Une grande variété des eaux résiduelles industrielles et résidentielles contenant de l’ammonium sont rejetées dans la nature sans traitement approprié. Étant donné que cela peut constituer une menace à la fois pour l’environnement et pour la santé humaine, il est courant d’éliminer l’ammonium en le convertissant en azote gazeux qui est rejeté dans l’atmosphère. Bien que cela aide à se conformer aux règlementations environnementales, l’ammonium est un produit de grande valeur, étant l’un des principaux composants des engrais. Malgré cette grande disponibilité en tant que sous-produit, ce nutriment est généralement produit à partir de zéro par des techniques très consommatrices d’énergie qui génèrent des émissions de gaz à effet de serre telles que le procédé Haber-Bosch. Les systèmes de dégazage et absorption permettent de récupérer l’ammonium des eaux usées et de le revaloriser dans un produit utile. Son implémentation dans les grandes industries a été largement validée et rapportée dans la littérature. Des recherches continuent d’être effectuées pour étudier l’effet des différentes caractéristiques des eaux usées, telles que la teneur en chlorure et l’alcalinité, qui peuvent diminuer ou améliorer la récupération de l’ammonium. Plus important encore, son adaptation pour des implémentations à petite échelle n’a pas encore été explorée alors que la possibilité de traiter de petits volumes d’eaux usées et de récupérer des ressources et de l’eau sur site est très intéressante. Compte tenu de ce qui précède, l’objectif de ce projet est d’évaluer la faisabilité de la mise en œuvre de tels systèmes à petite échelle. Ce travail se concentre uniquement sur l’étape de dégazage. Pour cela, il est indispensable de caractériser les effluents de différentes sources et leurs effets sur l’efficacité de récupération de l’ammonium. Un système de dégazage et absorption a été reproduit à l’échelle du laboratoire. Les effets de la teneur en ammonium, de l’alcalinité, de la conductivité électrique et du pH ont été évalués dans des tests par lots utilisant des solutions synthétiques. À partir des résultats, une régression linéaire a été effectuée pour obtenir un modèle mathématique permettant de prédire l’élimination de l'ammoniac à partir des caractéristiques d’un effluent donné. Ce modèle a été utilisé comme noyau d'un modèle de conception qui évalue la faisabilité des systèmes d’extraction de l’ammoniac à partir des caractéristiques des eaux usées et d’un objectif d’élimination prédéfini. En tenant compte des facteurs économiques et à partir d’un problème d’optimisation itératif, le modèle produit la géométrie, le nombre d’unités de dégazage et l’alimentation en air qui minimisent à la fois les frais d'investissement et d’exploitation. Étant donné que la concentration d’ammoniac dans les eaux usées est connue et le pourcentage de récupération est fixé, la conception du procédé n’affecte pas le revenu obtenu de sa vente. Le modèle a été calibré sur la base de solutions synthétiques imitant la composition de l’urine, du lixiviat de compostage et des eaux usées d’aquaculture. Lorsqu’il a été validé par rapport à des effluents réels, il n’a pu prédire que l’efficacité d’élimination de l’urine. Un exemple d’étude de cas portant sur l’analyse technico-économique du fonctionnement d’un système de traitement d’urine à petite échelle a été réalisé. Bien que les frais d’exploitation soient approximativement le double (ou plus si l'épuration est envisagée) de ceux d’un procédé conventionnel d’élimination uniquement, il est intéressant d’un point de vue environnemental. Il est recommandé de poursuivre l’étude des effets des autres composants des eaux usées qui pourraient avoir un impact sur le procédé. Des recherches supplémentaires doivent être menées sur la réduction de frais d’exploitation afin de rendre ces options économiquement intéressantes. / A wide variety of ammonium-bearing industrial and domestic waste streams are discharged into nature without proper treatment. Since this can pose a threat to both the environment and human health, it is common practice to remove ammonium by converting it into nitrogen gas which is released to the atmosphere. Although this helps complying with environmental regulations, ammonium is a highly valuable product, being one of the main components in fertilizers. Despite this extensive availability as by-product, this nutrient is commonly produced from the ground up through highly energy consuming techniques that generate green house gas emissions such as the Haber-Bosch process. The stripping-scrubbing systems allow to recover ammonium from waste water and revalorize it as a useful product. Its application in large-scale industries has been widespread validated and reported in the literature. Research is still being done to study the effect of different characteristics of wastewater,such as chloride content and alkalinity that may decrease or enhance ammonium recovery. More importantly, its adaptation for small-scale applications has not yet been explored despite the fact that the possibility to treat small volumes of wastewater