Actuellement, une des solutions pour la gestion des déchets organiques est leur utilisation dans la production de biogaz via la digestion anaérobie (DA). Ce processus génère un nouveau résidu organique, le digestat, qui pose également un défi de gestion. La mouche soldat noire (MSN), *Hermetia illucens*, est considérée comme une clé pour réaliser le modèle de l'économie circulaire grâce à sa capacité à se nourrir d'une grande variété de résidus organiques tout en produisant de la biomasse animale. Cette étude visait à trouver une méthode efficace pour valoriser les digestats en tant que substrat alimentaire pour les larves de mouche soldate noire (LMSN). Notre projet a été divisé en deux parties. La première partie consistait à caractériser les digestats de différentes usines de biométhanisation au Québec. Cette analyse a révélé des différences significatives entre les usines et des variations au cours de l'année au sein de celles-ci, bien que les tendances saisonnières hypothétiques n'aient pas été confirmées. Dans la deuxième partie, sous l'hypothèse générale que la manipulation des digestats pouvait améliorer leur valeur nutritionnelle pour les LMSN. En utilisant une approche itérative, nous avons mené une série d'expériences exploratoires préliminaires et trois expériences principales pour évaluer l'impact des différentes approches sur la croissance des LMSN, en utilisant le modèle U-Gompertz pour l'analyse des données. Parmi les trois expériences principales, la première a consisté à mélanger les digestats avec un régime de référence, qui avait montré de bons résultats dans des études précédentes et qui simule des déchets de fruits et légumes provenant des épiceries. La deuxième expérience s'est concentrée sur le prétraitement des digestats par fermentation en milieu solide (FMS), et la troisième a exploré l'ajout direct d'énergie. Bien que les performances des larves nourries avec des digestats prétraités au FMS aient été décevantes, des modifications des protocoles ou de nouvelles approches pourraient donner des résultats différents. Les expériences de co-traitement et d'ajout d'énergie ont donné des résultats positifs sur la croissance des larves, faisant de ces deux méthodes des alternatives viables pour valoriser les digestats avec la MSN. La mise en œuvre de ces résultats pourrait potentiellement améliorer la durabilité économique et environnementale de la digestion anaérobie des déchets organiques. / Currently, one of the solutions for managing organic waste is its use in the production of biogas through anaerobic digestion (AD). This process generates a new organic residue, digestate, which also poses a management challenge. The black soldier fly (BSF), *Hermetia illucens*, is considered a key to achieving the circular economy model due to its ability to feed on a wide variety of organic residues while producing animal biomass. This study aimed to find an effective method to valorize digestates as a food substrate for black soldier fly larvae (BSFL). Our project was divided into two parts. The first part consisted of characterizing the digestates from different biogas plants in Quebec. This analysis revealed significant differences between the plants and variations over the course of the year within them, although hypothesized seasonal trends were not confirmed. In the second part, under the general hypothesis that manipulating the digestates could improve their nutritional value for the BSFL, we used an iterative approach. We conducted a series of preliminary exploratory experiments and three main experiments to evaluate the impact of different approaches on the growth of BSFL, using the U-Gompertz model for data analysis. Among the three main experiments, the first involved mixing the digestates with a reference diet, which had shown good results in previous studies and simulates fruit and vegetable waste from grocery stores. The second experiment focused on the pretreatment of digestates by solid-state fermentation (SSF), and the third explored the direct addition of energy. Although the performance of larvae fed with SSF-pretreated digestates was disappointing, modifications to the protocols or new approaches could yield different results. The co-treatment and energy addition experiments produced positive results on larval growth, making these two methods viable alternatives for valorizing digestates with BSF. Implementing these results could potentially improve the economic and environmental sustainability of anaerobic digestion of organic waste.

Les préoccupations croissantes concernant les micropolluants présents dans les biosolides et les options d'élimination limitées ont entraîné un défi de plus en plus important en matière d'élimination des biosolides. La pyrolyse semble être une solution prometteuse, convertissant les biosolides en gaz de synthèse, en deux phases liquides et en biochar. Le biochar, en particulier, suscite un intérêt croissant en tant qu'amendement de sol en raison de ses propriétés bénéfiques pour les cultures et de son potentiel en tant que méthode d'élimination du carbone. Cependant, son application dans l'agriculture est entravée par des incertitudes concernant la possibilité de contenir des micropolluants, qui sont influencés par les paramètres du processus de pyrolyse. Ce projet de doctorat relève ce défi en se concentrant sur deux objectifs principaux : premièrement, déterminer les paramètres du processus pour générer un biochar sans micropolluants et deuxièmement, évaluer la distribution des micropolluants dans les produits finaux pour déterminer leurs applications idéales et contribuer ainsi à un processus de pyrolyse plus durable. Pour ce faire, 75 polluants différents, dont les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs), les substances per- et polyfluoroalkyles (PFAS), les polychlorobiphényles (PCBs), les polychlorodibenzo-p-dioxines et dibenzofuranes (PCDD/Fs) et les métaux lourds (HMs), ont été pris en compte simultanément tout en adaptant les conditions du procédé. Le passage du biochar par la première étape de pyrolyse à 350°C est insuffisant pour réduire les micropolluants et satisfaire aux directives du European Biochar Certificate (EBC). En revanche, le passage du biochar par une deuxième étape de pyrolyse à 650°C permet d'obtenir une efficacité d'élimination de 96,4 à 96,5% pour tous les micropolluants organiques. L'utilisation d'un gaz porteur pendant la pyrolyse améliore l'efficacité de l'élimination des HAPs et des PFAS, en particulier lorsqu'on utilise du CO₂ au lieu de N₂. Le contrôle du processus de refroidissement avec du CO₂ comme gaz vecteur réduit de manière significative la teneur en micropolluants, atteignant des efficacités d'élimination de plus de 99,5% pour les PCDD/Fs, 94,9% pour les HAPs et 76,2% pour les HMs, les HMs étant principalement réduits en raison de la réduction du cuivre. Dans l'ensemble, l'apport de CO₂ pendant les processus de pyrolyse et de refroidissement, ainsi que le passage du biochar par la deuxième étape de pyrolyse (650°C), permettent d'obtenir l'efficacité d'élimination la plus élevée pour tous les micropolluants organiques et de respecter les directives EBC, à l'exception du cuivre, du cadmium et du zinc. L'évaluation de la répartition des micropolluants entre les différents produits finis à 350°C a montré que les PFAS étaient répartis dans tous les produits finis, avec 12-13% détectés dans le biochar, 6-7% dans l'APL et 2-5% dans la phase huileuse. Une proportion considérable de 63 à 74% n'a pas été détectée, ce qui laisse supposer qu'ils ont été transférés dans la phase gazeuse ou décomposés. Les HMs ont été principalement trouvés dans le biochar, tandis que les HAPs ont été principalement trouvés dans la phase huileuse. Les PCDD/Fs ont été détectés à la fois dans l'huile et dans le biochar, 67,9 à 71,2% restant indéterminés. L'ajout de CO₂ pendant la pyrolyse a entraîné une réduction des HAPs de 4,9 et 1,7 fois par rapport à l'absence d'ajout de gaz porteur et à l'ajout de N₂, respectivement. En outre, les résultats indiquent la formation de HAPs et de PCDD/Fs au cours du processus de pyrolyse. Compte tenu de la teneur en micropolluants et des propriétés des produits finis, des applications stratégiques sont proposées pour tous les produits finis. En raison de la teneur élevée en HMs, le biochar dérivé des biosolides utilisés dans cette étude n'est pas recommandé à des fins agricoles, mais pour la construction, l'adsorption ou les produits d'asphalte afin d'éviter la contamination du sol. Un post-traitement pour enlever les HMs est toutefois possible. Les tests de BMP réalisés avec succès avec la fraction APL suggèrent son utilisation comme co-substrat pour la digestion anaérobie, bien que des recherches soient nécessaires pour minimiser la phase de