La détérioration des ressources en eau et la grande quantité d'eau polluée générée dans les sociétés industrialisées donnent une importance fondamentale aux procédés de traitement des eaux usées pour préserver les ressources, conformément à l'objectif 6 des 17 objectifs de développement durable des Nations Unies. Le rejet de nutriments tels que l'ammoniac par les eaux usées est un problème important, l'élimination de l'azote (N) est donc l'un des processus critiques de toute station de récupération des ressources en eau (StaRRE). L'objectif de ce projet de recherche doctoral est d'améliorer la compréhension des mécanismes d'élimination de l'azote dans le traitement biologique des eaux usées grâce à la modélisation, et d'optimiser les StaRRE existantes pour réduire la consommation d'énergie et de ressources. Dans ce cadre, 3 études différentes ont été réalisées. Tout d'abord, un modèle de décanteur réactif unidimensionnel a été développé. Celui-ci prédit le comportement de décantation de boues à des concentrations élevées de boues ainsi que les conversions biocinétiques dans le processus de décantation secondaire (DS). Il a été constaté qu'une description précise des réactions biocinétiques dans la DS impose des défis de calibration élevés pour le modèle de décantation, car ce dernier doit capturer les profils de concentration complets de la biomasse active dans la couverture de boues. Le modèle calibré a pu prédire avec précision les profils de concentration des effluents et du lit de boues dans la DS. Le modèle développé peut être utilisé pour le contrôle et la simulation des StaRRE afin d'obtenir de meilleures prédictions des concentrations d'effluents et des boues de retour, et aussi de calculer correctement le bilan massique d'azote d'une StaRRE. Deuxièmement, un modèle à l'échelle de l'usine a été mis en place pour un système de pré-dénitrification conventionnel pour la StaRRE pilEAUte à l'échelle pilote. Une méthodologie de calibration du modèle par étapes a été adoptée en fusionnant les principaux protocoles de calibration de modèle, tout en mettant l'accent sur le modèle biocinétique. Le modèle de la StaRRE pilEAUte, y compris le décanteur réactif développé, a été calibré et validé pour simuler les variables de modèle sélectionnées, puis utilisé pour une analyse de scénarios plus approfondie de l'optimisation de la consommation d'énergie et des ressources. Les résultats de l'analyse des scénarios ont montré le potentiel d'optimisation du système conventionnel d'élimination d'azote grâce à la réduction de l'aération et du retour interne des nitrates. Ils ont également démontré que la dénitrification dans le décanteur secondaire peut avoir une contribution significative à la capacité globale d'élimination d'azote d'une StaRRE lorsque la liqueur mixte peut traverser le lit de boues. Troisièmement, l'étude visait à évaluer l'applicabilité des stratégies de commande continu et intermittent du rapport de l'ammoniac par rapport aux NOX-N (commande AvN) sur la StaRRE pilEAUte. Les stratégies de commande de l'aération par AvN sont appliquées en amont d'un réacteur de désammonification, qui est un processus d'élimination efficace d'azote avec un besoin de ressources réduit (en termes d'aération et carbone) par rapport aux systèmes conventionnels. Les deux stratégies de commande testées pourraient être réalisées grâce à une commande automatique. Cependant, le maintien du rapport AvN dans l'effluent à la valeur souhaitée (1) dépend fortement des conditions opérationnelles telles que les variations de l'affluent, le temps de rétention des boues et la fiabilité des capteurs. Même si la recherche est guidée par les études de StaRRE à l'échelle pilote, les méthodologies développées pour démontrer et modéliser les processus et les conditions opérationnelles économes en énergie et en ressources sont applicables et transférables à d'autres études de cas à plein échelle. / Deterioration of water resources and the large amount of polluted water generated in industrialized societies gives fundamental importance to waste water treatment processes to preserve resources in accordance with goal 6 of the 17 sustainable development goals of the United Nations. Discharge of nutrients such as ammonia with waste water is a significant issue, thus nitrogen (N) removal is one of the critical processes of any water resource recovery facilities (WRRF). The objective of this PhD research project was to improve the understanding of N-removal mechanisms in biological treatment of wastewater through modelling and to optimize existing WRRFs to reduce energy and resource consumption. Within this context, 3 different studies were carried out. First, a one dimensional reactive settler model was developed that predicts the settling behaviour at high sludge concentrations together with biokinetic conversions in the secondary settling process. It was found that an accurate description of biokinetic reactions in the SST puts high calibration requirements on the settling model as it must properly capture the full concentration profiles of active biomass in the sludge blanket. The calibrated model was able to accurately predict the effluent and sludge blanket concentration profiles in the SST. The developed model can be used for control and simulation of WRRFs for better predictions of SST effluent and underflow concentrations and also properly calculate the nitrogen mass balance of a WRRF. Second, a plant-wide model was set up for a conventional pre-denitrification system for the pilot-scale pilEAUte WRRF. A step-wise model calibration methodology was adopted by merging main existing model calibration protocols while placing emphasis on the biokinetic model. The pilEAUte model, including the developed reactive settler, was calibrated and validated to simulate the selected model variables and used for further scenario analysis for energy and resource optimization. The scenario analysis results showed the optimization potential of conventional N removal systems through application of reduced aeration and internal nitrate recycling. It also demonstrated that denitrification in the secondary settler can contribute significantly to the overall N removal capacity of the WRRF when mixed liquor can pass through the sludge blanket. Third, it was aimed to evaluate the applicability of continuous and intermittent Ammonia vs NOₓ-N (AvN) control strategies on the pilEAUte WRRF. The AvN aeration control strategies are applied prior to a deammonification stage which is a short-cut N removal process with reduced resource (aeration and carbon) requirements in comparison to conventional systems. Both strategies could be achieved through automatic control. However, keeping the AvN ratio in the effluent on the desired value highly depends on operational conditions such asinfluent variations, sludge retention time and the sensor's measurement reliability.

