La désinfection de l'eau potable par le chlore permet d'inactiver les micro-organismes pathogènes et de contrôler la croissance microbienne au cours du transport de l'eau dans le réseau de distribution municipal. En présence de la matière organique et inorganique dans l'eau brute, ce procédé de traitement conduit à la formation de sous-produits de la désinfection (SPD) incluant les trihalométhanes (THM) et les acides haloacétiques (AHA) qui sont réglementés. Afin de respecter les normes pour ces SPD formés au cours de la chloration, les rayons ultraviolets et d'autres oxydants tels que l'ozone, le dioxyde de chlore ou la chloramine peuvent être utilisés comme désinfectants alternatifs pour la désinfection primaire. L'ozonation est communément appliquée durant la production d'eau potable non seulement pour permettre la diminution de la teneur en SPD réglementés mais aussi en raison de sa puissance comme désinfectant et oxydant. Néanmoins, compte tenu de courte demi-vie de l'ozone dans l'eau (l'ozone n'a pas d'effet rémanent), son utilisation requiert l'application de chlore ou de chloramine suivant l'ozonation afin de s'assurer la sécurité de l'eau distribuée. Toutefois, ce scénario de désinfection de l'eau potable (ozone-chlore/chloramine) favorise la formation des acétaldéhydes halogénés (halogenated acetaldehydes, HAL). Ces derniers attirent de plus en plus d'attention dans les dernières années en raison de leur abondance (troisième plus grande famille de SPD) et de leur cytotoxicité élevée. La présente thèse s'est donc consacrée à améliorer les connaissances sur la présence et la variabilité spatio-temporelle des HAL dans les réseaux d'aqueduc ainsi que sur les niveaux d'exposition de la population à ces contaminants dans les eaux potables désinfectées à l'ozone. Dans un premier temps, différents paramètres (pH, agent de conservation et durée de conservation) ont été optimisés pour la conservation des échantillons afin d'analyser les acétaldéhydes trihalogénés (trihalogenated acetaldehydes, THAL) et acétaldéhydes dihalogénés (dihalogenated acetaldehydes, DHAL) par une méthode analytique consolidée qui a été validée en laboratoire. Par la suite, quatre campagnes d'échantillonnage ont été réalisées sur deux ans (entre 2017 et 2019) au sein de deux systèmes d'eau potable sélectionnés comme cas à l'étude. La première campagne d'échantillonnage s'est échelonnée sur une année et a généré une base de données robuste sur le comportement de HAL dans les usines de traitement d'eau potable (UTEP) et leur variabilité spatio-temporelle dans les réseaux de distribution. À la suite de cette campagne, la relation entre l'ozonation et la variation de HAL dans l'eau traitée a été évaluée pendant un mois via une campagne d'échantillonnage intensive, dans une UTEP où les changements de pratique de l'ozonation avaient lieu. Finalement, deux autres campagnes d'échantillonnage ont été effectuées pour évaluer les effets de manipulations domestiques de l'eau sur la concentration de HAL à laquelle la population est exposée. Les résultats obtenus ont permis d'identifier les facteurs contribuant à la formation de HAL dans l'eau potable et de déterminer les stratégies de manipulation domestique pour réduire l'exposition aux HAL via l'eau potable. En se basant sur les concentrations de THM, la prédiction de la concentration de THAL est devenue possible grâce aux fortes corrélations entre les concentrations de THM et de THAL dans les deux systèmes d'eau potable à l'étude. / Disinfection of drinking water with chlorine results in the inactivation of targeted pathogens and the control of microbial growth during the transportation through the distribution system, while in the presence of naturally occurring organic and inorganic matter, disinfection by-products (DBPs) are formed. For instance, trihalomethanes (THMs) and haloacetic acids (HAAs) are regulated in many countries. In order to meet the regulations, ultraviolet irradiation and other oxidants such as ozone, chlorine dioxide or chloramines are used as alternative disinfectants for primary disinfection. Ozonation is commonly applied during water treatment not only due to the intended reduction in the levels of regulated THMs and HAAs but also its numerous advantages as oxidant and disinfectant. However, the use of chlorine or chloramines