latence qui en résulte. L'huile de pyrolyse à haute teneur en micropolluants, bénéficiant de l'apport de CO₂ pendant la pyrolyse, a atteint un pouvoir calorifique comparable à celui de l'éthanol, ce qui indique son potentiel en tant que source d'énergie. Sur la base de ces résultats, une intégration de la digestion anaérobie et de la pyrolyse est suggérée pour améliorer la valeur globale du processus en développant des synergies entre les produits finaux de chaque processus. Ainsi, le présent travail a permis de développer des stratégies pour convertir les déchets supposés en produits finaux de valeur, aidant les opérateurs à générer du biochar sans micropolluants. En outre, il met en évidence les possibilités d'utilisation des autres produits finis générés, améliorant ainsi la valeur globale du processus de pyrolyse. Il aide les décideurs en offrant une alternative durable à l'élimination des biosolides, en convertissant un déchet supposé en produits finis de valeur, en libérant tout le potentiel du biochar et en encourageant le développement de nouveaux marchés pour le biochar. / The increasing concerns about micropollutants in biosolids and the limited disposal options have resulted in an increasing challenge for biosolids management. Pyrolysis seems a promising solution, converting biosolids into syngas, two liquid phases (aqueous pyrolysis liquid and pyrolysis oil), and biochar. Biochar, in particular, has gained increasing interest as soil amendment due to its beneficial properties for crop production and its potential as a carbon removal method. However, its application in agriculture is hindered by uncertainties regarding the possibility of containing micropollutants, which are influenced by the pyrolysis process parameters. This PhD project addresses this challenge by focusing on two main objectives: firstly, determining process parameters to generate a micropollutant-free biochar and secondly, evaluating the distribution of micropollutants across the end-products to determine their ideal applications and thus contributing to a more sustainable pyrolysis process. To achieve this, 75 different pollutants, including polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), per- and polyfluoroalkyl substances (PFASs), polychlorinated biphenyls (PCBs), and polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans (PCDD/Fs) and heavy metals (HMs), are considered simultaneously while adapting the process conditions. Passing the biochar through the first pyrolysis stage at 350°C is insufficient to reduce the micropollutants in order to fulfil the guidelines of the European Biochar Certificate (EBC). However, passing the biochar through a second pyrolysis stage at 650°C results in a removal efficiency of 96.4-96.5% for all organic micropollutants. Using a carrier gas during pyrolysis enhances the removal efficiency for PAHs and PFAS, particularly when employing CO₂ instead of N₂. Controlling the cooling process with CO₂ as a carrier gas significantly reduces the micropollutant content, achieving removal efficiencies of over 99.5% for PCDD/Fs, 94.9% for PAHs and 76.2% for HMs, whereby HMs are primarily reduced due to the copper reduction. Overall, supplying CO₂ during both the pyrolysis and cooling processes, along with passing the biochar through the second pyrolysis stage (650°C), results in the highest removal efficiency for all organic micropollutants and leads to compliance with the EBC guidelines, except for copper, cadmium and zinc. Evaluating the distribution of micropollutants among the different end-products at 350°C demonstrates that PFAS are distributed in all end-products, with 12-13% detected in biochar, 6-7% in the APL and 2-5% in the oil phase. A considerable proportion of 63-74% remains undetected assuming that they are transferred to the gas phase or decomposed. HMs are predominantly found in biochar, while PAHs are mainly found in the oil phase. PCDD/Fs are detected in both oil and biochar, with 67.9-71.2% remaining undetermined. The addition of CO₂ during pyrolysis results in a 4.9- and 1.7-fold reduction in PAHs in the pyrolysis oil compared to no carrier gas addition and N₂ addition, respectively. The CO₂ supply at 350°C resulted in an 11 and 5% increase in HMs retention in the biochar compared to the absence of a carrier gas and N₂ supply, respectively. The impact of the carrier gas on the distribution of the other micropollutants is negligible. Furthermore, the results indicate the formation of PAHs and PCDD/Fs during the pyrolysis process. Considering the micropollutant content and the properties of the end-products, strategic applications are proposed for all end-products. Due to the high HM content, biochar derived from the biosolids used in this study is not recommended for agricultural purposes, but it may be used for construction, adsorption or asphalt products to prevent soil contamination. Post-treatment of biochar to remove HMs is however possible, but will increase the product costs. The successful BMP tests performed with the APL fraction suggest its use as a co-substrate for anaerobic digestion, although research is needed to minimise the resulting lag phase. The pyrolysis oil, with its high micropollutant content, benefits from the CO2 supply during pyrolysis, as it achieves the highest calorific value, which is comparable to that of ethanol, indicating its potential as an energy source. Based on the results, an integration of anaerobic digestion with pyrolysis is suggested to enhance overall process value by developing synergies between the end-products of each process. As such, the present work developed strategies for converting supposed waste into valuable end-products, aiding operators in generating micropollutant-free biochar. Additionally, it highlights opportunities for using the other end-products generated, enhancing the overall value of the pyrolysis process. It supports decision-makers by providing a sustainable alternative for biosolids disposal by converting a supposed waste product into valuable end-products, unlocking the full potential of biochar and encouraging the development of new biochar markets.

L’assainissement autonome (non raccordés à un système d’égout) est largement répandu dans les pays à faible revenu. Selon les estimations, 2.7 milliards de personnes seraient desservies principalement par des technologies d'assainissement individuelles, dont près de la moitié seraient situées en zones urbaines des pays en voie de développement (WWAP 2017). Or, l’ampleur de la couverture des installations sanitaires autonomes commence à poser de nombreux problèmes et défis techniques aux municipalités des régions concernées. En effet, l’augmentation croissante des fosses devant être vidangées, couplé aux manques d’organisation et de ressources, et à l’absence de connaissances précises sur les caractéristiques et les quantités de boues fécales générées, ne permettent pas actuellement d’assurer une vidange sécuritaire et de planifier la gestion efficace des boues fécales dans ces endroits. On estime ainsi que 74 % des fosses des installations sanitaires autonomes seront vidangées de façon non sécuritaire par année, c’est-à-dire que les boues fécales retirées seront déversées dans les cours d’eau ou terrains environnants sans traitement. Ainsi, dans la perspective d’organiser la gestion des boues fécales dans le contexte des pays en voie de développement, il conviendrait d’améliorer les connaissances sur les taux de remplissage des latrines à fosse, ainsi que sur les données de caractérisation des boues fécales. L’objectif général de cette thèse est d’améliorer la gestion des boues fécales dans le contexte des pays en développement. Pour ce faire, une série d’expérimentations a été réalisée, s’attardant à des problématiques précises de caractérisation ou de quantification des boues fécales. De façon plus précise, la première étude (CHAPITRE 4) visait la modélisation du taux d’accumulation des boues fécales en utilisant une régression linéaire multiple. Les résultats obtenus revoient un modèle impliquant les valeurs du volume des fosses et de l’âge des latrines comme principale variables indépendantes. La valeur du coefficient de détermination (r2) qui a été obtenue est de r2 = 0.41. Ceci qui est légèrement supérieure à la valeur obtenue à l’aide du modèle de bilan de masse développé par Brouckaert et al. (2013), pour lequel seulement 50% des latrines étaient à moins de 40% d’erreurs. Par la suite, des travaux visant la caractérisation de l’effet inhibitif de l’azote ammoniacal sur la digestion anaérobie des boues fécales au sein des fosses ont été réalisés (CHAPITRE 5). L’objectif était de valider l’hypothèse selon laquelle les fortes concentrations en azote au sein des fosses (causées par la présence d’urine) influenceraient