La détérioration des ressources en eau et la grande quantité d'eau polluée générée dans les sociétés industrialisées donnent une importance fondamentale aux procédés de traitement des eaux usées pour préserver les ressources, conformément à l'objectif 6 des 17 objectifs de développement durable des Nations Unies. Le rejet de nutriments tels que l'ammoniac par les eaux usées est un problème important, l'élimination de l'azote (N) est donc l'un des processus critiques de toute station de récupération des ressources en eau (StaRRE). L'objectif de ce projet de recherche doctoral est d'améliorer la compréhension des mécanismes d'élimination de l'azote dans le traitement biologique des eaux usées grâce à la modélisation, et d'optimiser les StaRRE existantes pour réduire la consommation d'énergie et de ressources. Dans ce cadre, 3 études différentes ont été réalisées. Tout d'abord, un modèle de décanteur réactif unidimensionnel a été développé. Celui-ci prédit le comportement de décantation de boues à des concentrations élevées de boues ainsi que les conversions biocinétiques dans le processus de décantation secondaire (DS). Il a été constaté qu'une description précise des réactions biocinétiques dans la DS impose des défis de calibration élevés pour le modèle de décantation, car ce dernier doit capturer les profils de concentration complets de la biomasse active dans la couverture de boues. Le modèle calibré a pu prédire avec précision les profils de concentration des effluents et du lit de boues dans la DS. Le modèle développé peut être utilisé pour le contrôle et la simulation des StaRRE afin d'obtenir de meilleures prédictions des concentrations d'effluents et des boues de retour, et aussi de calculer correctement le bilan massique d'azote d'une StaRRE. Deuxièmement, un modèle à l'échelle de l'usine a été mis en place pour un système de pré-dénitrification conventionnel pour la StaRRE pilEAUte à l'échelle pilote. Une méthodologie de calibration du modèle par étapes a été adoptée en fusionnant les principaux protocoles de calibration de modèle, tout en mettant l'accent sur le modèle biocinétique. Le modèle de la StaRRE pilEAUte, y compris le décanteur réactif développé, a été calibré et validé pour simuler les variables de modèle sélectionnées, puis utilisé pour une analyse de scénarios plus approfondie de l'optimisation de la consommation d'énergie et des ressources. Les résultats de l'analyse des scénarios ont montré le potentiel d'optimisation du système conventionnel d'élimination d'azote grâce à la réduction de l'aération et du retour interne des nitrates. Ils ont également démontré que la dénitrification dans le décanteur secondaire peut avoir une contribution significative à la capacité globale d'élimination d'azote d'une StaRRE lorsque la liqueur mixte peut traverser le lit de boues. Troisièmement, l'étude visait à évaluer l'applicabilité des stratégies de commande continu et intermittent du rapport de l'ammoniac par rapport aux NOX-N (commande AvN) sur la StaRRE pilEAUte. Les stratégies de commande de l'aération par AvN sont appliquées en amont d'un réacteur de désammonification, qui est un processus d'élimination efficace d'azote avec un besoin de ressources réduit (en termes d'aération et carbone) par rapport aux systèmes conventionnels. Les deux stratégies de commande testées pourraient être réalisées grâce à une commande automatique. Cependant, le maintien du rapport AvN dans l'effluent à la valeur souhaitée (1) dépend fortement des conditions opérationnelles telles que les variations de l'affluent, le temps de rétention des boues et la fiabilité des capteurs. Même si la recherche est guidée par les études de StaRRE à l'échelle pilote, les méthodologies développées pour démontrer et modéliser les processus et les conditions opérationnelles économes en énergie et en ressources sont applicables et transférables à d'autres études de cas à plein échelle. / Deterioration of water resources and the large amount of polluted water generated in industrialized societies gives fundamental importance to waste water treatment processes to preserve resources in accordance with goal 6 of the 17 sustainable development goals of the United Nations. Discharge of nutrients such as ammonia with waste water is a significant issue, thus nitrogen (N) removal is one of the critical processes of any water resource recovery facilities (WRRF). The objective of this PhD research project was to improve the understanding of N-removal mechanisms in biological treatment of wastewater through modelling and to optimize existing WRRFs to reduce energy and resource consumption. Within this context, 3 different studies were carried out. First, a one dimensional reactive settler model was developed that predicts the settling behaviour at high sludge concentrations together with biokinetic conversions in the secondary settling process. It was found that an accurate description of biokinetic reactions in the SST puts high calibration requirements on the settling model as it must properly capture the full concentration profiles of active biomass in the sludge blanket. The calibrated model was able to accurately predict the effluent and sludge blanket concentration profiles in the SST. The developed model can be used for control and simulation of WRRFs for better predictions of SST effluent and underflow concentrations and also properly calculate the nitrogen mass balance of a WRRF. Second, a plant-wide model was set up for a conventional pre-denitrification system for the pilot-scale pilEAUte WRRF. A step-wise model calibration methodology was adopted by merging main existing model calibration protocols while placing emphasis on the biokinetic model. The pilEAUte model, including the developed reactive settler, was calibrated and validated to simulate the selected model variables and used for further scenario analysis for energy and resource optimization. The scenario analysis results showed the optimization potential of conventional N removal systems through application of reduced aeration and internal nitrate recycling. It also demonstrated that denitrification in the secondary settler can contribute significantly to the overall N removal capacity of the WRRF when mixed liquor can pass through the sludge blanket. Third, it was aimed to evaluate the applicability of continuous and intermittent Ammonia vs NOₓ-N (AvN) control strategies on the pilEAUte WRRF. The AvN aeration control strategies are applied prior to a deammonification stage which is a short-cut N removal process with reduced resource (aeration and carbon) requirements in comparison to conventional systems. Both strategies could be achieved through automatic control. However, keeping the AvN ratio in the effluent on the desired value highly depends on operational conditions such asinfluent variations, sludge retention time and the sensor's measurement reliability.