following ozonation is generally required to ensure the safety of drinking water in distribution systems due to the short half-life of ozone. Unfortunately, this disinfection scenario (ozone-chlorine/chloramines) promotes the formation of halogenated acetaldehydes (HALs), which attract more and more attention in the last years due to their abundance in drinking water (third largest group of identified DBPs by weight) and their relatively high cytotoxicity. This thesis is therefore devoted to improving the knowledge about the occurrence and spatio-temporal variability of HALs as well as the levels of human exposure to these contaminants in ozonated drinking water. First, various parameters (pH, quenching agent and sample holding limit) were optimized for sample preservation in order to analyze trihalogenated acetaldehydes (THALs) and dihalogenated acetaldehydes (DHALs) using a consolidated analytical method. Subsequently, four sampling campaigns were conducted over two years (between 2017 and 2019) in two drinking water systems. The first one-year sampling campaign generated a robust database of HALs regarding their behavior in drinking water treatment plants (DWTPs) and the spatio-temporal variability in distribution networks. Then the relationship between ozonation and HAL variation in treated water was assessed during a one-month intensive sampling campaign, in a DWTP where changes regarding ozonation procedures occurred. Finally, two more sampling campaigns were carried out to evaluate the effects of household tap water handling on the exposure of HALs. The results allow to identify the contributing factors to HAL formation in drinking water and to determine strategies of household handling for the control of HAL exposure via drinking water. The prediction of the occurrence of THALs based on THMs was made possible because of the strong correlations between THM levels and THAL levels in both drinking water systems.

En raison de l'utilisation généralisée de l'acétamipride dans de nombreuses régions et de ses résidus potentiels présents dans l'environnement, ce néonicotinoïde a reçu une attention considérable de la part de la communauté scientifique en quête active de méthodes efficaces assurant sa dégradation. Au cours des dernières décennies, la photocatalyse hétérogène et l'application des semi-conducteurs ont été largement étudiées pour la dégradation des polluants organiques. Cette thèse vise à développer des photocatalyseurs efficaces à base d'oxyde de zinc (ZnO), en appliquant différentes stratégies, telles que le couplage de ZnO avec des métaux et des non-métaux permettant de réduire les inconvénients possibles, tels que la recombinaison électron-trou et d'étendre l'absorption de la lumière dans le domaine du visible. Dans les études réalisées dans le cadre de la présente thèse, il a été proposé la production de photocatalyseurs par la méthode de précipitation simple et la précipitation assistée par microondes, avec dopage et co-catalyse de matériaux métalliques (Ce, Cu, Fe, Pd) et non métalliques (N et oxyde de graphène). Les différents nanomatériaux catalytiques synthétisés ont été caractérisés afin d'évaluer leur morphologie, leur structure et leurs propriétés optiques et texturales. Les photocatalyseurs ont par la suite été appliqués au processus de réaction de photocatalyse hétérogène sous la lumière visible pour la dégradation de l'acétamipride dans l'eau. Les photocatalyseurs dopés simultanément à l'azote et à l'oxyde de graphène ainsi qu'au palladium et à l'oxyde de graphène ont donné des résultats les plus prometteurs en assurant la dégradation totale de l'acétamipride au bout de 300 min à la température ambiante. Par ailleurs, afin d'améliorer les performances de dégradation du polluant, le recours aux ultrasons a été mis en œuvre de deux méthodes différentes. La première consistait à utiliser les ultrasons comme prétraitement avant la photocatalyse. La deuxième consistait en une combinaison simultanée de la cavitation ultrasonore et de la photocatalyse hétérogène. Cette dernière stratégie s'est avérée la plus efficace en permettant d'assurer une dégradation complète de l'acétamipride au bout de 120 min de réaction sonophotocatalytique. En conclusion, la présente recherche s'est révélée positive, répondant à l'objectif principal de dégradation