler les évolutions de perméabilité que les modèles obtenus par régression linéaire multivariée (erreurs de 0,61 et de 0,70 respectivement), et ce malgré une incertitude relative importante sur la mesure de perméabilité (jusqu’à 16 %). Ces résultats sont cohérents avec la dispersion du gaz observée par ERT : son homogénéité dépend de la concentration en MES et du débit d’air injecté. A forte concentration en MES (6 – 10 g/L), des zones préférentielles de passage des bulles ont été observées, en particulier à faible débit d’air, expliquant ainsi un colmatage plus important. L’utilisation nouvelle dans ce contexte de ces techniques, ERT et logique floue, donne des résultats qui confortent l’intérêt d’adapter l’aération (débit, séquençage) aux caractéristiques des boues notamment leurs concentrations, et qui permettent d’envisager des stratégies de contrôle de ces paramètres / Membrane bioreactors (MBRs) are widely used in the wastewater treatment sector. However, membrane fouling mitigation remains challenging, and leads to important maintenance and energy costs. Several strategies have been developed industrially to enhance MBR productivity, including coarse bubble sequenced aeration for fouling mitigation. The way such aeration participates in sludge hydrodynamic patterns is an important research topic. However, the methods currently used for hydrodynamic characterisation suffer from several drawbacks, mainly due to the system’s complexity (three phases with opaque deformable solids). More research is needed to characterize hydrodynamics in MBRs filled with activated sludge. A semi-industrial reactor (2.0 m3) was designed and equipped with three hollow fiber membrane modules (KMS Puron) to contribute to fill this knowledge gap. The reactor was continuously fed with activated sludge from one of the reactors of the Seine Aval (SIAAP) wastewater treatment plant. Operating parameters, activated sludge properties as well as process performances were monitored for five months with two objectives: (i) to characterize gas dispersion for different operating conditions (aeration strategy, activated sludge concentrations), (ii) to rank activated sludge properties and operating conditions, according to their impact on fouling mitigation. The ultimate goal is to propose adapted aeration strategies allowing sustainable filtration performance. In order to characterize the gas dispersion in a complex geometry such as MBR membrane tanks, an innovative approach based on electrical resistivity tomography was adapted to the pilot conditions. A numerical approach was used to define the experimental design in terms of electrode positions, quadripole sequences but also inversion parameters, used to reconstruct resistivity maps from experimental datasets. This numerical study, performed on COMSOL, demonstrated the ability of the ERT method to observe different patterns in the membrane zone. ERT was therefore applied to characterise bubble dispersion in the semi-industrial membrane bioreactor filled with activated sludge and operated using different aeration conditions. The dataset obtained from filtration monitoring was analysed using fuzzy logic. The resulting fuzzy decision trees, constructed from the whole dataset or from subsets clustering similar operating conditions, pointed out the impact on the permeability evolution of two main factors: the COD difference between activated sludge supernatant and permeate (COD), standing for complex colloidal phase, and Mixed Liquor Suspended Solid (MLSS) concentration. Both variables emphasizing fouling at high values. Also, an air flow rate augmentation seemed to mitigate fouling, except at high COD concentrations (> 500 mg/L), where its impact was reversed. This last observation needs further investigation, on a larger dataset. The model obtained from fuzzy logic allows a better simulation of permeability evolutions compared to multivariate linear regression (errors of 0.61 and 0.70, respectively), despite a relatively high measurement uncertainty of permeability (up to 16 %). Those results are consistent with the gas dispersion observed with ERT measurements: homogeneity of gas dispersion depends on MLSS concentration and air flow rate. At high concentrations of MLSS (6 g/L and 10 g/L), a high air flow rate is required for the bubbles to be distributed on the whole membrane zone and preferential flow paths have been observed, especially at low air flow rate. This gas dispersion heterogeneity explains worsened filtration performance. In this context, the new use of these technics, ERT and fuzzy logic, provided results that reinforce the interest to link aeration parameters to sludge properties, their MLSS concentration in particular, leading to consider control strategies for these operating parameters.