L'objectif de l'étude était de déterminer la disponibilité de l'azote (N) et les transformations dans la colonne d'eau (WC) et l'interface eau-sédiments (SWI), et d'établir des liens avec les éclosions de cyanobactéries dans la baie Missisquoi du lac Champlain. Ces paramètres ont été évalués à l'embouchure de la rivière aux Brochets et dans le bassin central, afin d'obtenir un gradient environnemental pour étudier l'effet des décharges de nutriments sur le cycle de l'azote et la structure des communautés de phytoplancton (PCS). Les résultats portent à croire qu'en général, les nutriments ne limitent pas la productivité primaire, mais que l'azote peut la limiter à petite échelle. Contrairement à nos hypothèses, le phytoplancton semblait gérer les concentrations en nutriments, et non l'inverse. La PCS n'affectait pas la consommation en NH4+ dans la WC. De même, le taux de régénération du NH4+ dans la WC n'était pas relié à la PCS, ce qui réfute l'hypothèse que les cyanobactéries inhibent la régénération. Les sédiments agissaient comme un puits de NO3-, tel que prédit, mais étaient aussi une source de NH4+ vers la WC, contrairement aux hypothèses. Une biomasse élevée de cyanobactéries était associée avec une relâche subséquente de NO3- des sédiments, ce qui pourrait impliquer une stimulation de la nitrification. L'anammox explique de 6 à 10% de la production totale de diazote, mais la dénitrification en était le principal vecteur. Les taux de dénitrification étaient reliés à la concentration instantanée en azote de la WC, mais pas à ses fluctuations. On observe des relations similaires entre les flux de NO3- dans les sédiments et la dénitrification avec la biomasse cyanobactérienne antérieure. Cela suggère que des concentrations inférieures en azote dans la WC, à la suite de floraisons de cyanobactéries, ont rendu possibles des taux de dénitrifications inférieurs. Les données ne corroborent pas l'hypothèse selon laquelle la dénitrification mènerait à des conditions propices pour les cyanobactéries fixatrices d'azote. Au contraire, les résultats suggèrent que les conditions propices aux cyanobactéries fixatrices d'azote causent une réduction des taux de dénitrification. Le lac était un puits net d'azote dans un budget préliminaire calculé en utilisant le cycle du NH4+ dans la WC et les flux d'azote à l'SWI, comparés aux apports en azote estimés des affluents. Ces calculs révèlent une source d'azote « manquante », qui pourrait être la fixation d'azote dans la WC selon les résultats. Les taux observés de fixation d'azote dans la WC n'étaient pas différents de ceux des contrôles expérimentaux, mais même ces taux négligeables sont d'un ordre de grandeur plus élevé que ceux nécessaires pour combler l'azote « manquant ». ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : cycle de l'azote, cyanobactéries, dénitrification, eutrophisation, budget d'azote

La dénitrification autotrophe à l’aide de composés réduit de soufre est une approche intéressante pour le traitement biologique des contaminations azotées et des effluents pauvre en matière organique. La dénitrification autotrophe utilise des composés inorganiques comme sources d'énergie et de carbone. L'absence de matière organique élimine le besoin de post-traitements pour éliminer l'excès de carbone organique et limite la formation sous-produits d’oxydation dans le cadre de la production d’eau potable. Les eaux usées provenant des industries métallurgiques et minières ont généralement un faible pH, des températures basses et des concentrations élevées en métaux lourds. L'élimination biologique de l'azote est un défi parce que les bactéries dénitrifiantes prospèrent habituellement à pH neutre et à températures ambiantes (20-30 °C).Le but de cette thèse était de développer un procédé robuste de dénitrification à base de soufre dans des bioréacteurs à pH acide, températures psychrophiles (< 20 °C) et concentrations élevées en nickel. Le procédé a été optimisé au préalable avec des essais biologiques étudiant l'influence de la source de soufre (S2O32-, S0 biogénique et le synthétisé chimiquement), de la taille des particules de S0 (poudre et lentilles), de la culture dénitrifiante (cultures pures et mixtes de Thiobacillus) et de la température (6-30 °C) sur la cinétique de la dénitrification. L'utilisation de S2O32- et d’une culture pure de T. denitrificans ont permis d’atteindre des rendements de dénitrification les plus élevés. Le soufre élémentaire biogénique a été testé pour la première fois comme donneur d'électrons pour la dénitrification, montrant des taux de dénitrification 1.7 fois plus élevés que ceux obtenue avec de la poudre de S0 synthétisé chimiquement. Les taux de la dénitrification avec le S2O32- augmentent exponentiellement avec la température et les calculs avec l'équation d'Arrhenius donnent une énergie d'activation apparente Ea de 76.6 kJ/mol.Deux réacteurs à lit fluidisé (FBR) ont été utilisés pour étudier la dénitrification avec S2O32- à différents pH (5.25-7.00) et températures décroissantes (3-20 °C). Des rendements de dénitrification > 99% ont été observés pour eaux usés présentant des pH compris entre 5.75 et 5.30. L'addition d'une unité de carbonatation fournissant au biofilm du CO2 comme source de carbone supplémentaire, permettant une dénitrification complète à un pH de 4.75. Dans le même FBR, des taux de charge d'azote élevés (jusqu'à 3,3 kg N-NO3-/m3 d) avec le thiosulfate ont été maintenu à des températures aussi basses que 3 °C. L'impact de deux composés du Nickel (NiEDTA2- et NiCl2) sur la dénitrification à base de soufre a été étudiée dans deux FBR en parallèle à 20 (± 2) °C et des concentrations de nickel variant dans la gamme de 5-200 mg Ni/L. Dans des bioessais discontinues, 25-100 mg Ni/L de NiCl2 ont inhibée l'élimination de NO3- de 7-16%, alors qu'aucune inhibition n'a été observée avec NiEDTA2-. L'EDTA non complexée a inhibée la dénitrification à des concentrations supérieures à 100 mg/L. Les deux composés de Ni ont montré aucun effet négatif sur la dénitrification en FBR aux concentrations testées. Le bilan massique du nickel, la caractérisation de la phase solide et la modélisation thermodynamique ont révélé que des précipités de nickel ont été principalement éliminés avec l'effluent. Les phosphates, sulfures et oxydes de nickel ont été déterminés comme les principaux précipités de nickel et étaient principalement amorphe.Les FBRs se sont révélés être bioprocédés robustes pour l'élimination de l'azote à pH acide, pour des températures psychrophiles et des concentrations élevées de nickel. Les résultats de cette étude sont d'un grand intérêt pour le traitement des eaux souterraines et minières contaminés par les nitrates dans les régions froides du monde