les mécanismes de biodégradation, et conséquemment les taux d’accumulation. La méthodologie développée à d’abords été testée et validée avec des boues de digesteur anaérobie (provenant d’un réacteur complètement mélangé). Par ailleurs, le protocole développé n’a pas mené à des résultats concluants en utilisant des boues fécales. Effectivement, bien que plusieurs tests d’activité méthanogène spécifique (specific methanogenic activity - SMA) aient été réalisées (en changeant le ratio inoculum (boues)/substrat (acétate), et la durée), aucun des tests exécutés n’a démontré une production de méthane. À la lumière des résultats précédents (CHAPITRE 5), des travaux supplémentaires ont été réalisés visant à caractériser l’activité microbienne des boues fécales et de la matière fécale fraîche en termes des populations spécifiques à la digestion anaérobie (e.g. bactéries hydrolytiques et fermentatives, et méthanogènes méthylotrophes, acétoclastiques ou hydrogénotrophes) (CHAPITRE 6). Pour ce faire, la méthodologie utilisée consistait à mesurer la production de gaz (comme indicateur de l’activité microbienne) des échantillons de boues mélangés avec différents substrats spécifiques (e.i. acétate, méthanol, formate, glucose). Les résultats issus de cette étude ont démontré que l’utilisation des substrats de formate et de glucose présente l’activité microbienne la plus élevée lorsque mélangés avec une solution de matière fécale fraîche (soit de 112.17 et de 76.41 ml gaz/ g SV, pour le formate et le glucose, respectivement). ... / L’assainissement autonome (non raccordés à un système d’égout) est largement répandu dans les pays à faible revenu. Selon les estimations, 2.7 milliards de personnes seraient desservies principalement par des technologies d'assainissement individuelles, dont près de la moitié seraient situées en zones urbaines des pays en voie de développement (WWAP 2017). Or, l’ampleur de la couverture des installations sanitaires autonomes commence à poser de nombreux problèmes et défis techniques aux municipalités des régions concernées. En effet, l’augmentation croissante des fosses devant être vidangées, couplé aux manques d’organisation et de ressources, et à l’absence de connaissances précises sur les caractéristiques et les quantités de boues fécales générées, ne permettent pas actuellement d’assurer une vidange sécuritaire et de planifier la gestion efficace des boues fécales dans ces endroits. On estime ainsi que 74 % des fosses des installations sanitaires autonomes seront vidangées de façon non sécuritaire par année, c’est-à-dire que les boues fécales retirées seront déversées dans les cours d’eau ou terrains environnants sans traitement. Ainsi, dans la perspective d’organiser la gestion des boues fécales dans le contexte des pays en voie de développement, il conviendrait d’améliorer les connaissances sur les taux de remplissage des latrines à fosse, ainsi que sur les données de caractérisation des boues fécales. L’objectif général de cette thèse est d’améliorer la gestion des boues fécales dans le contexte des pays en développement. Pour ce faire, une série d’expérimentations a été réalisée, s’attardant à des problématiques précises de caractérisation ou de quantification des boues fécales. De façon plus précise, la première étude (CHAPITRE 4) visait la modélisation du taux d’accumulation des boues fécales en utilisant une régression linéaire multiple. Les résultats obtenus revoient un modèle impliquant les valeurs du volume des fosses et de l’âge des latrines comme principale variables indépendantes. La valeur du coefficient de détermination (r2) qui a été obtenue est de r2 = 0.41. Ceci qui est légèrement supérieure à la valeur obtenue à l’aide du modèle de bilan de masse développé par Brouckaert et al. (2013), pour lequel seulement 50% des latrines étaient à moins de 40% d’erreurs. Par la suite, des travaux visant la caractérisation de l’effet inhibitif de l’azote ammoniacal sur la digestion anaérobie des boues fécales au sein des fosses ont été réalisés (CHAPITRE 5). L’objectif était de valider l’hypothèse selon laquelle les fortes concentrations en azote au sein des fosses (causées par la présence d’urine) influenceraient les mécanismes de biodégradation, et conséquemment les taux d’accumulation. La méthodologie développée à d’abords été testée et validée avec des boues de digesteur anaérobie (provenant d’un réacteur complètement mélangé). Par ailleurs, le protocole développé n’a pas mené à des résultats concluants en utilisant des boues fécales. Effectivement, bien que plusieurs tests d’activité méthanogène spécifique (specific methanogenic activity - SMA) aient été réalisées (en changeant le ratio inoculum (boues)/substrat (acétate), et la durée), aucun des tests exécutés n’a démontré une production de méthane. À la lumière des résultats précédents (CHAPITRE 5), des travaux supplémentaires ont été réalisés visant à caractériser l’activité microbienne des boues fécales et de la matière fécale fraîche en termes des populations spécifiques à la digestion anaérobie (e.g. bactéries hydrolytiques et fermentatives, et méthanogènes méthylotrophes, acétoclastiques ou hydrogénotrophes) (CHAPITRE 6). Pour ce faire, la méthodologie utilisée consistait à mesurer la production de gaz (comme indicateur de l’activité microbienne) des échantillons de boues mélangés avec différents substrats spécifiques (e.i. acétate, méthanol, formate, glucose). Les résultats issus de cette étude ont démontré que l’utilisation des substrats de formate et de glucose présente l’activité microbienne la plus élevée lorsque mélangés avec une solution de matière fécale fraîche (soit de 112.17 et de 76.41 ml gaz/ g SV, pour le formate et le glucose, respectivement). Alors que l’utilisation des substrats de glucose et de méthanol ont résulté à l’activité la plus élevée avec des solutions de boues fécales plus âgées (soit de 129.15 et de 85.42 ml gaz/ g SV, pour le méthanol et le glucose, respectivement). Par ailleurs, une absence de l’activité méthanogène a été observé en utilisant de l’acétate comme substrat pour les deux types de boues. Ces résultats concordent avec la littérature, où des tests de séquençages d’ADN n’ont pas mené à l’identification des archaea méthanogènes acétoclasitques au sein d’échantillons de boues fécales issues de latrines à fosses (Byrne 2016, Torondel 2017). Les résultats issus de cette étude remettent donc en perspective la présence d’une digestion anaérobie acétoclastique au sein des fosses, hypothèse qui est largement présumée dans de nombreux guides de conception des latrines à fosses conventionnelles. Finalement la dernière étude constituait une étude préliminaire sur la caractérisation des propriétés de séchage de la matière fécale fraîche (CHAPITRE 7). Plus particulièrement par la détermination et par la modélisation des isothermes de sorption. Cette étude s’inscrit dans le cadre actuel où les techniques de séchage pour le transport efficient des boues gagnent en popularité, alors qu’un manque de données sur les propriétés des boues persiste. Ainsi, les résultats obtenus démontrent que les isothermes de sorption tendent à suivre une forme sigmoïde, laquelle est caractérisée par deux points d’inflexion de surface et une augmentation rapide de la teneur en eau à des valeurs d'humidité relative supérieures à 75 % HR. / L’assainissement autonome (non raccordés à un système d’égout) est largement répandu dans les pays à faible revenu. Selon les estimations, 2.7 milliards de personnes seraient desservies principalement par des technologies d'assainissement individuelles, dont près de la moitié seraient situées en zones urbaines des pays en voie de développement (WWAP 2017). Or, l’ampleur de la couverture des installations sanitaires autonomes commence à poser de nombreux problèmes et défis techniques aux municipalités des régions concernées. En effet, l’augmentation croissante des fosses devant être vidangées, couplé aux manques d’organisation et de ressources, et à l’absence de connaissances précises sur les caractéristiques et les quantités de boues fécales générées, ne permettent pas actuellement d’assurer une vidange sécuritaire et de planifier la gestion efficace des boues fécales dans ces endroits. On estime ainsi que 74 % des fosses des installations sanitaires autonomes seront vidangées de façon non sécuritaire par année, c’est-à-dire que les boues fécales retirées seront déversées dans les cours d’eau ou terrains environnants sans traitement. Ainsi, dans la perspective d’organiser la gestion des boues fécales dans le contexte des pays en voie de développement, il conviendrait d’améliorer les connaissances sur les taux de remplissage des latrines à fosse, ainsi que sur les données de caractérisation des boues fécales. L’objectif général de cette thèse