Les stations d'épuration des eaux usées, connues habituellement sous le nom de STEP, produisent des boues biologiques en tant que sous-produits issus du traitement biologique. Ces boues constituent des déchets qu'il faut soit valoriser soit mettre en décharge. Aussi il y a eu Heu de développer de nouvelles filières de valorisation de ce type de déchets (boues) et cela à travers deux solutions : le séchage thermique et la méthanisation qui s'inscrivent de manière unitaire ou complémentaire dans une filière d'oxydation thermique ou de valorisation agricole. Les deux processus permettent d'atteindre deux objectifs : la réduction du volume et du pouvoir fermente s cible et offrent également un potentiel énergétique intéressant. C'est l'étude de ces deux alternatives qui constituent l'objectif de ce travail de recherche, à travers la mise en oeuvre d'un outil d'aide à la conception et aux diagnostics Multi -systèmes Multi - modèles. Le développement de l'outil s'appuie sur deux volets. Le premier volet est à caractère expérimental à travers la mise en oeuvre de dispositifs pilotes associés au séchage et à la méthanisation et le second est à caractère théorique reposant sur la modélisation des processus

La modélisation du fonctionnement des stations d'épuration est un outil largement utilisé notamment pour l'optimisation et la réhabilitation des ouvrages existants et le dimensionnement de nouvelles installations. S'assurer d'une bonne qualité des modèles est donc primordial. Or, d'après les résultats d'une enquête internationale effectuée auprès de 96 utilisateurs potentiels de modèles, deux étapes dans l'utilisation des modèles sont considérées comme particulièrement délicates: le choix du modèle à utiliser parmi les modèles disponibles et l'étape de calage de ces modèles. Le travail présenté visait à fournir des éléments pour lever des obstacles à une utilisation plus généralisée des modèles biocinétiques à boues activées. Il a porté sur sept des modèles publiés : (1) ASM1, (2) ASM2d, (3) ASM3, (4) ASM3+BioP, (5) ASM2d+TUD, (6) Barker & Dold et (7) UCTPHO+. Dans un premier temps, une analyse des connaissances pratiques des modèles a été effectuée afin d'améliorer le transfert des connaissances en modélisation. Une base de données de jeux de paramètres a été créée à partir d'études publiées et d'un questionnaire adressé aux utilisateurs de modèles. Cette base de données a notamment permis d'établir des fourchettes de valeurs utilisées pour l'ASM1 et l'ASM2d. Puis, une analyse connaissances théoriques ayant pour but d'aider les utilisateurs à mieux comprendre les sept modèles et à choisir le modèle adapté à leur projet a été réalisée. Les modèles étudiés ont d'abord été vérifiés et les erreurs de frappe et incohérences ont été corrigées. Les concepts de modélisation ont été comparés entre eux grâce à une nouvelle représentation graphique, et confrontés aux connaissances sur le fonctionnement biologique des boues activées afin de mettre en évidence les limites théoriques des modèles. En dernier lieu, une méthodologie a été développée pour l'obtention de jeux de paramètres par défaut qui pourraient être utilisés comme valeurs initiales lors du calage des modèles. Pour cela, une procédure de calage multi-jeux de données a été élaborée. Cela nécessite au préalable le développement d'une procédure de calage automatisée et l'utilisation d'un critère de qualité permettant de définir l'arrêt de la procédure de calage. Une analyse est effectuée sur les critères de qualité utilisés en sciences de l'environnement.