et également pour les eaux usées industrielles acides et chargées en métaux lourds / Autotrophic denitrification driven by reduced sulfur compounds is a promising and cost-effective biological nitrogen removal process, recommended for the treatment of organic-deficient waters, e.g. groundwater and several industrial wastewaters. Autotrophic denitrifiers utilize inorganic compounds as sources of energy and carbon. The lack of organics eliminates the need of post-treatments to remove excess organic carbon and limits the formation of harmful organic byproducts (e.g. trihalomethanes, THM), resulting in a clean and safe treatment also for drinking water. Wastewaters from mining and metal-finishing industry commonly feature low pH and temperatures as well as high heavy metal concentrations. Nitrogen removal from these waters is a technical challenge, since denitrifying bacteria usually thrives at circumneutral pH and ambient temperatures (20-30°C).The aim of this study was to develop a robust and efficient sulfur-based denitrification bioreactor process able to tolerate acidic pH, psychrophilic temperatures (< 20°C) and high nickel concentrations. The process was preliminary optimized in batch bioassays investigating the influence of sulfur source, i.e. thiosulfate (S2O32-) and biogenic and chemically synthesized elemental sulfur (S0), S0 particle size (powder and lentils), denitrifying culture (pure and mixed cultures of Thiobacillus) and temperature (6-30°C) on denitrification kinetics. The use of S2O32- and a pure culture of Thiobacillus denitrificans resulted in the highest denitrification rates. Biogenic S0 was tested for the first time as electron donor for autotrophic denitrification, showing 1.7-fold faster NO3- removal than that achieved with chemically synthesized S0 powder. The rates of thiosulfate-driven denitrification exponentially increased with temperature, being modeled according to the Arrhenius equation with an apparent activation energy Ea of 76.6 kJ/mol and a temperature coefficient Q10 of 3.0.Fluidized-bed reactors (FBRs) were used to investigate continuous thiosulfate-driven denitrification under decreasing feed pH (5.25-7.00) and temperatures (3-20°C). Denitrification efficiencies > 99% were observed at feed and effluent pH as low as 5.75 and 5.30, respectively. At lower feed pH values, the denitrification activity rapidly decreased due to an inorganic carbon deficiency. The addition of a carbonation unit providing CO2 as supplemental carbon source to the FBR biofilm allowed complete denitrification even at a pH of 4.75. In the same FBR, high-rate (up to 3.3 kg N-NO3-/m3 d) thiosulfate-driven denitrification was maintained at temperatures as low as 3°C. The impact of two Ni compounds, i.e. NiEDTA2- and NiCl2, on sulfur-based denitrification was investigated in a parallel FBR at 20 (±2)°C and feed Ni concentrations in the range of 5-200 mg Ni/L. Preliminary batch bioassays were carried out to assess Ni and free EDTA toxicity on sulfur-based denitrification. In batch bioassays, 25-100 mg Ni/L of NiCl2 inhibited NO3- removal by 7-16%, whereas no inhibition was observed with NiEDTA2-. Free EDTA inhibited sulfur-based denitrification at concentrations exceeding 100 mg/L. Both Ni compounds showed no detrimental effects on sulfur-based denitrification in FBR at the tested concentrations. Nickel mass balance, solid-phase characterization and thermodynamic modeling revealed that nickel precipitates were mostly washed out with the effluent, due to the slow Ni precipitation kinetics and high upflow velocities in the FBR. Nickel phosphate, sulfide and oxide were indicated as the main nickel precipitates and were mostly amorphous.FBRs were shown to be powerful and robust biofilm systems for nitrogen removal under acidic pH, psychrophilic temperatures and high nickel concentrations. The results of this study are of great interest for the treatment of NO3- contaminated ground and mining waters in cold regions (e.g. Canadian and Scandinavian regions) as well as acidic and heavy-metal-laden wastewaters

Les eaux souterraines des plaines alluviales agricoles sont particulièrement vulnérables à la contamination en nitrates en raison d’une fertilisation importante, et de la faible profondeur des aquifères. Au sein de ces plaines alluviales, les zones ripariennes, caractérisées par des échanges importants entre les eaux de surface et les eaux souterraines, constituent des environnements propices à l’atténuation des nitrates via le processus de dénitrification. Ce processus naturel dépend de nombreux facteurs et est caractérisé par une forte variabilité spatio-temporelle. La modélisation est une approche intéressante pour étudier la dénitrification au sein des zones ripariennes car elle permet d’intégrer les différents facteurs contrôlant le processus de manière dynamique. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la caractérisation et la quantification du processus de dénitrification et d’identifier ses facteurs de contrôle dans les plaines alluviales à travers une approche de modélisation à l’échelle du tronçon de plaine alluviale. L’analyse d’un jeu de données collectées dans un réseau de 25 piézomètres installés dans un méandre de la Garonne (Monbéqui, 6,6 km²) lors de 12 campagnes mensuelles a permis, dans un premier temps, d’identifier les facteurs contrôlant la dynamique des nitrates et le processus de dénitrification. Les données ont ensuite servi à la mise en place et à la validation de l’application du modèle distribué MOHID Land pour simuler l’hydrologie de la zone d’étude. Puis, un module permettant de simuler la dénitrification et prenant en compte les facteurs identifiés au préalable, a été introduit dans le modèle. L’analyse des données récoltées sur le terrain a montré que la dénitrification dans la zone d’étude est contrôlée par la géomorphologie, l’hydrologie et la présence de carbone organique. L’application du modèle hydrologique distribué MOHID Land a permis de simuler correctement l’hydrologie du site étudié en prenant en compte la géomorphologie de la plaine alluviale, les échanges eaux de surface - eaux souterraines et les épisodes de crues. Un module de dénitrification incluant à la fois le carbone organique dissous apporté par la rivière et le carbone organique particulaire présent dans l’horizon supérieur des sols a été implémenté dans le modèle hydrologique. Les résultats indiquent une dénitrification moyenne de 28 kg-N.ha-1.an-1 sur la période simulée dans la zone riparienne de Monbéqui. La dénitrification est plus importante dans les zones ripariennes de basses altitudes et plus globalement dans la partie aval du méandre, caractérisée par de fortes concentrations en nitrates. Les facteurs contrôlant