de l'acétamipride dans l'eau, en utilisant des procédés innovants dans le domaine de la photocatalyse, qui sont simples et faciles à appliquer et à manipuler. / Due to the widespread use of acetamiprid in many regions worldwide and its potential residues in the environment, this neonicotinoid has received considerable attention from the scientific community actively seeking effective methods to ensure its degradation. In recent decades, heterogeneous photocatalysis and the application of semiconductors have been widely studied for the degradation of organic pollutants. The present thesis aims to develop efficient photocatalysts based on zinc oxide (ZnO), by applying different strategies, such as the coupling of ZnO with metals and non-metals allowing to reduce the possible drawbacks, such as electron recombination -hole and extend the absorption of light to the visible range. In the investigations carried out within the framework of this thesis, it was proposed the production of photocatalysts by the simple precipitation method and the precipitation assisted by microwaves, with doping and co-catalysis of metallic materials (Ce, Cu, Fe, Pd) and non-metallic (N and graphene oxide). The different catalytic nanomaterials synthesized were characterized to evaluate their morphology, structure, optical and textural properties. The photocatalysts were subsequently applied to the heterogeneous photocatalysis reaction process under visible light irradiation for the degradation of acetamiprid in water. Photocatalysts doped simultaneously with nitrogen and graphene oxide as well as palladium and graphene oxide have given the most promising results by ensuring the complete degradation of acetamiprid after 300 min of reaction at ambient temperature. Furthermore, to improve the pollutant degradation performances, the use of ultrasound was implemented in two different methods. The first was to use ultrasonication as a pretreatment before photocatalysis. The second consisted of a simultaneous combination of ultrasonic cavitation and heterogeneous photocatalysis. The latter strategy has proven to be the most effective in ensuring complete degradation of acetamiprid after 120 min of sonophotocatalytic reaction. In conclusion, the present research was shown to be positive, meeting the main objective of degradation of acetamiprid in water, using innovative processes in the field of photocatalysis, which are simple and easy to apply and manipulate.

De nouvelles normes plus strictes en matière d'émissions de nutriments dans les eaux voient le jour, notamment une norme de 0,1 mg P/L dans les Grands Lacs. De nouvelles méthodes de traitement doivent être développées pour atteindre des concentrations de phosphore aussi faibles à un prix raisonnable. L'adsorption à l'aide d'une résine hybride échangeuse d'anions imprégnée de nanoparticules de fer est une méthode prometteuse, car elle permet d'atteindre des concentrations faibles à un coût opérationnel raisonnable. Elle consiste en une première étape d'adsorption, puis une régénération, après quoi le cycle peut recommencer. La solution de régénération récupérée est très concentrée en phosphate et il devient plus facile par la suite de récupérer ce phosphate à l'aide de précipitation. Malgré des résultats prometteurs trouvés dans la littérature, très peu d'optimisation sur la régénération a été faite et cette étape est très peu documentée, malgré qu'elle consiste en la majorité des coûts opérationnels. Également, la plupart des expériences ont été effectuées avec des eaux usées synthétiques, qui n'ont pas les problèmes opérationnels tels que la formation de biofilm ou la présence d'ions compétiteurs et de contaminants. De plus, il y a peu d'information sur l'adsorption en présence d'ions compétiteurs et il devient difficile de prédire la capacité d'adsorption de la résine. Ce projet de maîtrise consiste à optimiser et documenter le procédé de régénération, tester l'efficacité de la résine avec des eaux usées réelles et quantifier l'effet des ions compétiteurs sur la capacité d'adsorption. Pour ce faire, des expériences en batch et en microcolonne ont été effectuées avec des eaux usées synthétiques pour modéliser la régénération et obtenir une solution de régénération efficace et peu coûteuse. Par la suite, des expériences en microcolonnes