La gestion des boues représente un véritable défi dû à sa consommation d'énergie et la pollution environnementale associée. L'objectif de ce mémoire est de concevoir et d'étudier un procédé de séchage de boues par énergie solaire et pompes à chaleur, et d'explorer les options techniques pour fournir l'appoint d'énergie aux boues. Un dispositif de séchage expérimental a été réalisé afin d'étudier le séchage conductif des boues et d'évaluer leurs caractéristiques. Une méthode analytique a été proposée pour évaluer la diffusivité de la vapeur d'eau dans les boues, modélisées en tant qu'ensemble d'agrégats poreux. Cette méthode, basée sur un modèle diffusif fickian, a permis de suivre l'évolution de facteur d'impédance de diffusion au cours d'un cycle de séchage. Les expériences ont souligné l'effet de la fréquence de retournements sur l'intensification du séchage. Les transferts de chaleur et de masse convectifs intervenant à l'interface de séchage air-boues ont été caractérisés expérimentalement. L'intensification de l'évaporation due à l'augmentation des vitesses d'air superficielles a été mise en évidence. Une corrélation a été établie pour rendre compte de l'écart entre les conductances latentes expérimentales et les conductances prévues par la théorie de Lewis, en fonction des siccités des boues. Le concept de soufflage d'air par fentes linéaires sur la largeur de la serre a été proposé comme moyen d'amélioration des conditions aérauliques dans une serre de séchage. A partir de ces développements, un modèle mathématique du procédé de séchage combiné a été établi afin d'évaluer ses performances et ses consommations énergétiques. Les données climatiques ont été intégrées afin d'évaluer les performances saisonnières du procédé et d'étudier l'influence des conditions climatiques sur les modes opératoires des pompes à chaleur. Les simulations ont permis de définir une logique de régulation optimale en termes de minimisation des consommations énergétiques marginales. En outre, le modèle a mis en évidence l'amélioration apportée par la réduction de l'épaisseur du lit de boues au cours d'un séchage combiné.

Le traitement de surfaces est responsable d'une part importante de la pollution industriellefrançaise. L'activité génère entre autre des métaux lourds toxiques en mélange (zinc, nickel,chrome, etc.) que la réglementation impose d'éliminer, avant rejet dans le milieu récepteur. La précipitation sous forme d'hydroxydes est le procédé le plus utilisée et donne des résultatssatisfaisants, aux regards des seuils de rejet actuels. Mais face à une évolution constante de la réglementation vers des seuils plus sévères et l'obligation de cadrer avec les Meilleures Techniques Disponibles, l'optimisation du rendement de la précipitation de métaux en mélange, revêt un enjeu important pour les traiteurs de surfaces, souvent demandeurs pour l'amélioration de leur procédé, plutôt basé sur le savoir-faire. Alors que de nombreux travaux concernent les métaux seuls en solution, les études sur les mélanges métalliques sont en effet limitées. Une modélisation mathématique du second degré, est établie entre le rendement de précipitation et les conditions opératoires (pH, proportion en cations, vitesse d'agitation et temps) pour des solutions synthétiques bimétalliques de zinc, nickel et chrome trivalent. Les résultas obtenus permettent de connaître les pH optimaux de précipitation, selon les rapports de proportion entre les métaux. Malgré les résultats de validation concluants, il apparaît que le modèle quadratique ne soit pas adapté pour les deux métaux divalents en mélange avec le chromeIII. De plus, les résultats ont montré que le chrome trivalent abaisse le pH optimal de précipitation du zinc et du nickel vers 6,4, son propre pH de précipitation. Un pH de 10 permet la précipitation du zinc et du nickel, en mélange, en particulier s'ils sont dans des proportions 50/50. Il en résulte, dans l'optique d'une application industrielle, la possibilité et un intérêt (économie de réactif) de précipiter simultanément le chrome avec le zinc ou le nickel d'une part et le zinc et le nickel d'autre part. Les résultats obtenus en laboratoire sont confirmés par les essais pilote. L'optimisation de l'étape de précipitation dans son ensemble englobe également la valorisation des boues d'hydroxydes formées. Les Hydroxydes Doubles Lamellaires (HDL) sont des composés aux propriétés uniques permettant parmi d'autres applications, le piégeage de métaux lourds. L'analyse de boues industrielles et de boues formées en laboratoire à partir d'effluents industriels a montré la présence de structures se rapprochant des HDL. Nos travaux ont ainsi mis en évidence la possibilité d'utiliser des boues industrielles pour le piégeage de chromates. Cette phase exploratrice est prometteuse et ouvre des perspectives intéressantes de valorisation des boues d'hydroxydes industrielles.