La pérennité du compostage est cautionnée à une meilleure maîtrise de la qualité des composts ainsi que des émissions gazeuses. Ces deux critères dépendent en partie des conditions de compostage. Néanmoins, le contrôle des émissions gazeuses et des odeurs ne peut se circonscrire à une seule stratégie préventive. L'identification des composés responsables de l'odeur apparaît comme un enjeu permettant d'augmenter l'efficacité des solutions curatives. Cette thèse a eu pour double objectif d'évaluer l'influence des déterminants des procédés de compostage par aération forcée sur la qualité des composts, les émissions gazeuses et les odeurs en compostage et stockage ainsi que d'investiguer les corrélations entre composition chimique (CC) et concentration d'odeur (CO)des gaz émis. Le déchet et le structurant utilisés ont été des boues d'abattoir de porcs et des plaquettes de bois. L'influence des conditions opératoires a été évaluée en réacteur de compostage au regard des critères que sont la stabilisation, l'hygiènisation, le séchage et la conservation de l'azote. Un taux d'aération intermédiaire, un ratio structurant/déchet (S/D) >1 et une granulométrie >10mm semblent être les conditions répondant au mieux aux attentes d'un traitement par compostage. L'étude de l'influence des conditions sur les composés gazeux suspectés les plus contributrices des odeurs a conduit à une caractérisation exhaustive des émissions d'ammoniac, d'hydrogène sulfuré, des mercaptans par piégeage chimique et des COV par TD-GC-MS. L'identification des composés potentiellement contributeurs de l'odeur s'est basée sur le calcul d'unité d'odeur (UO) de chacun des composés i.e. le rapport de leur concentration chimique sur leur seuil olfactif, à leur pic d'émission. Les conditions opératoires générant le moins d'émissions sont un faible taux d'aération, un ratio S/D >1 et une granulométrie >10mm. Le potentiel des conditions opératoire à diminuer les émissions de composés odorants est toutefois limité. Les travaux venant d'être décrits ont été complétés d'une part par des mesures olfactométriques des émissions et leur corrélation à leur CC et d'autre part par la mise en œuvre de simulations de stockage en vue de comparer leurs émissions et odeurs à celles du compostage. Ces caractérisations ont montré que les pics d'odeurs en compostage sont 50 fois supérieurs à ceux du stockage. Deux types de corrélations entre la CC et la CO des gaz issus du compostage et du stockage ont été investiguées. Le premier type présume que la CO correspond à la somme des UO des composés du mélange. Le second suppose que la CO du mélange corresponde à l'UO la plus élevée (UOMAX) parmi l'ensemble des composés du mélange. Une analyse qualitative et quantitative des types de corrélations testés a indiqué qu'UOMAX est plus proche de la CO mesurée. Seuls trois composés, l'hydrogène sulfuré, le méthanethiol et la triméthylamine rendent compte des odeurs mesurées. / Compost sustainability requires a better control of its compost quality and its gaseous emissions. Both were influenced by composting conditions. Nevertheless, controlling gaseous emissions and their odour can’t be assumed by a single preventive approach. The identification of the compounds involved in odour is also a way to improve the efficiency of curatives solutions. This thesis has been the dual objectives to assess the influence of the principal process conditions for the forced aeration composting on compost quality, gaseous emissions and odours during composting and storage, as well as find out a correlation between the chemical composition (CC) and the odour concentration (OC) of the emissions. The waste and the bulking agent used were pig slaughterhouse sludge and wood chips. The influence of the composting process conditions was studied on stabilization, disinfection, drying and nitrogen conservation during composting in pilot reactors. An intermediate rate, a bulking agent/ waste (BA/W) ratio >1 and a particle size >10mm seemed to be the optimal conditions which satisfy composting treatment expectations. The study of the composting process influence on the gaseous compounds supposed as main potential odour contributors led to an gases exhaustive characterizations, including: ammonia, hydrogen sulphide and mercaptans were quantified by chemical traps while TD-GC-MS was used for VOC. Compounds were screened as main odour contributor based on the compute of their odour unit (OU) of each compounds i.e. dividing their chemical concentration by their odour threshold, at their events of peak emission. The composting process conditions which reduced the emissions were, a low aeration rate, a high BA/W ratio and a particle size > 10mm. Composting process conditions had a limited impact on reducing emissions of odorous compounds. Further works were performed for establish a more accurate odour emission evaluation. On a first hand, olfactometric measurements were carried out in order to be correlated with their CC. On a second hand, experiments were designed to simulate storage with a view to compare their emissions and their odours with that in composting. These characterizations showed that the peaks of the odour emissions were found 50 folds higher during composting than during storage. Two types of correlations were investigated between the CC and the OC of gas samples from composting and storage. The first one assumed that, the OC of gas sample was equal to the sum of the OU of every odorous compound. The second one consisted to consider the OC was equal to the highest OU (OUMAX) of the most odorant compound in the sample. Qualitative and quantitative analyses were tested for the both correlation types, indicating that OUMAX is the expression which can provide the most accurate prediction of OC. Only three main odorous compounds were identified: trimethylamine, hydrogen sulphide and methanethiol.