avec des eaux usées réelles ont été réalisées avec une saturation de la résine et ensuite avec une régénération à chaque 48 heures pour voir l'évolution du biofilm. Finalement, les isothermes de Langmuir et de Freundlich ont été modélisés pour les sulfates, chlorures et les phosphates à pH neutre. Les résultats des premières expériences révèlent que 15,89 volumes de lit d'une solution de 0,70% et 0,78% massique de NaOH et de NaCl avec un temps de résidence de 5 minutes permettent de minimiser les coûts de régénération. Cela a également montré que la concentration de base est le paramètre le plus important lors de la régénération, suivi par le nombre de volumes de lit, la concentration de sel et finalement le temps de résidence. Les expériences en microcolonne avec des eaux usées réelles justifient une fréquence de régénération de 48 heures pour prévenir la formation de biofilm, et que cette méthode est même économiquement avantageuse par rapport à choisir un temps entre les régénérations plus élevé. Finalement, l'isotherme de Freundlich est le mieux adapté pour décrire l'adsorption des sulfates et des phosphates, mais l'adsorption des chlorures est mieux décrite par l'isotherme de Langmuir. Les isothermes mixtes ne sont pas concluants en raison de mauvais résultats dus aux méthodes de mesure utilisées. / As new and stricter nutrients emission regulations are announced, such as a 0,1 mg P/L for the Great Lakes, it becomes imperative to develop and optimize new nutrient recovery methods in order to respect such strict laws. A method with promising results is the adsorption with hybrid anion exchange resins impregnated with iron oxide nanoparticles. This technology consists in adsorbing phosphate and then recovering it by regenerating the resin. The recovered phosphate solution obtained after the resin regeneration is highly concentrated, making it easy to precipitate the phosphate. Despite the promising results found in literature, very little optimization has been pursued regarding the regeneration, even though it constitutes one of the most important operational costs. In addition, most of the research has been done with synthetic wastewater, which does not allow studying all the operational problems that one can encounter with real wastewater such as biofilm formation and the presence of multiple competitive ions and other contaminants. Finally, there is very little information on the adsorption of the competitive ions in the literature, so it becomes nearly impossible to predict the adsorption capacity of the resin for real cases. Therefore, this master project focusses on optimizing and documenting the regeneration process, executing experiments with real wastewater to see if the resin is still efficient and finally developing isotherms with competitive ions in order to predict the adsorption capacity of the resin in real conditions. In order to do so, batch and micro-column experiments were done with synthetic wastewater to model and optimize the regeneration steps and reduce its costs. Then, experiments with real wastewater were performed using two different regeneration methods. The first method was to regenerate the column after a complete saturation, and the second method was with a 48 h interval between regenerations. Finally, Freundlich and Langmuir isotherms were modelled for sulfate, chloride and phosphate at neutral pH. Results from the first set of experiments showed that sulfates and chlorides have the same effect on the regeneration performance. A cost-effective solution for the regeneration was established, which involves the use of 15,89 bed volumes of a 0,70% and 0,78% weight solution of NaOH and NaCl respectively with a residence time of 5 minutes. They also revealed that the base concentration is the most important parameter for the regeneration, followed by the number of bed volumes, the salt concentration and finally the residence time. Experiments with real wastewater showed that a 48 h interval between regeneration cycles was the most efficient one to regenerate and remove the biofilm formation. Finally, the Freundlich isotherm is the most adapted to describe sulfate and phosphate adsorption, but the Langmuir isotherm is more adapted for chloride adsorption. Mixed ions isotherms were not concluding due to problems with measurements.