Les estrogènes et les bêtabloquants transitent quotidiennement par les réseaux d'assainissement et les stations d'épuration des eaux résiduaires urbaines. Une première partie de ce travail a consisté à développer des méthodes pour analyser ces micropolluants émergents dans les boues de station d'épuration et les matières en suspension. L'efficacité des traitements épuratoires a ensuite été évaluée vis-à-vis de l'élimination de ces molécules. En règle générale, les 5 estrogènes étudiés (estrone, 17α- et 17β-estradiol, estriol, 17α-éthinylestradiol) sont plutôt bien éliminés par les stations d'épuration avec des efficacités d'élimination généralement supérieures à 90%. Pour les 10bêtabloquants analysés (acébutolol, aténolol, bêtaxolol, bisoprolol, métoprolol, nadolol, oxprénolol,propranolol, sotalol et timolol), des comportements différents ont été observés. Alors que l'acébutololet le nadolol sont éliminés (abattements moyens supérieurs à 80%), d'autres molécules comme lesotalol et le propranolol ne sont que peu impactées par les traitements épuratoires (abattements moyens inférieurs à 20%). Pour les autres bêtabloquants étudiés, des abattements intermédiaires (entre 40 et 70%) sont observés. Excepté le propranolol, qui est le plus hydrophobe des bêtabloquants étudiés, les molécules ciblées dans cette étude s'adsorbent peu sur les matières en suspension (en moyenne 90% des molécules se trouvent dans la phase dissoute) et ne sont pas concentrées dans les boues ; les abattements mesurés correspondent donc, sauf pour le propranolol,à une biodégradation et pas à un transfert des micropolluants vers les boues. Les molécules résiduelles non éliminées par le traitement épuratoire rejoignent le milieu aquatique récepteur. Les rejets de station d'épuration représentent en effet une source de contamination pour les milieux aquatiques et l'impact de ces rejets est visible, notamment en termes d'augmentation des concentrations de micropolluants mesurées dans le milieu. Néanmoins, les faibles concentrations mesurées ne semblent pas individuellement représenter de risque environnemental majeur ; seul le propranolol a présenté sur 4 des 15 sites étudiés un quotient de risque supérieur à 1 ce qui indique un risque environnemental probable. Cependant, même si le risque associé à une molécule est faible,chaque molécule présente dans l'environnement contribue au potentiel toxique global des substances présentes dans l'environnement.

Ce travail s'est focalisé sur le devenir des polybromodiphényléthers (PBDE) et des alkylphénols (AP) dans les filières de traitement des eaux usées des stations d'épuration Seine-Centre et Seine-Amont, en agglomération parisienne. Des prélèvements effectués par temps sec et par temps de pluie ont permis de déterminer la qualité des eaux brutes vis-à-vis des paramètres globaux, des PBDE et des AP, ainsi que l'efficacité des ouvrages de traitement primaire et secondaire. Par temps sec, les concentrations dans les eaux brutes de Seine-Amont sont en moyenne 6 et 2 fois plus élevées pour ∑6AP et ∑4PBDE respectivement. Un bassin-versant plus industrialisé sur Seine-Amont et une forte dilution dans le réseau de Seine-Centre expliquent ces différences. Par temps de pluie, la pollution est diluée sur Seine-Amont. A l'inverse, la pollution particulaire augmente sur Seine-Centre, à cause de l'érosion des dépôts présents dans le réseau. En traitement primaire, la décantation physico-chimique lamellaire sur Seine-Centre favorise nettement l'abattement des pollutions particulaires et organiques. Ses performances sont stables et bien plus élevées que la décantation classique sur Seine-Amont. Par temps de pluie, les performances des deux ouvrages sont conservées, voire améliorées, malgré une hausse des charges polluantes et des vitesses ascensionnelles. Aucun de ces ouvrages n'est adapté au traitement de la pollution dissoute. En traitement secondaire, des abattements élevés pour la biofiltration et les boues activées ont été obtenus. Les traitements des deux stations étudiées conduisent à des effluents secondaires de qualité globalement similaire, même si les concentrations en pollution particulaire et en PBDE restent plus élevées sur Seine-Amont. Par temps de pluie, le 3ème étage de la biofiltration est dérivé et aéré sur Seine-Centre. Cette configuration impacte principalement les nitrates et le BDE-209. Sur Seine-Amont, les performances des boues activées sont légèrement affectées mais restent généralement supérieures à 80 %. Ceci conduit à des concentrations dans les effluents secondaires par temps de pluie 1,4 à 3 fois plus élevées en moyenne pour la pollution particulaire et les PBDE