est d’améliorer la gestion des boues fécales dans le contexte des pays en développement. Pour ce faire, une série d’expérimentations a été réalisée, s’attardant à des problématiques précises de caractérisation ou de quantification des boues fécales. De façon plus précise, la première étude (CHAPITRE 4) visait la modélisation du taux d’accumulation des boues fécales en utilisant une régression linéaire multiple. Les résultats obtenus revoient un modèle impliquant les valeurs du volume des fosses et de l’âge des latrines comme principale variables indépendantes. La valeur du coefficient de détermination (r2) qui a été obtenue est de r2 = 0.41. Ceci qui est légèrement supérieure à la valeur obtenue à l’aide du modèle de bilan de masse développé par Brouckaert et al. (2013), pour lequel seulement 50% des latrines étaient à moins de 40% d’erreurs. Par la suite, des travaux visant la caractérisation de l’effet inhibitif de l’azote ammoniacal sur la digestion anaérobie des boues fécales au sein des fosses ont été réalisés (CHAPITRE 5). L’objectif était de valider l’hypothèse selon laquelle les fortes concentrations en azote au sein des fosses (causées par la présence d’urine) influenceraient les mécanismes de biodégradation, et conséquemment les taux d’accumulation. La méthodologie développée à d’abords été testée et validée avec des boues de digesteur anaérobie (provenant d’un réacteur complètement mélangé). Par ailleurs, le protocole développé n’a pas mené à des résultats concluants en utilisant des boues fécales. Effectivement, bien que plusieurs tests d’activité méthanogène spécifique (specific methanogenic activity - SMA) aient été réalisées (en changeant le ratio inoculum (boues)/substrat (acétate), et la durée), aucun des tests exécutés n’a démontré une production de méthane. À la lumière des résultats précédents (CHAPITRE 5), des travaux supplémentaires ont été réalisés visant à caractériser l’activité microbienne des boues fécales et de la matière fécale fraîche en termes des populations spécifiques à la digestion anaérobie (e.g. bactéries hydrolytiques et fermentatives, et méthanogènes méthylotrophes, acétoclastiques ou hydrogénotrophes) (CHAPITRE 6). Pour ce faire, la méthodologie utilisée consistait à mesurer la production de gaz (comme indicateur de l’activité microbienne) des échantillons de boues mélangés avec différents substrats spécifiques (e.i. acétate, méthanol, formate, glucose). Les résultats issus de cette étude ont démontré que l’utilisation des substrats de formate et de glucose présente l’activité microbienne la plus élevée lorsque mélangés avec une solution de matière fécale fraîche (soit de 112.17 et de 76.41 ml gaz/ g SV, pour le formate et le glucose, respectivement). Alors que l’utilisation des substrats de glucose et de méthanol ont résulté à l’activité la plus élevée avec des solutions de boues fécales plus âgées (soit de 129.15 et de 85.42 ml gaz/ g SV, pour le méthanol et le glucose, respectivement). Par ailleurs, une absence de l’activité méthanogène a été observé en utilisant de l’acétate comme substrat pour les deux types de boues. Ces résultats concordent avec la littérature, où des tests de séquençages d’ADN n’ont pas mené à l’identification des archaea méthanogènes acétoclasitques au sein d’échantillons de boues fécales issues de latrines à fosses (Byrne 2016, Torondel 2017). Les résultats issus de cette étude remettent donc en perspective la présence d’une digestion anaérobie acétoclastique au sein des fosses, hypothèse qui est largement présumée dans de nombreux guides de conception des latrines à fosses conventionnelles. Finalement la dernière étude constituait une étude préliminaire sur la caractérisation des propriétés de séchage de la matière fécale fraîche (CHAPITRE 7). Plus particulièrement par la détermination et par la modélisation des isothermes de sorption. Cette étude s’inscrit dans le cadre actuel où les techniques de séchage pour le transport efficient des boues gagnent en popularité, alors qu’un manque de données sur les propriétés des boues persiste. Ainsi, les résultats obtenus démontrent que les isothermes de sorption tendent à suivre une forme sigmoïde, laquelle est caractérisée par deux points d’inflexion de surface et une augmentation rapide de la teneur en eau à des valeurs d'humidité relative supérieures à 75 % HR. D’une première part, ceci signifie que la teneur en eau de la matière fécale semblerait être plus facile à extraire jusqu'à une valeur d’environ 1 à 1.5g H2O/g d’échantillon - base humide. D’autre part, le modèle de Guggenheim-Anderson-de Boer (GAB) sembleraient être le plus approprié pour décrire les courbes d’isothermes, avec une estimation acceptable (Pr (> / 347661\u L’assainissement autonome (non raccordés à un système d’égout) est largement répandu dans les pays à faible revenu. Selon les estimations, 2.7 milliards de personnes seraient desservies principalement par des technologies d'assainissement individuelles, dont près de la moitié seraient situées en zones urbaines des pays en voie de développement (WWAP 2017). Or, l’ampleur de la couverture des installations sanitaires autonomes commence à poser de nombreux problèmes et défis techniques aux municipalités des régions concernées. En effet, l’augmentation croissante des fosses devant être vidangées, couplé aux manques d’organisation et de ressources, et à l’absence de connaissances précises sur les caractéristiques et les quantités de boues fécales générées, ne permettent pas actuellement d’assurer une vidange sécuritaire et de planifier la gestion efficace des boues fécales dans ces endroits. On estime ainsi que 74 % des fosses des installations sanitaires autonomes seront vidangées de façon non sécuritaire par année, c’est-à-dire que les boues fécales retirées seront déversées dans les cours d’eau ou terrains environnants sans traitement. Ainsi, dans la perspective d’organiser la gestion des boues fécales dans le contexte des pays en voie de développement, il conviendrait d’améliorer les connaissances sur les taux de remplissage des latrines à fosse, ainsi que sur les données de caractérisation des boues fécales. L’objectif général de cette thèse est d’améliorer la gestion des boues fécales dans le contexte des pays en développement. Pour ce faire, une série d’expérimentations a été réalisée, s’attardant à des problématiques précises de caractérisation ou de quantification des boues fécales. De façon plus précise, la première étude (CHAPITRE 4) visait la modélisation du taux d’accumulation des boues fécales en utilisant une régression linéaire multiple. Les résultats obtenus revoient un modèle impliquant les valeurs du volume des fosses et de l’âge des latrines comme principale variables indépendantes. La valeur du coefficient de détermination (r2) qui a été obtenue est de r2 = 0.41. Ceci qui est légèrement supérieure à la valeur obtenue à l’aide du modèle de bilan de masse développé par Brouckaert et al. (2013), pour lequel seulement 50% des latrines étaient à moins de 40% d’erreurs. Par la suite, des travaux visant la caractérisation de l’effet inhibitif de l’azote ammoniacal sur la digestion anaérobie des boues fécales au sein des fosses ont été réalisés (CHAPITRE 5). L’objectif était de valider l’hypothèse selon laquelle les fortes concentrations en azote au sein des fosses (causées par la présence d’urine) influenceraient les mécanismes de biodégradation, et conséquemment les taux d’accumulation. La méthodologie développée à d’abords été testée et validée avec des boues de digesteur anaérobie (provenant d’un réacteur complètement mélangé). Par ailleurs, le protocole développé n’a pas mené à des résultats concluants en utilisant des boues fécales. Effectivement, bien que plusieurs tests d’activité méthanogène spécifique (specific methanogenic activity - SMA) aient été réalisées (en changeant le ratio inoculum (boues)/substrat (acétate), et la durée), aucun des tests exécutés n’a démontré une production de méthane. À la lumière des résultats précédents (CHAPITRE 5), des travaux supplémentaires ont été réalisés visant à caractériser l’activité microbienne des boues fécales et de la matière fécale fraîche en termes des populations spécifiques à la digestion anaérobie (e.g. bactéries hydrolytiques et fermentatives, et méthanogènes méthylotrophes, acétoclastiques ou hydrogénotrophes) (CHAPITRE 6). Pour ce faire, la méthodologie utilisée consistait à mesurer la production de gaz (comme indicateur de l’activité microbienne) des échantillons de boues mélangés avec différents substrats spécifiques (e.i. acétate, méthanol, formate, glucose). Les résultats issus de cette étude ont démontré que l’utilisation des substrats de formate et de glucose présente l’activité microbienne la plus élevée lorsque mélangés avec une solution de matière fécale