la dénitrification au sein des plaines alluviales ont été identifiés et sont i) la géomorphologie qui détermine la saturation des horizons supérieurs des sols et la disponibilité du carbone organique ; ii) les écoulements souterrains qui contrôlent la répartition spatiale des nitrates, et iii) l’intensité et la fréquence des épisodes de crues qui entrainent des périodes favorables à la dénitrification. Finalement, les résultats obtenus dans la zone d’étude ont été comparés avec des applications du modèle dans des plaines alluviales possédant des caractéristiques contrastées, validant ainsi l’utilisation du modèle dans les environnements de plaine alluviale variés. Les résultats ont mis en avant l’importance de la connectivité hydrologique entre la rivière et la nappe alluviale ainsi que la distribution spatiale des sources de nitrates et de carbone organique comme facteurs expliquant les différences de capacité de dénitrification entre les sites. Ces travaux ouvrent des perspectives pour évaluer l’impact des modifications induites par le changement global sur le processus de dénitrification ainsi que sur leur modélisation à plus large échelle. / Groundwater systems in cultivated floodplains are vulnerable to nitrate contamination due to extensive fertilisationand the shallow depth of the groundwater. Within the floodplain environment, riparian areas, characterised by significantexchanges between surface water and groundwater, are a favourable site for nitrate removal through denitrification.Denitrification is a natural process influenced by numerous factors and characterised by a high spatio-temporal variability.Modelling is an interesting approach for the study of denitrification within riparian areas because it means that floodplainspatial heterogeneity can be taken into account and many of its control factors integrated.The main objective of this thesis was to enhance knowledge of the denitrification process in floodplains and toidentify its control factors using a modelling approach at the scale of the floodplain reach. First, a dataset collected at amonthly time step over the course of a year within a 25-piezometer network of a meander area (Monbéqui, 6.6 km²) wasanalysed in order to identify factors controlling nitrate and denitrification patterns. The data were then used to set up andvalidate the MOHID Land model to simulate the hydrology in the study area. A module designed to simulate thedenitrification process, taking the main denitrification control factors into account, was then integrated into the MOHID Landmodel.The analysis of the dataset collected from the study area showed that denitrification was controlled bygeomorphology, hydrology and organic carbon presence. The application of the MOHID Land model allowed the hydrologyof the study area to be reproduced correctly, particularly the surface water – groundwater exchanges and the influence offlood events. A denitrification module integrating dissolved organic carbon borne by the river and particulate organic carbonfrom soil was added to the model. The results indicated that denitrification in the modelled riparian area was an average ofaround 28 kg-N.ha-1.yr-1 over the simulated period. High denitrification areas were located within the low elevation riparianarea and, more generally, in the downstream area of the meander where the nitrate concentrations were highest. The factors controlling denitrification that were identified in the study area were i) geomorphology, which controlled topsoil layersaturation and organic carbon availability; ii) groundwater flowpaths, which controlled the variability in nitrateconcentrations over the study area; and iii) flood event frequency and intensity, leading to high denitrification periods.Finally, the results were compared with other applications of the model in contrasting floodplains in order to assess themodel’s performance in various floodplain environment. The results indicated that hydrologic connectivity between the riverand groundwater and the spatial location of sources of nitrates and organic carbon were the major factors behind differencesin the denitrification process between floodplains. This study provides insight for an assessment of the impact ofmodifications that could be brought about by global changes to the denitrification process and for the modelling ofdenitrification at larger scales.

La pollution par les nitrates des eaux de surface et des eaux souterraines a suscité une attention mondiale ces dernières années. La recharge des eaux souterraines via d'infiltration dans les zones cultivées est une source importante de la contamination des eaux de surfaces. Les plaines alluviales supportent une activité agricole intensive et subissent une pollution aux nitrates importante. Il a été démontré que les échanges entre les eaux de nappes et la rivière contribuent à la rétention et/ou transformation de l'azote dans le continuum eaux de surface-eaux souterrains. La compréhension et la quantification des processus d'atténuation des concentrations en nitrates se produisant à l'interface nappe-rivière permettraient d'améliorer la connaissance du cycle de l'azote à l'échelle du bassin versant. Les objectifs de cette thèse sont : 1) quantifier les volumes d'eau échangés entre la rivière et l'aquifère alluvial dans les zones de plaine alluviale à l'échelle du bassin versant et 2) quantifier les taux de dénitrification dans les nappes alluviales à l'échelle du bassin versant et évaluer leurs influences sur les flux de nitrates de la rivière. Un échantillonnage sur le terrain ainsi qu'un travail de modélisation ont été effectués pour atteindre ces objectifs. Les campagnes d'échantillonnages sur le terrain ont eu lieu d'avril 2013 à mars 2014 sur le site d'étude de Monbéqui dans la plaine alluviale de la Garonne. Le modèle Soil and Water Assessment Tool (SWAT) qui est largement utilisé à travers le monde a été choisi pour simuler les processus hydrologiques et le cycle de l'azote. Cependant, la simulation des échanges nappe-rivière qui se produisent dans la plaine alluviale n'est pas prise en compte dans la version originale de SWAT. Premièrement, l'équation de Darcy a été introduite pour simuler les échanges nappe-rivière à partir de la structure Landscape Unit (LU). L'influence des crues débordantes sur ces échanges a également été ajoutée dans le modèle. Le modèle modifié, SWAT-LUD, a d'abord été appliqué à un méandre de la plaine alluviale de la Garonne- Monbéqui (25 km²). Ensuite, un module supplémentaire représentant les processus de dénitrification dans les aquifères peu profonds des nappes alluviales a été développé et ajouté au modèle SWAT-LUD. Les flux de nitrates ainsi que les taux de dénitrification de l'aquifère