Thèse (M.Eng.) -- Université du Québec à Chicoutimi, programme extensionné à l'Université du Québec à Rimouski, 2003. / Bibliogr.: f. [189-195]. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Compte tenu de l'épuisement en cours des ressources naturelles qui ont lieu dans le monde entier, le prix élevé, la forte demande et la pénurie future des ressources minérales primaires pour Mo, Ni et Co, il est extrêmement important de mettre en œuvre le recyclage des métaux/récupération/réutilisation partir des demi-finis produits, sous-produits, des matériaux secondaires et des déchets, y compris les déchets dangereux (ce est à dire des catalyseurs usés, boues minérales). En outre, il est nécessaire d'utiliser des technologies plus efficaces pour récupérer des métaux à partir de déchets/ressources secondaires afin de minimiser les dépenses en capital, l'impact environnemental et de répondre à l'augmentation de la demande de métal. Parmi les différentes ressources secondaires, les catalyseurs usés et les boues minérales générés aux catalyseurs usés usines de recyclage pourrait être une très bonne ressource secondaire, car ils contiennent des concentrations élevées de métaux différents (en particulier Mo, Ni et Co). Par conséquent, ils doivent être considérés comme une ressource et non comme un déchet. Dans notre étude, nous traitons avec le catalyseur, l'oxyde métallique et le recyclage des piles minérales de la plante boues. Ce type de matériau contient de fortes concentrations de métaux différents. Cependant, au mieux de nos connaissances de spéciation, lixiviation et de récupération des propriétés de ce type de matériel n'ont pas été étudiés auparavant. Boues minérales a été minutieusement caractérisée où le pH, La perte au feu (LOI), Toxicité Caractéristique Lixiviation Procédure (TCLP), Diffraction des rayons X (XRD), Microscopie électronique à balayage (SEM) avec dispersion d'énergie des rayons X spectroscopie (EDS), Total Métal Contenu (TMC) et Extraction Séquentielle (SE) ont été effectuées. Sur la base des résultats de la caractérisation des boues minérales, le taux de lixiviation et les rendements de Mo, Ni et Co à partir de l'échantillon de boue minérale ont été quantifiés. Différents réactifs de lixiviation (autonome acides (nitrique, sulfurique et chlorhydrique) et les mélanges d'acides (eau régale (nitrique + chlorhydrique (1:3)), nitrique + sulfurique (1:1) et nitrique + sulfurique + chlorhydrique (2:1:1)) ont été étudiés à changer les paramètres de fonctionnement (solides ratio liquide, le temps de lixiviation et de la température), afin de comprendre les caractéristiques de lixiviation et sélectionnez le réactif de lixiviation approprié qui permet d'atteindre les plus hauts rendements de lixiviation de métal. Acide sulfurique (H2SO4) a été trouvé d'être le produit de lixiviation avec le potentiel de lixiviation des métaux les plus élevés. Les conditions de lixiviation optimales étaient une lixiviation en trois étapes successives, la température de 80°C, le temps de lixiviation 2 h, et S/L rapport 0.25 g L-1. Dans ces conditions, les rendements de lixiviation à partir de notre échantillon de boue minérale a atteint 85.5, 40.5 et 93.8% pour Mo, Ni et Co, respectivement / In view of the on-going depletion of the natural resources taking place worldwide, the high price, high demand and future shortage of the primary mineral resources for Mo, Ni and Co it is extremely important to implement metals recycling/recovery/reuse from semi-finished products, by-products, secondary materials and wastes, including hazardous waste (i.e. spent catalysts, mineral sludges). Furthermore, there is a need to utilize more efficient technologies to recover metals from wastes/secondary resources in order to minimize capital outlay, environmental impact and to respond to the metal increased demand. Among the different secondary resources, spent catalysts and mineral sludges generated at the