fraîche (soit de 112.17 et de 76.41 ml gaz/ g SV, pour le formate et le glucose, respectivement). Alors que l’utilisation des substrats de glucose et de méthanol ont résulté à l’activité la plus élevée avec des solutions de boues fécales plus âgées (soit de 129.15 et de 85.42 ml gaz/ g SV, pour le méthanol et le glucose, respectivement). Par ailleurs, une absence de l’activité méthanogène a été observé en utilisant de l’acétate comme substrat pour les deux types de boues. Ces résultats concordent avec la littérature, où des tests de séquençages d’ADN n’ont pas mené à l’identification des archaea méthanogènes acétoclasitques au sein d’échantillons de boues fécales issues de latrines à fosses (Byrne 2016, Torondel 2017). Les résultats issus de cette étude remettent donc en perspective la présence d’une digestion anaérobie acétoclastique au sein des fosses, hypothèse qui est largement présumée dans de nombreux guides de conception des latrines à fosses conventionnelles. Finalement la dernière étude constituait une étude préliminaire sur la caractérisation des propriétés de séchage de la matière fécale fraîche (CHAPITRE 7). / 347661\u L’assainissement autonome (non raccordés à un système d’égout) est largement répandu dans les pays à faible revenu. Selon les estimations, 2.7 milliards de personnes seraient desservies principalement par des technologies d'assainissement individuelles, dont près de la moitié seraient situées en zones urbaines des pays en voie de développement (WWAP 2017). Or, l’ampleur de la couverture des installations sanitaires autonomes commence à poser de nombreux problèmes et défis techniques aux municipalités des régions concernées. En effet, l’augmentation croissante des fosses devant être vidangées, couplé aux manques d’organisation et de ressources, et à l’absence de connaissances précises sur les caractéristiques et les quantités de boues fécales générées, ne permettent pas actuellement d’assurer une vidange sécuritaire et de planifier la gestion efficace des boues fécales dans ces endroits. On estime ainsi que 74 % des fosses des installations sanitaires autonomes seront vidangées de façon non sécuritaire par année, c’est-à-dire que les boues fécales retirées seront déversées dans les cours d’eau ou terrains environnants sans traitement. Ainsi, dans la perspective d’organiser la gestion des boues fécales dans le contexte des pays en voie de développement, il conviendrait d’améliorer les connaissances sur les taux de remplissage des latrines à fosse, ainsi que sur les données de caractérisation des boues fécales. L’objectif général de cette thèse est d’améliorer la gestion des boues fécales dans le contexte des pays en développement. Pour ce faire, une série d’expérimentations a été réalisée, s’attardant à des problématiques précises de caractérisation ou de quantification des boues fécales. De façon plus précise, la première étude (CHAPITRE 4) visait la modélisation du taux d’accumulation des boues fécales en utilisant une régression linéaire multiple. Les résultats obtenus revoient un modèle impliquant les valeurs du volume des fosses et de l’âge des latrines comme principale variables indépendantes. La valeur du coefficient de détermination (r2) qui a été obtenue est de r2 = 0.41. Ceci qui est légèrement supérieure à la valeur obtenue à l’aide du modèle de bilan de masse développé par Brouckaert et al. (2013), pour lequel seulement 50% des latrines étaient à moins de 40% d’erreurs. Par la suite, des travaux visant la caractérisation de l’effet inhibitif de l’azote ammoniacal sur la digestion anaérobie des boues fécales au sein des fosses ont été réalisés (CHAPITRE 5). L’objectif était de valider l’hypothèse selon laquelle les fortes concentrations en azote au sein des fosses (causées par la présence d’urine) influenceraient les mécanismes de biodégradation, et conséquemment les taux d’accumulation. La méthodologie développée à d’abords été testée et validée avec des boues de digesteur anaérobie (provenant d’un réacteur complètement mélangé). Par ailleurs, le protocole développé n’a pas mené à des résultats concluants en utilisant des boues fécales. Effectivement, bien que plusieurs tests d’activité méthanogène spécifique (specific methanogenic activity - SMA) aient été réalisées (en changeant le ratio inoculum (boues)/substrat (acétate), et la durée), aucun des tests exécutés n’a démontré une production de méthane. À la lumière des résultats précédents (CHAPITRE 5), des travaux supplémentaires ont été réalisés visant à caractériser l’activité microbienne des boues fécales et de la matière fécale fraîche en termes des populations spécifiques à la digestion anaérobie (e.g. bactéries hydrolytiques et fermentatives, et méthanogènes méthylotrophes, acétoclastiques ou hydrogénotrophes) (CHAPITRE 6). Pour ce faire, la méthodologie utilisée consistait à mesurer la production de gaz (comme indicateur de l’activité microbienne) des échantillons de boues mélangés avec différents substrats spécifiques (e.i. acétate, méthanol, formate, glucose). Les résultats issus de cette étude ont démontré que l’utilisation des substrats de formate et de glucose présente l’activité microbienne la plus élevée lorsque mélangés avec une solution de matière fécale fraîche (soit de 112.17 et de 76.41 ml gaz/ g SV, pour le formate et le glucose, respectivement). Alors que l’utilisation des substrats de glucose et de méthanol ont résulté à l’activité la plus élevée avec des solutions de boues fécales plus âgées (soit de 129.15 et de 85.42 ml gaz/ g SV, pour le méthanol et le glucose, respectivement). Par ailleurs, une absence de l’activité méthanogène a été observé en utilisant de l’acétate comme substrat pour les deux types de boues. Ces résultats concordent avec la littérature, où des tests de séquençages d’ADN n’ont pas mené à l’identification des archaea méthanogènes acétoclasitques au sein d’échantillons de boues fécales issues de latrines à fosses (Byrne 2016, Torondel 2017). Les résultats issus de cette étude remettent donc en perspective la présence d’une digestion anaérobie acétoclastique au sein des fosses, hypothèse qui est largement présumée dans de nombreux guides de conception des latrines à fosses conventionnelles. Finalement la dernière étude constituait une étude préliminaire sur la caractérisation des propriétés de séchage de la matière fécale fraîche (CHAPITRE 7). Plus particulièrement par la détermination et par la modélisation des isothermes de sorption. Cette étude s’inscrit dans le cadre actuel où les techniques de séchage pour le transport efficient des boues gagnent en popularité, alors qu’un manque de données sur les propriétés des boues persiste. Ainsi, les résultats obtenus démontrent que les isothermes de sorption tendent à suivre une forme sigmoïde, laquelle est caractérisée par deux points d’inflexion de surface et une augmentation rapide de la teneur en eau à des valeurs d'humidité relative supérieures à 75 % HR. D’une première part, ceci signifie que la teneur en eau de la matière fécale semblerait être plus facile à extraire jusqu'à une valeur d’environ 1 à 1.5g H2O/g d’échantillon - base humide. D’autre part, le modèle de Guggenheim-Anderson-de Boer (GAB) sembleraient être le plus approprié pour décrire les courbes d’isothermes, avec une estimation acceptable (Pr (>

Ce mémoire de maîtrise présente en détail le projet de recherche sur la valorisation des boues de procédé de l'entreprise Celanese, manufacturier de polymères situé à Boucherville. Les boues, contenant principalement du poly acétate de vinyle, sont présentement destinées à l'enfouissement, ce qui entraine des dépenses économiques importantes ainsi qu'un impact négatif sur l'environnement. Ce projet a comme objectif d'étudier la faisabilité de la digestion anaérobie comme solution de valorisation et de proposer la meilleure option de valorisation à Celanese. En premier lieu, une mise en contexte présente la compagnie Celanese et les objectifs du projet. Puis, le premier chapitre présente en détail la digestion anaérobie, son utilité et la théorie associée au test de potentiel biométhanogène. Ensuite, la méthodologie présente les étapes effectuées par l'étudiant pour répondre aux objectifs du projet. La méthodologie inclut les étapes de l'échantillonnage, la caractérisation, le test de potentiel biométhanogène et les prétraitements aux boues pour améliorer les résultats. La section résultats présente par la suite les résultats de la caractérisation et des deux essais du test de potentiel biométhanogène. Finalement, une analyse technico-économique est présentée à la fin pour évaluer la rentabilité du projet. Les recommandations finales indiquent que la digestion anaérobie des boues non traitées n'est pas réalisable en raison du manque de production de gaz. De son côté, la digestion