and the recovery of resources and water on-site arevery attractive. Considering the above, the objective of this project is to evaluate the feasibility of implementing such systems in small-scale industries. This work focuses on the stripping stage only.For this, it is essential to characterize the effluents from various sources and their effects on the ammonium recovery efficiency. A stripping-scrubbing system was reproduced at laboratory-scale. The effects of ammonium content, alkalinity, electrical conductivity, and pH were assessed in batch tests using synthetic solutions. From the results, a linear regression was performed to obtain a mathematical model to predict ammonia removal from the characteristics of a given effluent. This model was used as the core of a design model that evaluates the feasibility of ammonia stripping systems from the wastewater characteristics and a predefined removal target. Taking economic factors into accountby means of an iterative optimization problem, it outputs the geometry, number of stripping units, andair supply that minimized both investment and operating costs. Since the target is predefined and the wastewater composition known, the income from selling a fertilizing salt is independent of the design. The model was calibrated based on synthetic solutions mimicking the composition of urine, composting leachate, and aquaculture wastewater. When validated against real effluents, it only was able to predict the removal efficiency of urine. An example case study addressing the techno-economic analysis of the operation of a small-scale urine treatment system was conducted. Although the operating costs approximately double (or more if scrubbing is considered) that of a conventional removal-only process, it is interesting from an environmental perspective. It is recommended to continue studying the effects of other components of wastewater that could impact the process. Further research must bedone reducing operational costs in order to make these options economically interesting.

Une grande variété des eaux résiduelles industrielles et résidentielles contenant de l'ammonium sont rejetées dans la nature sans traitement approprié. Étant donné que cela peut constituer une menace à la fois pour l'environnement et pour la santé humaine, il est courant d'éliminer l'ammonium en le convertissant en azote gazeux qui est rejeté dans l'atmosphère. Bien que cela aide à se conformer aux règlementations environnementales, l'ammonium est un produit de grande valeur, étant l'un des principaux composants des engrais. Malgré cette grande disponibilité en tant que sous-produit, ce nutriment est généralement produit à partir de zéro par des techniques très consommatrices d'énergie qui génèrent des émissions de gaz à effet de serre telles que le procédé Haber-Bosch. Les systèmes de dégazage et absorption permettent de récupérer l'ammonium des eaux usées et de le revaloriser dans un produit utile. Son implémentation dans les grandes industries a été largement validée et rapportée dans la littérature. Des recherches continuent d'être effectuées pour étudier l'effet des différentes caractéristiques des eaux usées, telles que la teneur en chlorure et l'alcalinité, qui peuvent diminuer ou améliorer la récupération de l'ammonium. Plus important encore, son adaptation pour des implémentations à petite échelle n'a pas encore été explorée alors que la possibilité de traiter de petits volumes d'eaux usées et de récupérer des ressources et de l'eau sur site est très intéressante. Compte tenu de ce qui précède, l'objectif de ce projet est d'évaluer la faisabilité de la mise en œuvre de tels systèmes à petite échelle. Ce travail se concentre uniquement sur l'étape de dégazage. Pour cela, il est indispensable de caractériser les effluents de différentes sources et leurs effets sur l'efficacité de récupération de l'ammonium. Un système de dégazage et absorption a été reproduit à l'échelle du laboratoire. Les effets de la teneur en ammonium, de l'alcalinité, de la conductivité électrique et du pH ont été évalués dans des tests par lots utilisant des solutions synthétiques. À partir des résultats, une régression linéaire a été effectuée pour obtenir un modèle mathématique permettant de prédire l'élimination de l'ammoniac à partir des caractéristiques d'un effluent donné. Ce modèle a été utilisé comme noyau d'un modèle de conception qui évalue la faisabilité des systèmes d'extraction de l'ammoniac à partir des caractéristiques des eaux usées et d'un objectif d'élimination prédéfini. En tenant compte des facteurs économiques et à partir d'un problème d'optimisation itératif, le modèle produit la géométrie, le nombre d'unités de dégazage et l'alimentation en air qui minimisent à la fois les frais d'investissement et d'exploitation. Étant donné que la concentration d'ammoniac dans les eaux usées est connue et le pourcentage de récupération est fixé, la conception du procédé n'affecte pas le revenu obtenu de sa vente. Le modèle a été calibré sur la base de solutions synthétiques imitant la composition de l'urine, du lixiviat de compostage