spent catalysts recycling plants could be a very good secondary resource, as they contain high concentrations of different metals (especially Mo, Ni and Co). Therefore, they should be viewed as a resource, not as a waste. In our study we are dealing with the catalyst, metallic oxide and battery recycling plant mineral sludge. This type of material contains high concentrations of different metals. However, to the best of our knowledge, speciation, leaching and recovery of Mo, Ni and Co from this type of material were not investigated before. Mineral sludge was minutely characterized where pH, Loss On Ignition (LOI), Toxicity Characteristic Leaching Procedure (TCLP), X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM) with Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), Total Metal Content (TMC) and Sequential Extraction (SE) were performed. Based on the mineral sludge characterization results the leaching rate and yields of Mo, Ni and Co from mineral sludge sample were quantified. Different leaching reagents (stand-alone acids (nitric, sulfuric and hydrochloric) and acid mixtures (aqua regia (nitric + hydrochloric (1:3)), nitric + sulfuric (1:1) and nitric + sulfuric + hydrochloric (2:1:1)) were investigated at changing operational parameters (solid to liquid ratio, leaching time and temperature), in order to understand the leaching features and select the suitable leaching reagent which achieves the highest metal leaching yields. Sulfuric acid (H2SO4) was found to be the leachant with the highest metal leaching potential. The optimal leaching conditions were a three stage successive leaching, temperature 80°C, leaching time 2 h and S/L ratio 0.25 g L-1. Under these conditions, the leaching yields from our mineral sludge sample reached 85.5, 40.5 and 93.8% for Mo, Ni and Co, respectively

Les piles à combustible microbiennes (PACM) permettent la production directe d'électricité par l'oxydation de matière organique ; à l'anode les combustibles organiques sont oxydés grâce à des microorganismes adhérés qui jouent le rôle d'électro-catalyseurs. Utiliser comme combustible la matière organique issue d'effluents ou de déchets des industries agro-alimentaires présente un double bénéfice : la réduction de l'impact environnemental et la génération d'énergie. Le travail réalisé dans le cadre de la thèse comporte trois volets : tout d'abord l'évaluation des combustibles et des sources d'inoculum en termes de capacités électro-catalytiques, ensuite la recherche de conditions opératoires favorisant la génération de courant simultanément à la biodépollution. Ces deux objectifs ont été abordés en conditions électrochimiques bien contrôlées (montages à trois électrodes, contrôle potentiostatique). Le troisième volet a porté sur la validation de ces conditions en configuration de PACM. Trois résidus issus d'industries agro-alimentaires ont été testés comme combustible : des jus de pomme fermentés, des lies du vin et des déchets de laiterie, et deux environnements comme source de micro-organismes électro-actifs : des boues anaérobies et des lixiviats de terreau de jardin. Les études en cellule électrochimique ont révélé les lixiviats de terreau comme la meilleure source de biocatalyseur et les résidus de laiterie comme le meilleur combustible. En conséquence l'amélioration du procédé a été effectuée principalement sur le couple lixiviats de terreau - résidus laitiers. Une acclimatation préliminaire de la microflore des lixiviats de terreau aux déchets de laiterie s'est révélée inutile. Des concentrations élevées des déchets de laiterie ont eu un effet négatif sur la génération de courant, bien qu'une réduction de 90% en demande chimique en oxygène (DCO) ait été atteinte. Le prétraitement de la surface de l'anode par l'adsorption du substrat a permis une augmentation du courant d'un facteur 10 par rapport à une anode non prétraitée. Les tests de températures comprises entre 10°C et 60°C suggèrent l'existence d'une large diversité de microorganismes électro-actifs. Une densité de courant de 1655 mA/m² a été atteinte à 40°C à un potentiel imposé de +0,1V/ECS sur une anode en feutre de graphite prétraitée. Différentes combinaisons « source de biocatalyseur - combustible » ont été évaluées en utilisant une PACM composée de deux compartiments