anaérobie des boues traitées améliore la production, mais l'analyse économique préliminaire indique que le projet ne serait pas rentable selon les critères de Celanese. Le dernier chapitre présente une alternative à la digestion anaérobie, soit la pyrolse. Les résultats d'une analyse thermogravimétrique semblent montrer que la pyrolyse est prometteuse. La recommandation générale du projet est d'évaluer dans le futur la pyrolyse des boues de Celanese plutôt que la digestion anaérobie. / This Master thesis presents the details of the research project concerning the valorization of process sludge of Celanese, polymers manufacturer located in Boucherville. Their sludge, containing mainly polyvinyl acetate, is currently destined to landfilling, which causes economic and environmental problems to the company. The objective of this project is to study the feasibility of anaerobic digestion as a solution of the valorization and to recommend the best solution to Celanese. First, the general context of the project is presented, with presentation of the company Celanese and the project objectives. Then, the first chapter presents in detail the anaerobic digestion, its utility and the theory related to the biomethane potential test. Then, the methodology chapter presents the different steps of the project according to its objectives. Methodology includes sampling, characterization, the biomethane potential test and the pretreatment to improve methane production. Results chapter then presents results of characterization and both tests of biomethane potential. Finally, a technical and economic analysis is presented to evaluate the profitability of the project. Final recommendations indicate that anaerobic digestion of untreated sludge is not possible because of the lack of biogas production. Anaerobic digestion of treated sludge improves biogas production, but economic analysis shows that treatment would not be profitable according to the Celanese's economic criteria. The final chapter presents the alternative option to anaerobic digestion, which is pyrolysis. Results from a thermogravimetric analysis indicate that pyrolysis might be a promising solution. The general recommendation of this project if to evaluate pyrolysis of Celanese's sludge as a future alternative to anaerobic digestion.

L'azote et le phosphore sont à l'origine de problèmes environnementaux entraînant un stress environnemental sur les écosystèmes aquatiques, comme l'eutrophisation et la toxicité. Pour contrer ces impacts, l'utilisation de procédés de traitement avancés est nécessaire pour respecter les réglementations strictes en matière de rejet. Une augmentation annuelle de l'utilisation des nutriments par la société est observée alors que les réserves mondiales de phosphore (P) et potassium (K) sont limitées. Compte tenu de leur importance dans toute vie, la récupération de ces nutriments à partir des eaux usées a retenu l'attention des chercheurs et est devenue un domaine de recherche très important. Les stations de traitement des eaux usées (STEP) sont considérées comme l'un des points d'accumulation importants de phosphore avec environ 1,3 million de tonnes d'élimination de P par an via le traitement des eaux usées dans le monde (Li et Li 2017). La valorisation du P des eaux usées pourrait ainsi couvrir environ 15 à 20% de la demande mondiale de phosphore (Yuan et al. 2012). Par conséquent, les stations d'épuration sont désormais considérées comme des installations de récupération des ressources de l'eau (StaRRE), un lieu où la valorisation et la gestion des biodéchets sont poursuivies. Les procédés électrochimiques peuvent être utilisés comme traitement tertiaire pour l'élimination du P (Tran et al. 2012). De nos jours, il suscite également l'intérêt des chercheurs en tant que nouvel outil pour les processus de récupération des nutriments tels que l'électrodialyse, l'électrocoagulation, le dosage électrochimique de magnésium, etc. Par contre, des applications à l'échelle pilote et à grande échelle nécessitent encore davantage d'investigations et de recherches. Dans ce projet de recherche, une technique d'électrocoagulation est appliquée pour la première fois pour récupérer le phosphore sous forme de vivianite à partir des eaux usées. En fait, la récupération du phosphore sous forme de vivianite, une pratique innovante, a attiré une attention considérable en raison de son omniprésence naturelle, de sa facilité d'accès et de sa valeur économique prévisible (Wu et al. 2019). Le processus d'électrocoagulation proposé utilise une anode de fer sacrificielle pour produire des ions ferreux formés lors de la dissolution de l'anode. Ces ions réagiront avec les ions du phosphore dans les eaux usées, en particulier PO₄³⁻ , HPO₄²⁻ et H₂PO₄⁻, entraînant la formation de vivianite, Fe₃(PO₄)₂,8H₂O, utilisable dans différents types d'application : engrais à libération lente, batterie Li-ion, peinture. . .Dans le cadre de ce projet, la modélisation électrochimique avec PHREEQC est utilisée afin d'étudier la dissolution de l'anode de fer, les conditions optimales de la précipitation de vivianite, les facteurs limitant cette formation et le suivi du processus de la précipitation dans une matrice d'eau usées complexe. PHREEQC a été démontré d'être un outil puissant pour effectuer des calculs de spéciation et l'évaluation de l'indice de saturation qui détermine le taux de précipitation. La partie expérimentale du travail couvre la récupération de vivianite en utilisant la méthode d'électrocoagulation. Cette récupération est évaluée dans des réacteurs de laboratoire opérés en mode batch et en mode continu afin d'évaluer respectivement, la récupération de vivianite comme une nouvelle route de récupération de P et la cinétique de sa précipitation a différentes valeurs de pH. / Nitrogen and phosphorus are causing environmental problems leading to environmental stress on aquatic ecosystems such as eutrophication and toxicity. To counteract these impacts, the use of advanced treatment processes is required to meet the strict discharge regulations. An annual increase in nutrient use by society is observed while global phosphorus (P) and potassium (K) reserves are becoming limited. Given their importance in all life, the recoveryof these nutrients from waste water has gained the attention of researchers and has become a highly important research field. Waste water treatment plants (WWTPs) are considered one of the important accumulation points of phosphorus with around 1.3 million tons of P-removed globally per year via sewage treatment (Li et Li 2017). P-recovery from wastewater could thus cover around 15-20% of the global phosphorus demand (Yuan et al. 2012). Therefore, WWTPs are now considered as Water Resource Recovery Facilities (WRRFs), a place where biowaste valorization and management are pursued. Electrochemical processes can be used as tertiary treatment for P-removal (Tran et al. 2012). Nowadays, it is also gaining the interest of researchers as a new tool for nutrient recovery processes such as electrodialysis, electrocoagulation, electrochemical magnesium dosage, etc.Based on a literature review, it could be concluded that all these processes have currently only been studied at pilot-scale, and full-scale application still needs more investigation and research. In this research project, an electrocoagulation technique was applied for the first time to recover phosphorus from wastewater as vivianite. In fact, vivianite phosphorus recovery, an innovative practice, has attracted considerable attention for its natural ubiquity, easy accessibility and foreseeable economic value (Wu et al. 2019). The proposed electrocoagulation process uses a sacrificial iron anode to produce ferrous ions formed during anode dissolution,reacting with ions in wastewater, in particular PO₄³⁻ , HPO₄²⁻ et H₂PO₄ , resulting in the formation of vivianite, Fe₃(PO₄)₂,8H₂O, that can be used in different types of application : slow release fertilizer, Li-ion battery, paint . . . As part of this project, electrochemical modelling with PHREEQC was used to study the dissolution of the iron anode, the optimal conditions for vivianite precipitation, the factors limiting its formation and the monitoring of the precipitation process in a complex wastewater matrix. PHREEQC was found to be a powerful tool to perform speciation calculations and the evaluation of the saturation index which determines the rate of precipitation. The experimental part of the work studied the recovery of vivianite using electrocoagulation. This recovery was evaluated in lab-scale reactors operating in batch mode and in continuous mode in order to evaluate respectively, the recovery of vivianite as a new route of recovery of P and the kinetics of its precipitation at different pH values.