alluvial de Monbéqui ont alors été quantifiés. Dans un deuxième temps, le modèle SWAT-LUD a été appliqué à l'échelle de la plaine alluviale de la Garonne dans son cours moyen (environ 4600 km²) et l'influence de la dénitrification de l'aquifère alluvial sur les flux de nitrates de la rivière a été quantifiée. Finalement, le modèle a été appliqué sur l'ensemble du bassin versant de la Garonne (environ 51 500 km²) et l'influence des échanges nappes-rivières sur le cycle hydrologique du bassin versant a été évaluée. Les résultats ont montré que le modèle SWAT-LUD pouvait représenter de façon réaliste les échanges nappe-rivière ainsi que les taux de dénitrification dans les aquifères alluviaux à différentes échelles. Les flux échangés vont majoritairement de l'aquifère vers la rivière et contribuent pour 65% du volume total échangé. À l'échelle du bassin versant de la Garonne, le volume annuel échangé entre la nappe et la rivière représente environ 5% du débit annuel de la Garonne. A l'échelle du méandre, le taux annuel de dénitrification dans la zone riparienne a été estimé à environ 130 N-NO3-.ha-1.an-1. Près de 40% des nitrates arrivant dans cette zone ont été dégradés via les processus de dénitrification. Dans le cours moyen de la Garonne, les taux de dénitrification annuels dans ces mêmes zones varient entre 55 et 120 kg N-NO3-. ha-1. an-1. / Nitrate pollution in surface water and groundwater systems has attracted worldwide attention in recent decades. Recharged groundwater infiltrating through cultivated fields is an important source of the nitrate contamination of surface water. As alluvial plains support intensive agricultural activities, they often suffer from groundwater nitrate pollution. The exchanges between surface water and groundwater (SW-GW) were proved contributing to nitrate retention and/or transformation in the land-surface water continuum. The understanding and quantifying of nitrate attenuation processes occurring at the surface-groundwater interface would enhance understanding of nitrogen cycling at the catchment scale. The objectives of this thesis were: 1) quantifying the exchanged SW-GW volume in the floodplain area at the catchment scale and 2) quantifying the shallow aquifer denitrification rate in the floodplain area at the catchment scale and evaluating its influence on the nitrate flux in the river. Field sampling and modelling study were conducted to achieve these objectives. Monthly field work campaigns were carried out from April 2013 to March 2014 at the Monbéqui site in the Garonne river floodplain. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) which has been successfully applied all over the world was chosen to simulate the hydrologic processes and nitrogen cycle. However, the simulation of the water exchange between river and groundwater occurring in the floodplain area was not simulated in the original SWAT model. Firstly, the Darcy's equation was implemented to simulate SW-GW exchanges based on the Landscape Unit (LU) structure in the floodplain area. The influence of flooding on the water exchange was also introduced to the model. The modified model was called SWAT-LUD and was applied to a meander of Garonne floodplain - Monbéqui (around 25 km2). Then, another module representing the denitrification processes in the floodplain shallow aquifer was developed and added to the SWAT-LUD model. The nitrate flux and shallow aquifer denitrification rates in Monbéqui was then quantified. Afterwards, the SWAT-LUD model was applied to the middle floodplain section of the Garonne River (around 4 600 km2) and the influence of shallow aquifer denitrification on the nitrate flux in the river was quantified. Lastly, the model was applied to the entire Garonne catchment (around 51 500 km2) and the hydrologic influence of SW-GW exchanges was evaluated. The results showed that the SWAT-LUD model could satisfactorily represent the SW-GW exchanges and shallow aquifer denitrification rate at different spatial scales. The main water flow direction is from the shallow aquifer to the river, with water flowing in this direction accounted for around 65% of the total exchanged water volume. In the Garonne catchment, the annual total exchanged water volume represented around 5% of the total discharge volume of the Garonne river. For the Monbéqui site, the simulated annual denitrification rate in the riparian zone was around 130 kg N-NO3-ha-1y-1. Around 40% of the nitrate input in this zone was degraded through denitrification. In the middle floodplain section, the annual denitrification rate in the near bank zone ranges from 55 to 120 kg N-NO3-ha-1y-1.

La présente étude visait à établir la capacité d’enlèvement de l’azote des effluents domestiques par le procédé à culture fixée immergée BIO-FOSSEMD, conçu pour les petites localités. Des essais ont été effectués avec une unité pilote comprenant un réacteur de 15 litres. Aéré en continu et soumis à des charges de 35 g N-NH4+ m-2 d-1 et 323 g DBO5 m-2 d-1, ce procédé a atteint 96% de nitrification, atteignant régulièrement des valeurs inférieures à 2 mg N-NH4+/L. Sous aération intermittente du réacteur, l’efficacité de l’enlèvement de NH4+ et de NO3- dépend de la durée des périodes aérobie et anoxie. Avec un cycle de 24 h comptant 75% d’aération, les concentrations en azote à l’effluent ont varié de 0,4 à 7,4 mg N-NH4+ /L et de 10 à 21 mg N-NO3-/L. Les taux maximaux de nitrification et de dénitrification s’élèvent à 58 g N-NH4+ m-2 d-1 et 52 g N-NO3- m-2 d-1, respectivement. / The present study was conducted to establish the nitrogen removal capacity for a domestic effluent of the submerged fixed-film process BIO-FOSSEMD. This process has been especially designed for small communities and is based on the use of textile as bacterial support. When aerated continuously and subjected to loads of 35 g N-NH4+ m-2 d-1 and 323 g DBO5 m-2 d-1, this process reached 96% of nitrification, while providing 98% biological oxygen demand removal and 91% suspended solids removal. Under these conditions, values lower than 2 mg N-NH4+/L were measured on a regular basis in the effluent. When the reactor is operated under intermittent aeration, NH4+ and NO3- removal efficiencies depend on the duration of aerobic and anoxic periods. With a 24 h cycle, including 75% of aeration, the effluent nitrogen concentrations varied from 0,4 to 7,4 mg N-NH4+/L and from 10 to 21 mg N-NO3-/L. Under continuous aeration, total nitrogen removal average was around 49%, reaching over 70% at some point. Similar nitrogen removal was reached under intermittent aeration. Kinetic tests conducted ex situ gave a maximal nitrification rate of 58 g N-NH4+ m-2 d-1 and a maximal denitrification rate of 52 g N-NO3- m-2 d-1.