Le Tanfloc est un coagulant organique naturel à base d’extrait de tanin. Ce produit est issu du métabolisme de certaines plantes, dont l’Acacia mearnsii, qui est utilisé pour sa production. Selon certaines études, le Tanfloc présenterait des performances d'abattement de la matière organique dissoute comparables à celles de l’alun dans le traitement des eaux de surface, avec l’avantage de ne pas être influencé par le pH. Il pourrait être également utilisé comme l’alun, dans le traitement des eaux usées, pour l'abattement de la DCO (Demande chimique en Oxygène), de la MES (Matière En Suspension) et de la demande biologique en oxygène. Contrairement aux autres coagulants organiques naturels, tels que le Moringa, le Tanfloc est présenté comme le coagulant organique qui pourrait être un alternatif aux coagulants inorganiques tels que l’alun, dont l’utilisation présente quelques inconvénients. Les objectifs de cette étude, sont d’améliorer les connaissances sur ce coagulant : ses mécanismes de coagulation, ses performances, et d’étudier les possibilités de son utilisation dans le traitement des eaux usées et dans la potabilisation en comparaison avec l’alun. En eau potable, les résultats de séries de jar tests réalisées avec des sources d’eau différentes (Fleuve Saint Laurent et la Rivière Chaudière), montrent que le résiduel de COD (Carbone organique dissous) du Tanfloc en plus de dégrader la qualité de l’eau traitée, implique une demande en chlore plus élevée. Cependant, il semble que cet apport de COD ne soit pas précurseur des sous-produits de désinfection. En outre, tout comme l’alun, ses performances sont influencées par la variation du pH, de la dose et des caractéristiques de l’eau brute. En eaux usées, bien qu’il ne permette pas l’abattement de l’azote total et du phosphore total, le Tanfloc pourrait être utilisé dans le traitement des eaux usées (traitement primaire), car il permet selon nos résultats un meilleur abattement de la DCO et de la MES que l’alun. En outre, le caractère organique des boues produites suite à l’utilisation du Tanfloc pourrait améliorer leurs valorisations. / Tanfloc is a tannin extracts-based natural and organic coagulant. Tannin is derived from the metabolism of some plants like Acacia mearnsii which is used in its production. Some studies suggest that Tanfloc offers a reduction performance of dissolved organic matter similar to that of alum for the treatment of surface waters, with the advantage that the pH has no impact on it. Like alum, it can be used in waste water treatment to reduce Chemical Oxygen Demand (COD), Suspended Solids (SS), and Biological Oxygen Demand. Unlike other natural organic coagulants such as Moringa, Tanflloc is seen as the organic coagulant which might be a suitable alternative to inorganic coagulants like alum whose use presents some disadvantages. The objectives of this research were to improve on the knowledge about this coagulant: how it works, its performance; and to investigate its potential use in waste and potable water treatment as compared to alum. As far as potable water is concerned, the results of jar tests on different water sources (St. Lawrence River and Chaudière River) show that Tanfloc’s DOC (Dissolved Organic Carbon) residual does not only degrade treated water quality, but also involves a higher chlorine demand. However, it appears that this COD residue is not a harbinger of disinfection by-products. Moreover, as it is the case with alum, pH variation, dosing, and raw water characteristics have an impact on Tanfloc’s performance. As far as waste water is concerned, although Tanfloc does not reduce total nitrogen and total phosphorus, it can be used in waste water treatment (primary treatment) because our results suggest that it enables a better reduction of COD and SS than alum. Furthermore, the resulting sludge from Tanfloc’s use is organic and this can add to its valuation.

La nécessité du traitement d'eaux de ruissellement routier chargées en sel de voirie (sodium, calcium, chlorure) et d'eaux issues d'une agriculture intensive (phosphore) a permis l'étude (Saint-Augustin, Canada) et l'évaluation de la transposition (Massif-Central, France) d'une unité filtrante basée sur des principes physicochimiques d'adsorption. Un suivi qualitatif et hydraulique des eaux de surface ainsi qu'une étude des matériaux constituant l'unité (calcite, dolomie, pouzzolane, anthracite) ont été accomplis. Des mesures de débit par déversoir, essais de traçage, échantillonnage d'eau ont été réalisés sur terrain. Des essais d'adsorption, cinétiques, isothermes et colonnes ont été faits en laboratoire. L'étude terrain a montré que l'unité filtrante est assimilable à un réacteur piston pour des débits supérieurs à 400 mL/s, et permet un abattement maximum respectif de 67%, 71% et 70% pour le chlorure, calcium et phosphore total. L'étude en laboratoire a révélé une adsorption de 20% du sodium (calcite) et 15,4% du chlorure (dolomie). / The treatment necessity of run off water concentrated in road salts (sodium, calcium, chloride) and intensive agriculture stemming waters (phosphor) allowed the study (Saint-Augustin, Canada) and the evaluation of the transposition (Massif-Central, France) of a filtering unit based on adsorption physicochemical properties. A qualitative and hydraulic follow-up of surfaces waters as well as a study of the unit constituting materials (calcite, dolomite, pozzolan, anthracite) were carried out. Flow measures by overflow, tracers tests, water sampling were realized on the field. Adsorption, kinetics, isotherms and columns tests have been made in laboratory. The field study showed that the filtering unit is comparable to a plug flow reactor for flows over 400 mL/s, and allows a respective maximum allowance of 67%, 71% and 70% for the chloride, calcium and total phosphor. The study in laboratory revealed an adsorption of 20% for the sodium (calcite) and 15,4% for the chloride (dolomite).