Des additifs pour le traitement des fosses septiques sont proposés sur le marché, dans le but d’améliorer leur fonctionnement. Cependant, leur influence n’a pas été vérifiée. Un projet de recherche a été mis en place afin d’évaluer l’influence des bio-additifs sur la dégradation des boues de fosse septique. L’étude a été menée, à l’échelle du laboratoire, sur trois produits de traitement testés sur six échantillons différents d’effluents de fosses septiques vidangées. Un témoin (sans additif) a servi de référence pour évaluer la dégradation naturelle simulée des boues de fosse septique et la comparer à celle des bio-additifs. Ils ont été incubés à une température de 35°C, pendant une période de dix jours. Afin d’évaluer leur rôle dans le traitement, les paramètres suivants ont été mesurés : solides totaux, solides volatils, demande chimique en oxygène, coliformes fécaux et production de méthane. Ces paramètres ont été mesurés avant le lancement, à la moitié (5 jours) et à la fin de chaque essai. Les analyses statistiques des résultats obtenus (analyse de la variance et test de Dunnett) n’ont pas permis de mettre en lumière une différence significative entre les bio-additifs utilisés et le témoin, à un seuil de confiance de α=0,05. Une partie du projet s’est également concentrée sur la conception de méthodes de mesure du méthane en laboratoire. Les expériences ont été menées en parallèle avec celles menées sur les bio-additifs. Les résultats de l’étude statistique semblent être concluants concernant la fiabilité des mesures faites avec les montages expérimentaux conçus en laboratoire. / Additives for septic tank treatment are available in order to improve their performance. However, their influence has not yet been proven. A research project was initiated to assess the influence of bio-additives on septic tank sludge degradation. The study was conducted at laboratory scale with regard to three treatment products tested on six different effluent samples from emptied septic tanks. A blank (without additive) was used as a reference to assess the natural degradation of septic tank sludge and to compare with the effects of the bio-additives. These samples were incubated at 35°C for ten days. In order to evaluate the bio-additive contribution, the following parameters were measured: total solids, volatile solids, chemical oxygen demand, fecal coliforms and methane production, and that before, halfway and at the end of each test. The statistical analysis of the results (analysis of variance and Dunnett’s test) was inconclusive to highlight a difference between the bio-additives and the reference at a confidence level of 5%. Another part of this project was to design laboratory methods for methane measurement. These tests were conducted at the same time as the bio-additives experiments. The statistical results seem conclusive as to the reliability of the measurements made with the experimental apparatus designed in the laboratory.

Les biosolides et les cendres de combustion de boues (CCB) constituent des sources importantes d’éléments nutritifs (particulièrement l’azote et/ou le phosphore). Bien que plusieurs auteurs aient étudié la disponibilité de ces éléments dans les biosolides, ces études se sont concentrées sur des produits spécifiques et réalisées dans des conditions expérimentales différentes, générant des résultats très diversifiés. Ainsi, il n’existe actuellement aucun modèle de prédiction de la disponibilité de ces éléments pour les cultures. Concernant les CCB, elles ont été largement caractérisées chimiquement au cours des dernières années, mais il existe très peu d'études sur la réponse des cultures à cette source de phosphore. Cette étude fournit des modèles de prédiction de la disponibilité de l’azote et du phosphore dans ces produits afin d’améliorer l'efficacité de leur recyclage agricole et éviter les risques environnementaux. Deux modèles d’évaluation et de classification de la biodisponibilité de l’azote et du phosphore dans les biosolides ont été élaborés à partir des données de la littérature scientifique nationale et internationale. Le potentiel fertilisant de 12 CCB provenant de monoincinérateurs situés au Canada et aux États-Unis a été également testé dans une expérimentation réalisée en serre en utilisant deux types de sol. Ensuite, la modélisation par la méthode de forêt aléatoire a été utilisée pour déterminer un indicateur de prédiction de la disponibilité du P dans les CCB. En fonction du rapport C/N, la disponibilité de l’azote dans les matières résiduelles fertilisantes a été classée en deux grands systèmes : un minéralisateur et un immobilisateur, pour un total de six sous-systèmes: i) forte minéralisation : coefficient d’efficacité relative de l’azote (CERN) de +66% et C/N≤5, ii) minéralisation moyenne : CERN de +33% et 5<C/N≤16, iii) faible minéralisation : CERN de +9% et 16<C/N≤38, iv) faible immobilisation : CERN de -9% et 38<C/N≤90, v) immobilisation moyenne : CERN de -27% et 90<C/N≤140, vi) forte immobilisation : CERN de -55% et C/N>140. En fonction de la concentration molaire total en aluminium et en fer, la disponibilité du phosphore dans les biosolides a été divisée en 4 classes de disponibilité: i) très élevée (230-400 mmol kg-1), ii) élevée (401-1100 mmol kg-1), iii) moyenne (1101-2800 mmol kg-1) et iv) faible (2801-5132 mmol kg-1). Suite à l'application des CCB, l'augmentation de la biomasse aérienne du ray-grass par rapport au témoin varie de 4-29% et de 15-59% dans les sols argileux et loam sableux, respectivement. Cette augmentation est en moyenne 40% inférieure à celle du triple super phosphate (TSP) pour les deux types de sols. Les plus grandes augmentations de biomasse ont été obtenues pour les CCB ayant un pourcentage de solubilité du P (PSP) ≥ 54%. Un comportement similaire a été observé pour le prélèvement du P par la plante avec des augmentations maximales de 26% et de 165% pour le sol argileux et loam sableux, respectivement. Suite à l'application des CCB, l’augmentation de la biomasse et du prélèvement en P est supérieure à celle du phosphate naturel (PN) dans le sol argileux, mais similaire dans le sol loam sableux. La modélisation par la méthode de forêt aléatoire montre que l’extraction à l’oxalate est un indicateur pratique de prédiction de la disponibilité du phosphore des CCB et que l’aluminium est le facteur influençant le plus cette disponibilité. / Biosolids and sludges incinerated ashes (SIA) are valuables sources of nutrients (N, P) and organics matter. During the last decades, a considerable amount of research has been done on biosolids nutrients availability after their application onto agricultural land. But these studies are focused on specific products and performed under different experimental conditions, generating very different results. Therefore, so far, no model has been proposed to predict nitrogen and phosphorus plant availability for biosolids land application. Although the chemical characterization of SIA has been widely examined, there are only a few studies regarding crop responses to this source of P. This study has generated prediction models to evaluate nitrogen and phosphorus plant availability in these products in order to improve their agricultural recycling and avoid environmental risks of pollution. Data were collected from national and international literature in order to design two models to assess and classify nitrogen and phosphorus availability in SIA. Twelve SIA from mono-incinerators located in Canada and the USA were tested for their fertilizing potential in a greenhouse experiment. Then, random forest modeling was used to find out an indicator of prediction of SIA phosphorus availability. Depending on the C/N ratio of non-composted by-products, six categories were defined. i) high mineralization: +66 % relative N effectiveness (RNE) and 5 ≤ C/N, ii) moderate mineralization: +33 % RNE and 5 < C/N ≤ 16, iii) low mineralization: +9 % RNE and 16 < C/N ≤ 38, iv) low immobilization: −9% RNE and 38 < C/N ≤ 90, v) moderate immobilization: −27 % RNE and 90 < C/N ≤ 140, and vi) high immobilization: −55 % RNE and C/N > 140. According to the total molar concentration of Al and Fe in biosolids, phosphorus availability were divided into 4 classes: i) very high (230-400 mmol kg-1), ii) high (401-1100 mmol kg-1), iii) medium (1101-2800 mmol kg-1), and, iv), and low (2801-5132 mmol kg-1). The biomass increases following an SIA application were as high as 29 % and 59 % more than the control for the sandy loam and clayey soil, respectively, but 40% less than for the triple super phosphate (TSP), for both soils. The ray-grass biomass and P uptake increases due to SIA applications were larger than those of rock phosphate (RP) application in the clayey soil, but similar to those in the sandy loam soil. A similar behavior was observed for P uptake, with a maximum increase of 26 % for the clayey soil, and 165 % for the sandy loam soil. The SIA with a PSP of ≥ 54% significantly increased soil available P stocks and saturation. The random forest modeling shows that oxalate extraction is a practical indicator of prediction of SIA phosphorus availability. Also, this modeling shows that SIA Al content is the most influent factor of this availability.