Au Québec, l’importante augmentation de la production porcine observée entre les années 1970 et 2000 a mené à des surplus de lisier de porc dans certaines régions, à cause du manque de terres disponibles pour l’épandage. Ces surplus ont pour conséquence d’entraîner des problèmes de pollution de l’eau, notamment la contamination des nappes phréatiques par les nitrates (NO3-) et l’eutrophisation des plans d’eau. Une des solutions possibles pour contrer cette pollution est d’installer, à la ferme, un système de traitement du lisier. Pour ce faire, différentes technologies ont été développées, l’une d’entre elles reposant sur le principe de la biofiltration. L’objectif principal de ce travail était d’améliorer les connaissances sur le comportement de l’azote à l’intérieur d’un biofiltre traitant du lisier de porc. Dans un premier temps, la biodégradabilité de trois types de lisiers a été étudiée. Le recours à la respirométrie et au modèle biologique ASM3 a permis de quantifier de façon relativement rapide les fractions organiques rapidement et lentement biodégradables de ces lisiers. Parallèlement à ces travaux, les performances d’enlèvement de trois biofiltres pilotes, soumis à différentes conditions, ont été évaluées. Des performances épuratrices satisfaisantes en terme de réduction de la demande chimique en oxygène (DCO) et de l’azote ammoniacal (N-NH4+) ont été confirmées. L’enlèvement d’azote total par les biofiltres a varié entre 82 et 90%, attestant la présence de dénitrification au sein des systèmes. Ces essais ont également permis de statuer que l’enlèvement d’azote total est favorisé par un rapport C/N élevé (17 g DCO/g N). Par ailleurs, un suivi des gradients de concentration dans le profil de profondeur du biofiltre a été effectué. Contrairement à toute attente, il a mené à l’observation des processus d’oxydation de la matière organique, de nitrification et dénitrification de façon nettement prédominante dans les trente premiers centimètres du biofiltre. En outre, la production de N2O, inhérente à l’opération de tout système de dénitrification, doit être surveillée de près considérant l’impact de ce puissant gaz à effet de serre sur les changements climatiques. Selon les résultats de l’étude, les principaux facteurs favorisant la production du N2O dans le biofiltre seraient les teneurs en eau, en oxygène dissous et en NO3- au sein du milieu filtrant. Par conséquent, une optimisation de l’enlèvement de l’azote du lisier, réalisée en minimisant les impacts sur les changements climatiques, pourrait passer par l’étude d’une diminution de l’aération ou de l’instauration de cycles aérobie/anoxie. / In Quebec, an important increase in pig production, observed from years 1970 to 2000, led to pig slurry surpluses in some regions, because of insufficient land for application. As a consequence of these surpluses, water pollution occurred, such as the contamination of groundwater by nitrates (NO3-) and the eutrophication of surface water. A solution to overcome this pollution is to install, on the farm site, a pig slurry treatment system. Over the past 20 years, many technologies have been developed, one of them based on the principle of biofiltration. The aim of this study was to improve the knowledge regarding nitrogen behavior inside a trickling biofilter treating pig slurry. As a first step, the biodegradability of three types of pig slurry was studied. Respirometry and the ASM3 biological model were used to quantify the rapidly and slowly biodegradable organic fractions of these slurries. Parallel to this work, nitrogen removal performances of three pilot biofilters were evaluated under different operating conditions. Satisfactory removal efficiencies with regards to chemical oxygen demand (COD) and ammoniacal nitrogen (N-NH4+) were confirmed. Total nitrogen removal varied between 82 and 90%, proving the presence of denitrification inside the systems. These trials also showed that total nitrogen removal is favored at high C/N ratio (17 g COD/g N). In addition, investigation of the nitrogen behavior inside the biofilter led to the surprising conclusion that organic matter oxidation, nitrification and denitrification occurred mainly in the top 30 cm of biofilter. Finally, N2O production, inherent to any denitrifying system, must be followed considering the impact of this powerful greenhouse gas on climatic changes. Results suggested that the main factors favouring N2O production in the biofilter are related to water, dissolved oxygen and nitrate contents inside the filtering media. Consequently, the optimisation of nitrogen removal from pig slurry, while minimizing its impact on climatic changes, may require the study of an aeration diminution through the implantation of aerobic/anoxic cycles.