Le procédé de coagulation constitue la première étape de traitement de la chaîne conventionnelle de production d’eau potable. La détermination du dosage optimal de coagulant à appliquer est relativement complexe puisqu’elle requiert l’atteinte simultanée de plusieurs objectifs. Il est donc pertinent de développer des outils d’aide à la décision pour assister les opérateurs dans le choix de la dose de coagulant. L’objectif de l’étude était de fournir des outils aux opérateurs de l’usine de traitement des eaux (UTE) de Sainte-Foy pour les aider dans le choix du dosage de sulfate d’aluminium (alun). Dans le cadre de ce projet, quatre outils ont été ainsi développés : un modèle de prédiction du dosage d’alun à appliquer, deux modèles de prédiction de la concentration en carbone organique dissous (COD) à l’eau décantée et un capteur virtuel qui permet de prédire la concentration en COD aux eaux brute et décantée. Dans tous les cas, il s’agit de modèles neuronaux. Le premier modèle permet de prédire le dosage d’alun à appliquer en reproduisant la bonne opération antérieure effectuée à l’usine en termes de réduction de la turbidité. Les variables d’entrée du modèle sont le mois, la conductivité, la température, la turbidité et le pH à l’eau brute. L’ajustement du modèle a été effectué à partir de données d’opérations récoltées aux 5 minutes pendant 4 années (378 535 séries de données). Les dosages prédits diffèrent en moyenne de 5,9% de ceux réellement appliqués. Le second modèle permet de prédire la concentration en COD à l’eau décantée à partir de l’absorbance ultraviolet (UV) à 254 nm et du COD à l’eau brute, du pH de coagulation et de la dose d’alun appliquée. Les performances du modèle 2 ont été comparées à celles obtenues à partir de deux autres modèles empiriques provenant de la littérature et permettant de prédire la concentration en COD après coagulation. Le modèle neuronal 2 a de meilleures performances de prédiction que ces deux autres modèles empiriques. Les concentrations en COD prédites par le modèle 2 diffèrent en moyenne de 9,6% de celles réelles. Le troisième modèle prédit la concentration en COD aux eaux brute et décantée à partir de l’absorbance UV, de la température, de la turbidité et du pH. Il agit à titre de capteur virtuel de COD et permet de rendre compte de l’efficacité de l’enlèvement de la matière organique naturelle par les étapes de coagulation, floculation et décantation. Les concentrations en COD prédites par le modèle 3 diffèrent en moyenne de 13,2% de celles réelles. Enfin, le quatrième modèle permet de prédire la concentration en COD à l’eau décantée à partir de l’absorbance UV (254 nm) à l’eau brute plutôt que du COD. Les concentrations prédites par ce dernier diffèrent en moyenne de 10,9% de celles réelles. La base de données utilisée pour l’ajustement des modèles 2, 3 et 4 comprend une année de suivi de COD et d’absorbance UV (eaux brute et décantée) à raison de 2 mesures par jour et les données d’opération récoltées en continu pour la même période. Les performances des quatre modèles sont présentées et discutées en fonction de leur implantation possible à l’usine et des améliorations pouvant leur être apportées. De tous les modèles développés, le seul qui pourrait être implanté à court terme est le modèle 1. En effet, les modèles 2, 3 et 4 sont préliminaires et devraient être mis à jour à partir de bases de données plus grandes comprenant davantage de périodes de variations et rendre de meilleures performances avant de pouvoir être implantés en usine. Les modèles développés pourraient être intégrés afin de permettre aux opérateurs de choisir le dosage de coagulant à appliquer qui permettrait de faire un compromis entre les différents objectifs du procédé de coagulation. Cela pourrait améliorer encore davantage la qualité de l’eau produite. / The coagulation process is the first step of the conventional drinking water treatment chain. It is an important treatment step since it affects the efficiency of the subsequent treatment steps namely flocculation, settling, filtration and disinfection. It is relevant to develop decision aid tools to assist operators in the choice of the coagulant dose. This project aims at developing such tools. More specifically, the objective of the study was to provide tools for the operators of the Sainte-Foy water treatment plant to help them in choosing the appropriate aluminum sulphate dose (alum). As part of this project, three tools were developed: a model for the prediction of the coagulant dose, two models for the prediction of dissolved