Cette étude s'est intéressée à la caractérisation moléculaire du contenu organique de boues résiduaires de stations d'épuration de la région Lorraine. Les quarante huit échantillons collectés proviennent de stations domestiques de différentes tailles (rurales, petites urbaines et urbaines), de stations industrielles (papeteries) et de stations agro-alimentaires (laiteries et fromageries). Le premier volet développé au cours de cette étude a permis de dresser l'inventaire des composés présents dans les boues d'épuration (i) sous forme libre (fraction organique soluble- FOS) et (ii) sous forme liée à la structure macromoléculaire (fraction organique insoluble- FOI). A cette fin, les outils analytiques respectivement utilisés sont la GC-MS d'une part, et la THM-GC-MS et Py-GC-AED d'autre part. Les résultats de l'analyse de la FOS et de la FOI fournissent une information équivalente dans la mesure où ils permettent de différencier les boues selon leur origine (agro-alimentaire, industrielle ou domestique). Une empreinte moléculaire spécifique à chaque type de boues a ainsi pu être définie. Par ailleurs, l'ensemble des boues domestiques est caractérisé par un fonds géochimique pétrolier, témoignant d'une pollution diffuse commune. Une variabilité autour de ce fonds géochimique a également pu être identifiée pour certaines boues domestiques, sans relation avec la taille de la station, ni le degré d'industrialisation de la région. Ces variations, essentiellement observées au niveau de la FOS, peuvent par contre être imputées à des pollutions ponctuelles ou accidentelles dans le système de collecte des eaux usées domestiques. Ce travail a pour but de fournir, à terme, des paramètres moléculaires d'aide au suivi et au contrôle des réseaux de collecte des eaux usées. Le deuxième volet de ce projet s'est intéressé à l'étude des effets de la biodégradation sur le contenu organique des boues. Afin de simuler les processus de dégradation, quatre échantillons ont été incubés à 24°C pendant 140 jours. L'analyse couplée de la FOS et de la FOI des échantillons biodégradés a permis de déterminer les grandes tendances de l'évolution du contenu organique au cours des expérimentations. Un schéma réactionnel global de biodégradation peut ainsi être proposé : l'altération de la structure macromoléculaire de la FOI libère des composés extractibles, dégradés eux-mêmes en composés de plus bas poids moléculaire ou minéralisés. Par ailleurs, cette étude a permis de déterminer des indices de biodégradation ainsi que des marqueurs organiques résistants à cette biodégradation.

Un essai en serre a été effectué pour évaluer l’effet de sédiments provenant d’étangs épurateurs et régulateurs de l’eau, en l’absence et en présence d’une fumure minérale (N-P-K), sur la croissance, la production de biomasse aérienne sèche (BAS) et la teneur en certains éléments traces métalliques (ÉTM) de l’avoine (Avena sativa L.) cultivée dans un substrat minéral peu fertile. En général, le rendement en BAS a augmenté avec les doses croissantes de sédiments et d’engrais. Bien que le sédiment contenait des éléments nutritifs, sa valeur fertilisante était très faible. Les hauts rendements ont été obtenus avec la combinaison d’engrais minéraux et de sédiments. Les concentrations des ÉTM dans la BAS n’ont pas causées de problèmes de phytotoxicité et étaient en deçà des normes établies. Les prélèvements aériens d’ÉTM les plus élevés ont été obtenus dans le cas des échantillons de sol ayant produit les rendements aériens les plus élevés. / A greenhouse trial was conducted to evaluate the effect of sediments from scrubber and water ponds, in combination with inorganic fertilizers (NPK), on the growth, shoot biomass (SB) production and trace metal element (TME) concentration in SB of oat (Avena sativa L.) grown in a low fertile mineral substrate. In general, the shoot length and SB yield of the plant increased with increasing rates of sediment and inorganic fertilizer. Although the sediment contained nutrients, its fertilizer value was very low. The high SB yields were obtained with the combination of inorganic fertilizers and sediment. The concentrations of TME in SB were below typical phytotoxic levels. The uptake of the highest TME was obtained in the case of substrates that produced the highest yields of SB.

La pollution des eaux dans les réseaux unitaires et sanitaires peut être affectée par le changement du comportement hydraulique dans ces derniers. Les Matières en Suspension (MeS) sont considérées comme un indicateur majeur de cette pollution. C’est dans ce contexte que cette étude s’inscrit. Son objectif principal consiste à caractériser le comportement des polluants particulaires dans les réseaux d’assainissement sous différentes conditions hydrauliques. Afin d’atteindre les objectifs de la recherche, des tests de MeS, MVeS (Matières Volatiles en suspension) et ViCAs (Vitesse de Chute en Assainissement) ont été effectués sur des eaux unitaires et sanitaires de la Ville de Québec. De plus, une base de données a été fournie par la Ville de Québec qui a permis d’étudier le comportement hydraulique. Les résultats obtenus en termes de comportement hydraulique en temps de pluie confirment que le débit varie avec les caractéristiques des évènements pluvieux dans le réseau unitaire. Également, une augmentation importante de débit a été observée en réseau sanitaire vieillissant à la suite de pluies. En termes de qualité de l’eau, l’évolution de la concentration en MeS et MVeS est similaire à l’évolution du débit en temps sec. En temps de pluie, des profils décroissants de MeS sont obtenus pour quelques évènements où la concentration la plus forte peut être associée au premier flot. Les variations en termes d’hydraulique du système ont affecté les vitesses de chute des particules observées. En effet, ces vitesses augmentent avec le débit (la vitesse d’écoulement). D’autre part, l’augmentation de la fraction organique des particules coïncide avec une diminution de leurs vitesses de chute. En conclusion, cette étude a permis une meilleure compréhension des processus affectant le comportement des particules dans les réseaux d’assainissement ce qui contribuera à l’amélioration et la prévision de la qualité de l’eau. / Water pollution in combined and sanitary sewers can be affected by changes in hydraulic behaviour in sewer systems. The Total Suspended Solids (TSS) are considered a major indicator of this type of pollution. It is in this context that this study fits. Its main objective is to characterize the behaviour of particulate pollutants in sewer systems under different hydraulic conditions. In order to achieve the research objectives, analyses of TSS, VSS (Volatile Suspended Solids) and ViCAs (Settling velocity in sewage) were performed with combined and sanitary water samples from Québec City. In addition, a database was provided by the city to study the hydraulic behaviour. The results obtained in terms of the hydraulic behaviour in wet weather show that the variation of the flow rate depends on the characteristics of the rain in the combined sewer system. Also, an important increase in flow in the old sanitary sewer was observed in wet weather. In terms of water quality, the evolution of the concentration of TSS and VSS in dry weather follows the evolution of the flow. In wet weather, decreasing TSS profiles are obtained for some events where high concentrations can be associated to first flush. These variations of the system hydraulics and concentrations of TSS and VSS also affected the particle settling velocity distribution measured with the ViCAs protocol. In fact, the settling velocity increases with the flow (flow velocity). On the other hand, an increase in the organic fraction coincides with a decrease in the settling velocity. In conclusion, this study has provided a better understanding of the processes affecting the behaviour of particles in sewer systems, which will contribute to the improvement and the prediction of water quality.