Pour répondre aux besoins des populations humaines, l'agriculture est de plus en plus intensive, utilisant un très grand nombre d'engrais azotés pour augmenter les rendements. Ces engrais sont utilisés parce que l'azote est l'un des facteurs les plus important et limitant pour la croissance des plantes. L’azote sous forme de nitrate est soumis à des problématiques de pollutions pouvant affecter l’environnement ainsi que la santé humaine. Les défis de l'agriculture de demain sont donc de faire face à une population toujours plus nombreuse, tout en limitant l'impact sur notre environnement. C’est pour cela que la recherche et l’agriculture se questionnent de plus en plus sur l’utilisation d’autres produits comme les biostimulants ou des inhibiteurs, afin de limiter les intrants tout en conservant un taux de productivité viable. Une solution consisterait à agir sur les microorganismes du sol liés au cycle de l’azote afin de limiter les pertes des agrosystèmes en azote via le dégagement de gaz à effet de serre (N2O), de lessivage ou/et de volatilisation. En effet, dans les sols, le nitrate est également utilisé par les bactéries dites dénitrifiantes qui le réduisent en N2O (gaz à effet de serre) et N2, représentant alors une perte d’azote pour les cultures et une augmentation de la pollution atmosphérique. Par conséquent, les plantes sont en compétition directe avec ces bactéries pour l'assimilation du nitrate. Récemment, l’équipe encadrante de cette thèse a mis en évidence une stratégie développée par certaines plantes consistant en la production de métabolites secondaires : les procyanidines, qui inhibent la dénitrification des communautés microbiennes du sol. Les procyanidines ont la capacité d’inhiber, chez les bactéries dénitrifiantes, la première étape de la dénitrification transformant le nitrate en nitrite et ainsi d’empêcher l’utilisation du nitrate, sans toutefois exercer un effet antibactérien. Cette stratégie permet de conserver par conséquent le nitrate dans le sol, celui-ci pouvant alors être utilisé par les plantes pour leur nutrition et leur croissance. L’objectif principal de cette thèse a été d’évaluer l’effet de l’application de procyanidines exogènes à plusieurs concentrations en champs sur un modèle de plante d’intérêt économique, la laitue, ainsi que sur différents types de sols. Ces effets ont également été testés sur un autre modèle d’intérêt économique consommatrice d’azote, le céleri. Au cours de ces expérimentations, des mesures ont été effectuées sur (i) l’activité microbienne de dénitrification, (ii) les traits végétaux en lien avec la croissance et (iii) l’abondance des communautés bactériennes dénitrifiantes. Nos résultats montrent une induction d'un BDI en champs, une conservation du nitrate induisant à son tour une amélioration de la croissance des végétaux et une contre sélection par la plante des dénitrifiants. L’autre point abordé, plutôt fondamental mais qui a moins abouti faute de temps, consistait à mettre en évidence via l’utilisation de mutants d’Arabidopsis thaliana affectés dans la production des procyanidines ou surproduisant les procyanidines, un retour vers la plante de l’azote détourné suite au BDI / To meet the needs of human populations, agriculture is increasingly intensive, using a very large number of nitrogen fertilizers to increase yields. These fertilizers are used because nitrogen is one of the most important and limiting factors for plant growth. Nitrogen in the form of nitrate is subject to pollution problems that can affect the environment and human health. The challenges for tomorrow's agriculture are therefore to face an ever-increasing population, while limiting the impact on our environment. This is why research and agriculture are increasingly questioning the use of other products such as biostimulants or inhibitors, in order to limit inputs while maintaining a viable productivity rate. One solution would be to act on soil microorganisms linked to the nitrogen cycle in order to limit nitrogen losses from agrosystems through greenhouse gas (N2O) emissions, leaching and/or volatilization. Indeed, in soils, nitrate is also used by so-called denitrifying bacteria, which reduce it to N2O (greenhouse gases) and N2, representing a loss of nitrogen for crops and an increase in air pollution. As a result, plants compete directly with these bacteria for the assimilation of nitrate. Recently, the supervising team of this thesis has highlighted a strategy developed by some plants consisting of the production of secondary metabolites: procyanidins, which inhibit the denitrification of soil microbial communities. Procyanidins have the ability to inhibit the first step of denitrification in denitrifying bacteria, transforming nitrate into nitrite and thus preventing the use of nitrate, without however exerting an antibacterial effect. This strategy therefore preserves the nitrate in the soil, which can then be used by plants for their nutrition and growth. The main objective of this thesis was to evaluate the effect of the application of exogenous procyanidins at several field concentrations on a plant model of economic interest, lettuce, as well as on different soil types. These effects have also been tested on another model of economic interest that consumes nitrogen, celery. During these experiments, measurements were made on (i) microbial denitrification activity, (ii) plant traits related to growth and (iii) the abundance of denitrifying bacterial communities. Our results show an induction of a BDI in the field, a conservation of nitrate inducing in turn an improvement in plant growth and a counter-selection by the plant of denitrifiers. The other point addressed, which was rather fundamental but less successful due to a lack of time, was to highlight, via the use of Arabidopsis thaliana mutants affected in the production of procyanidins or overproducing procyanidins, a return to the plant of nitrogen diverted following the BDI

Les ions nitrate présents dans les effluents agricoles et agroalimentaires sont la cause majeure de la pollution de l'eau induisant eutrophisation et risques sanitaires dûs à la méthémoglobinémie. Le traitement de ces effluents avant de les rejeter est alors impératif. De nombreux procédés biologiques et physicochimiques ont été mis en oeuvre pour le traitement de ces effluents. Cependant, l'adsorption s'avère une alternative prometteuse grâce à sa simplicité et sa rapidité. Dans le présent travail, l'objectif principal est l'étude du procédé d'adsorption des ions nitrate par un organosilicate mésoporeux de type SBA-15. Les essais ont été réalisés avec des solutions synthétiques en batch et analysés par HPLC ionique. Les matériaux ont été caractérisés par les techniques de DRX et BET. L'équilibre de l'adsorption a été modélisé par les modèles de Langmuir, Freundlich et Temkin afin de déterminer les paramètres thermodynamiques. La capacité d'adsorption maximale obtenue est de 50 mg/g. L'étude des conditions opératoires a révélé que le rendement d'adsorption augmente avec la charge en adsorbant et diminue avec la concentration initiale en nitrate. Le pH optimum est situé entre 4 et 8. Par ailleurs, l'étude de l'effet des ions S0₄²⁻, CO₃²⁻, Mg²⁺ et Ca²⁺ a montré que le sulfate et le carbonate ont un effet négatif sur l'adsorption. Les isothermes d'adsorption ont montré que la capacité d'adsorption diminue en augmentant la température. Aussi, le modèle de Langmuir s'applique le mieux aux résultats expérimentaux pour toutes les températures investiguées. L'adsorbant testé sur des solutions en présence de matière organique (acides phytiques et humiques) simulant les conditions réelles des effluents d'origine agricole nous a permis de conclure que la matière organique n'a pas d'effet significatif sur l'adsorption du nitrate.