et des eaux usées d'aquaculture. Lorsqu'il a été validé par rapport à des effluents réels, il n'a pu prédire que l'efficacité d'élimination de l'urine. Un exemple d'étude de cas portant sur l'analyse technico-économique du fonctionnement d'un système de traitement d'urine à petite échelle a été réalisé. Bien que les frais d'exploitation soient approximativement le double (ou plus si l'épuration est envisagée) de ceux d'un procédé conventionnel d'élimination uniquement, il est intéressant d'un point de vue environnemental. Il est recommandé de poursuivre l'étude des effets des autres composants des eaux usées qui pourraient avoir un impact sur le procédé. Des recherches supplémentaires doivent être menées sur la réduction de frais d'exploitation afin de rendre ces options économiquement intéressantes. / A wide variety of ammonium-bearing industrial and domestic waste streams are discharged into nature without proper treatment. Since this can pose a threat to both the environment and human health, it is common practice to remove ammonium by converting it into nitrogen gas which is released to the atmosphere. Although this helps complying with environmental regulations, ammonium is a highly valuable product, being one of the main components in fertilizers. Despite this extensive availability as by-product, this nutrient is commonly produced from the ground up through highly energy consuming techniques that generate green house gas emissions such as the Haber-Bosch process. The stripping-scrubbing systems allow to recover ammonium from waste water and revalorize it as a useful product. Its application in large-scale industries has been widespread validated and reported in the literature. Research is still being done to study the effect of different characteristics of wastewater, such as chloride content and alkalinity that may decrease or enhance ammonium recovery. More importantly, its adaptation for small-scale applications has not yet been explored despite the fact that the possibility to treat small volumes of wastewater and the recovery of resources and water on-site are very attractive. Considering the above, the objective of this project is to evaluate the feasibility of implementing such systems in small-scale industries. This work focuses on the stripping stage only. For this, it is essential to characterize the effluents from various sources and their effects on the ammonium recovery efficiency. A stripping-scrubbing system was reproduced at laboratory-scale. The effects of ammonium content, alkalinity, electrical conductivity, and pH were assessed in batch tests using synthetic solutions. From the results, a linear regression was performed to obtain a mathematical model to predict ammonia removal from the characteristics of a given effluent. This model was used as the core of a design model that evaluates the feasibility of ammonia stripping systems from the wastewater characteristics and a predefined removal target. Taking economic factors into account by means of an iterative optimization problem, it outputs the geometry, number of stripping units, and air supply that minimized both investment and operating costs. Since the target is predefined and the wastewater composition known, the income from selling a fertilizing salt is independent of the design. The model was calibrated based on synthetic solutions mimicking the composition of urine, composting leachate, and aquaculture wastewater. When validated against real effluents, it only was able to predict the removal efficiency of urine. An example case study addressing the techno-economic analysis of the operation of a small-scale urine treatment system was conducted. Although the operating costs approximately double (or more if scrubbing is considered) that of a conventional removal-only process, it is interesting from an environmental perspective. It is recommended to continue studying the effects of other components of wastewater that could impact the process. Further research must be done reducing operational costs in order to make these options economically interesting.

L’hydrolyse de la fraction organique des matières résiduelles municipales (FOMRM) est une approche peu étudiée comme alternative au tri mécanique des traitements mécano-biologiques (TMB) appliqués aux matières résiduelles municipales (MRM) issues de la collecte à deux voies. L’objectif est d’étudier ce tri biologique pour extraire la FOMRM en un lixiviat riche en acides organiques et valorisable par biométhanisation. Les MRM sont représentées par une matrice artificielle composée de résidus de fruits et légumes et d’inertes. L’impact de plusieurs traitements (immersion, recirculation du lixiviat, pré-compostage, prétraitement thermique), seuls ou combinés, sur les performances de tri et le potentiel de biométhanisation (PBM) est étudié. Comparativement à une dégradation passive, l’immersion et le pré-compostage augmentent respectivement : 1) le tri de 1 à 5%, séparant 65% de la FOMRM en près d’une semaine (2.5 fois plus rapidement), et 2) le PBM de 10 à 65%, pouvant générer de 10 à 33 Nm³ CH₄/tonne STV.