organic carbon (DOC) concentration of settled water and a virtual sensor which allows predicting DOC concentration of raw and settled waters. All models are neural network models. The first model allows the prediction of the alum dosage by mimicking the good previous operation performed at the plant in terms of turbidity reduction. The input variables of the model are the month, the conductivity, temperature, turbidity and pH of raw water. The model was developed from operation data collected every 5 minutes during 4 years (378 535 data sets). Dosages predicted vary by an average of 5,9% of those actually applied. The second model allows the prediction of the DOC of the settled water. The input variables are the UV absorbance and DOC of raw water, pH of coagulation and alum dosage applied. Performances of the second model are compared with those obtained from two others empirical models (from the literature) that allow the prediction of the DOC of the settled water. Compared to these models, the second neural model gives better prediction performance. DOC concentrations predicted by the second model vary by an average of 9,6% of those actually measured. The third model allows the prediction of the DOC of raw and settled water. The input variables are the UV absorbance, temperature, turbidity and pH. The model acts as a virtual sensor of DOC concentration and allows the evaluation of the removal efficiency of natural organic matter by the coagulation, flocculation and settling steps. DOC concentrations predicted by the third model vary by an average of 13,2% of those actually measured. Finally, the fourth model allows the prediction of the DOC of settled water from UV absorbance of raw water instead of DOC. Concentrations predicted by that model vary by an average of 10,7% of those actually measured. The database for the adjustment of the second, third, and fourth models includes one year of DOC and UV absorbance monitoring at raw and settled water performed twice daily and operation data continuously collected. The models performances are presented and discussed according to their implementation and use in the treatment plant. A way to improve developed models is also described. Actually, only the first model could be implemented on a short term basis. Models 2, 3 and 4 are actually preliminary models that would need to be updated with larger databases including more variation periods before implementation. Developed models could be integrated to allow the operators to choose the alum dosage that can afford to make a compromise between the different objectives of the coagulation process. This could further improve the treated water quality.

Le traitement de l'azote au sein des stations d’épuration des eaux usées devient l'un des principaux enjeux actuels du fait de son impact particulièrement néfaste sur le milieu naturel. A l'aval de traitements secondaires à moyenne et forte charge, les gestionnaires peuvent avoir recours à la nitrification tertiaire par biofiltration, procédé intensif s’insérant bien pour les installations à réhabiliter dans les zones à forte pression foncière. Il s’avère être un procédé capable d’éliminer de très fortes charges dans un espace restreint par sa capacité à accumuler une quantité importante de biomasse active autour du matériau filtrant. La simulation du comportement d’un tel procédé n’est pas directe, et peu de travaux ont mené à un outil utilisable en ingénierie. Or, son usage serait indispensable pour valider le dimensionnement en conditions réelles de fonctionnement et en régime dynamique. L’objectif principal de ce travail a porté sur l’étude et la validation d’un modèle de biofiltration déjà existant mais encore jamais testé avec des données réelles de terrain en traitement tertiaire de nitrification. Dans ce but, le fonctionnement d’une installation pilote semi-industrielle alimentée par un effluent urbain réel provenant de bassins par boues activées a été étudiée. Afin de se placer en condition dynamique de fonctionnement, différents paliers de charges moyennes journalières en azote ont été appliqués, au sein desquels des à-coups de charges hydrauliques ont été provoqués. Les résultats acquis en continu pendant plus d’un an, associés à un protocole de calage systématique issu d’une étude de sensibilité, ont permis d’obtenir un jeu de paramètres calé et validé du modèle. Le protocole a nécessité la mise en œuvre de tests spécifiques caractérisant régulièrement le biofilm développé dans le procédé. Ces essais ont augmenté le nombre de variables d’état observées