séparés par une membrane échangeuse de protons et équipée d'une anode en feutre de graphite. Les meilleures performances ont été obtenues avec le lixiviat de terreau comme source de micro-organismes électro-actifs et les déchets laitiers comme combustible (92 mW/m2, 636 mA/m2). Ces résultats confirment les résultats obtenus en cellule électrochimique et se situent parmi les meilleurs dans le cadre du développement émergent des PACM pour l'exploitation de déchets bruts. / In the microbial fuel cells (MFC) electricity is produced by the oxidation of organic matter. At the anode the fuel is oxidized by the microorganisms attached to it, they act as catalyst. The use of food and agricultural industry wastes carry out to a double benefit: waste treatment and energy generation. In the present work three aspects are presented: Initially fuels and inoculum sources are evaluated in terms of their electro catalytic activity, thereafter operational parameters are studied to enhance electricity production and waste treatment. These studies are achieved in three electrodes electrochemical cells under potentiostatic control. In the last part, the materials and operational conditions selected are tested in MFC. Three wastes were tested as fuel to MFC: fermented apple juice, wine lees and dairy wastes, with two electroactive inocula: anaerobic sludge and garden compost leachate. The results in electrochemical cells indicated compost leachate and dairy wastes as the best inoculum and fuel respectively. Consequently, most of subsequent experiments were achieved with these materials. Preliminary acclimation procedure of compost leachate microbial flora to dairy wastes fuel proved not to be useful. High concentration of dairy wastes was detrimental to current generation; however the COD removal was 90%. Pre-treatment of electrode by pre-adsorbing dairy waste led to a 10-fold increase in the current density. Results from temperature test (10°C to 60°C) suggest a large diversity of electrochemically active microorganisms coming from compost. A current density of 1655 mA/m² was reached at 40°C with a pre-treated graphite felt anode under polarization at +0,1V vs. ECS. Different mixtures composed by “biocatalyst-combustible” were evaluated in a two chamber membrane microbial fuel cell, with graphite felt anode. The best performance was obtained with compost leachate as biocatalyst and dairy wastes as fuel (92 mW/m² at 636 mA/m² by polarization curve). These results confirmed those obtained in electrochemical cells and they are in the high range of performances reached with this new technology using raw materials.

Nous avons étudié la dynamique de Tazote d'un sol argileux amendé avec différents biosolides issus du traitement de lisier de porc (digestion anaérobie, floculation physicochimique, filtration, digestion aérobie) et d'usines de pâtes et papiers (boues mixtes, boues de désencrage), sous culture de maïs fourrager. Nos traitements de référence étaient un témoin sans azote, un fertilisant minéral et un lisier brut Les différents biosolides ont été caractérisés pour leur teneur en N total, N-NH4, N-NO3, C total, C dissous et pH. Les formes d'azote dans le sol (azote extractible total, azote minéral (NH4 + NO3), azote organique dissous) et les émissions de N2O par le sol ont été mesurées après l'application des biosolides. Les sols traités avec les fertilisants organiques ont produit une diminution des émissions de N?0 comparativement au fertilisant minéral en 2006 et 2007. De façon générale, les biosolides de lisier de porc ont engendré des émissions de N2O plus faibles par rapport au lisier brut. Les rendements en fourrage et les émissions de N2O ont été les plus faibles avec les boues de papetière. En particulier, la boue de désencrage a produit une forte immobilisation de l'azote. Les biosolides de lisier de porc ont produit des rendements similaires par rapport au lisier brut, mais inférieurs par rapport au fertilisant minéral qui a maintenu davantage le rendement dans la culture de maïs fourrager. Les meilleurs indicateurs expliquant les émissions de N2O, le rendement et le prélèvement d'azote du maïs fourrager étaient le contenu en azote extractible total et en azote minéral (NH4 + NO3) du sol ainsi que le contenu initial en NH4 dans le biosolide.