"Thèse en cotutelle pour le doctorat en génie des eaux Université Laval Québec et Ghent University à Ghent, Belgique" / La prise de conscience croissante de l’épuisement des ressources naturelles, la demande croissante de nutriments et d’énergie pour la production alimentaire et les normes de plus en plus strictes de décharge des nutriments et de fertilisation, ont donné lieu à une attention accrue pour la récupération des nutriments à partir des déchets municipaux et agricoles. Cette thèse de doctorat vise à stimuler la transition vers une bio-économie en fournissant des (moyens à développer des) stratégies durables pour la récupération des nutriments à partir des déchets organiques après la production de bio-énergie par la digestion anaérobie. Une attention particulière est accordée à la valorisation des produits récupérés comme substituts renouvelables aux engrais chimiques et/ou comme engrais organo-minéraux durables dans l'agriculture. Trois phases de recherche complémentaires ont été exécutées: 1) l'inventaire des technologies et la classification des produits, 2) l'évaluation de la valeur des produits, 3) la modélisation et l’optimisation des procédés. Dans la première phase, une revue systématique des technologies et une classification des produits ont été réalisées. Dans la seconde phase, la caractérisation des produits et des analyses de bilan de masse dans des stations de récupération des ressources de l’eau et des déchets (StaRRED) à grande échelle ont été exécutées. Une évaluation économique et écologique de différents scénarios de bio-fertilisation a été menée et les scénarios les plus durables ont été sélectionnés pour une évaluation agronomique réalisée ultérieurement sur le terrain et à l'échelle de la serre. Dans la troisième phase, une librairie générique de modèles pour la récupération des nutriments a été élaborée visant à modéliser la quantité et la qualité d'engrais. Une meilleure compréhension de la performance et des interactions des processus unitaires a été obtenue par des analyses de sensibilité globale. Les modèles ont été utilisés avec succès comme un outil pour la configuration et l'optimisation des chaînes de traitement. Sur la base de toutes les connaissances acquises, une feuille de route générique pour la mise en place des stratégies de récupération des nutriments en fonction des marchés et des législations des engrais, et de la caractérisation des déchets a été développée. En tant que telle, la présente thèse développe les concepts de fermeture maximale des cycles des nutriments dans une approche du berceau-au-berceau. Le travail apporte des preuves importantes de l'impact positif des produits récupérés sur l'économie, l'agronomie et l'écologie de la production végétale intensive. En outre, cette thèse offre des informations et des outils fondamentaux pour faciliter la mise en œuvre et l'optimisation des stratégies durables de récupération des nutriments. Ces résultats ouvrent de nouvelles possibilités pour une croissance économique durable axée sur les ressources biologiques et créent ainsi une situation gagnant-gagnant pour l'environnement, la société et l'économie en Belgique, au Canada, et au-delà. / The increasing awareness of natural resource depletion, the increasing demand of nutrients and energy for food production, and the more and more stringent nutrient discharge and fertilization levels, have resulted in an increased attention for nutrient recovery from municipal and agricultural wastes. This PhD dissertation aims at stimulating the transition to a bio-based economy by providing (tools to develop) sustainable strategies for nutrient recovery from organic wastes following bio-energy production through anaerobic digestion (= bio-digestion waste). Particular attention is paid to the valorization of the recovered products as renewable substitutes for chemical fertilizers and/or as sustainable organo-mineral fertilizers in agriculture. Three complementary research phases were conducted: 1) technology inventory and product classification, 2) product value evaluation, 3) process modelling and optimization. In the first phase, a systematic technology review and product classification was performed. In phase 2, product characterizations and mass balance analyses at full-scale waste(water) resource recovery facilities (WRRFs) were executed. An economic and ecological evaluation of different bio-based fertilization scenarios was conducted and the most sustainable scenarios were selected for subsequent agronomic evaluation at field and greenhouse scale. In phase 3, a generic nutrient recovery model library was developed aiming at fertilizer quantity and quality as model outputs. Increased insights in unit process performance and interactions were obtained through global sensitivity analyses. The models were successfully used as a tool for treatment train configuration and optimization. Based on all acquired knowledge, a generic roadmap for setting up nutrient recovery strategies as function of fertilizer markets, legislations, and waste characterization was established. As such, the present dissertation further develops the concepts of maximally closing nutrient cycles in a cradle-to-cradle approach. The work reveals important evidence of the positive impact of recovered products on the economy, agronomy, and ecology of intensive plant production. Moreover, it provides the fundamental information and tools to facilitate the implementation and optimization of sustainable nutrient recovery strategies. All of this may open up new opportunities for sustainable and more bio-based economic growth and thus create a win-win situation for the environment, the society, and the economy in Belgium, Canada, and beyond.