Ce travail s’inscrit dans le cadre global de la restauration des cours d’eau pollués par une intensification des mécanismes d’autoépuration, en particulier la dégradation de la matière organique et de l’azote. L’objectif principal de cette étude est d’évaluer et modéliser la capacité de transfert d’oxygène air-eau par les principaux ouvrages hydrauliques à savoir les cascades en marches d’escalier et les chutes d’eau. Les expériences d’aération menées dans un pilote de laboratoire modulable, servant à la fois de cascade et de chute d’eau, ont permis d’évaluer le potentiel d’aération de ces structures, ainsi que d’étudier les effets des paramètres géométriques et opératoires. En première approche, une corrélation semi-empirique globale de calcul d’efficacité d’aération dans les cascades, avec un large spectre de validité, a été élaborée, en fonction du débit, nombre de marches et pente de la cascade, sur la base de nos mesures expérimentales et des données collectées dans les publications. La même démarche a été suivie pour élaborer une corrélation semi-empirique permettant une estimation de l’efficacité d’aération dans les chutes d’eau en fonction de la hauteur de chute, le niveau d’eau en aval et le débit d’écoulement. Afin de rendre compte des caractéristiques du phénomène de transfert dans les cascades d’eau (aire interfaciale d’échange air-eau et volume d’eau), des expériences de traçage ont été associées aux expériences d’aération ce qui a permis de mesurer le volume d’eau et de corréler le coefficient de transfert volumique d’oxygène kLa avec les différents paramètres intervenant dans les mécanismes d’aération. L’aire spécifique interfaciale a été simulée numériquement via l’approche VOF en fonction des conditions opératoires et géométriques. Une équation prédictive de calcul du coefficient de transfert du film liquide kL en fonction des paramètres d’influence a été obtenue à l’issu de l’ensemble des simulations et des mesures d’aération expérimentales / This work represents a part of polluted watercourses restoration by intensification of self-purification mechanisms essentially the degradation of organic matter and nitrogen. The main objective is to evaluate and model the air-water oxygen transfer by major hydraulic structures, namely stepped cascades and waterfalls. Aeration experiments conducted in a geometrically adjustable laboratory pilot, serving as stepped cascade and waterfall were used to assess the aeration potential of these structures as well as to study the geometrical an operating parameters effects. In a first approach, a global semi-empirical correlation for aeration efficiency calculation in stepped cascades, valid for a wide range of parameters, was developed, depending on water discharge, number of steps and chute slope, basing on our experimental measurements and data collected in publications. The same procedure was followed for developing a semi-empirical correlation to estimate the aeration efficiency of waterfalls in terms of the chute height, downstream water level and flowrate. In order to take into account the oxygen transfer phenomenon characteristics in stepped cascade (water volume and air-water exchange interfacial area), tracer experiments were associated with aeration experiments to allow measuring water volume and correlating the volume oxygen transfer coefficient kLa with the various parameters involved in the aeration mechanism. The interfacial specific area was numerically simulated using VOF approach depending on operating and geometrical parameters. A predictive equation for liquid film transfer coefficient kL calculation based on the parameters of influence was issued from both the simulations and experimental aeration measures

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Cette étude présente les travaux réalisés pour comprendre l'effet de l'aération sur le milieu biologique et sur la filtration dans les bioréacteurs à membranes immergées pour une gamme de paramètres opératoires proche de celles utilisées sur stations réelles. Notre démarche fait le lien entre paramètres opératoires (débit d'aération), hydrodynamique à l'échelle macroscopique (tailles et vitesses de bulles), hydrodynamique à l'échelle locale (contraintes de cisaillement) et propriétés du milieu biologique (taille de flocs et substances polymériques extracellulaires solubles). De moins bonnes performances de filtration à plus forte aération pourraient être expliquées par une plus grande déstructuration des boues sur le court terme. Par ailleurs tout effet d'évolution des boues sur le long terme en fonction des conditions d'aération a été écarté. / This work contributes to the knowledge on aeration for fouling prevention in submerged membrane bioreactors, which represents a great part of energy consumption of the process. More precisely it aims at estimating the impact of aeration on mixed liquor properties for operational parameters range close to those used in full scale plants. Our study links operational parameters (airflow rate), hydrodynamics at macroscopic scale (bubble sizeand velocity), hydrodynamics at local scale (shear stresses), biological media properties (floc size and soluble extracellular polymeric substances), and filtration performance (transmembrane pressure variations). Hydrodynamics characterisation of two phase flow in membrane module enabled to highlight differences between air/water and air/sludge hydrodynamics with 15-25 % lower bubble velocities in sludge but one order of magnitude higher shear stress (maximal values of 10 Pa). Controlled breakdown of biological media was performed by imposing constant shear stress (range 0,1-10 Pa) to mixed liquor samples. Increase of shear induced a decrease of floc size, and soluble extracellular polymeric substances release. The comparison with shear value obtained by simulation showed that stresses induced by aeration were in the range of mixed liquor destructuration. A pilot campaign showed that wastewater had a stronger impact on the long term on mixed liquor properties, and thus filtration performances, than aeration. However higher transmembrane pressure increase rate observed on pilot for higher airflow at similar wastewater quality could be explained by stronger breakage of biological agregates on short term