et à comparer avec les prédictions du modèle, ce qui a permis de mieux en évaluer sa robustesse. En parallèle, les tests spécifiques ont permis d’étudier la dynamique des processus impliqués dans l’élimination de l’azote au sein du procédé. Les paramètres influençant les performances globales du traitement de l’azote, l’activité et la quantification de la biomasse autotrophe, son temps de séjour ou encore sa répartition au sein du milieu filtrant ont ainsi pu être évalués. La double démarche expérimentale et numérique a permis de montrer que le modèle de biofiltration est capable de simuler des performances de traitement de l’azote conformes à la réalité. D’autre part, ce travail a permis d’étudier de manière approfondie les mécanismes inclus dans le modèle et leurs limitations face aux différentes conditions de fonctionnement appliquées au système. Des faiblesses du modèle concernant le comportement des composés particulaires et l’évolution de la perte de charge au sein du pilote ont notamment été dégagées. / Nitrogen removal in wastewater treatment plants becomes more and more used due to the harmful impact of nitrogen on the natural environment. After medium and highly loaded secondary treatment, practitioners could use biofiltration for tertiary nitrification, which is an intensive process adapted in areas with strong land pressures. This technology can remove very strong loading rate in a restrained space by its capacity to developp an important amount of active biomass into the filtering media. Simulation of such technique’s behaviour is not direct, and few studies led to a useful tool for engineers. However, its use is necessary in order to validate design in real operating conditions and dynamic conditions. The main objective of this work concerned the study and validation of a biofiltration model which already exists but has still never been tested with real data in tertiary nitrification treatment. In order to reach this objective, the behaviour of a semi-industrial pilot plant, fed by real domestic effluent from an activated sludge plant, was studied. In order to operate in dynamic conditions, different daily volumetric nitrogen loading rates were applied, in which dynamic peak-loads were carried out. The calibration and the validation of the model parameters were done thanks to on-line ammonia and nitrate analysers during one year and more, in association with a calibration procedure and a sensitivity analysis. The protocol required the implementation of specific tests for characterization of the biofilm inside the filtering media. These tests increased the number of the observed state variables to compare with the model predictions. That allows a better evaluation of the model robustness. At the same time, the dynamics of processes taking part in the nitrogen removal into the biofilm were investigated thanks to these specific tests. So, parameters which influence the nitrogen removal, overall performance, activity and quantification of autotrophic biomass, its solids retention time or its repartition inside the filtering media, could be determined. Combination of experimental observations and numerical modelling highlighted the capacity of the biofiltration model to provide good predictions on real nitrogen removal performances. Furthermore, this study allowed to evaluate mechanisms included in the model and their limitations with different operating conditions applied in the system. Finally, weaknesses of the model concerning solids compounds and the evolution of head loss in the pilot plant were established.

Un suivi de deux filtres granulaires pleine échelle a été fait à une des usines de production d’eau potable de la Ville de Québec qui a une capacité de production de plus de 220 000 m3/jour. Un des filtres contient du sable et de l’anthracite, et l’autre du sable et du charbon activé en grains (CAG). Les deux filtres, qui sont précédés d’une inter-ozonation, ont été opérés dans les mêmes conditions pendant l’étude. Les qualités de l’eau brute, décantée, ozonée et filtrée ont été suivies pendant 32 semaines, de mai à décembre 2011, à raison de 2 échantillonnages dans un cycle de filtration à chaque deux semaines. Cette période correspond à peu près à la deuxième année d’opération après le changement des milieux filtrants dans cette usine. Le filtre avec CAG s’est avéré plus performant pour presque tous les paramètres de qualité d’eau considérés, en particulier en termes d’enlèvement de la matière organique biodégradable et non-biodégradable. Par contre, et contrairement à ce qui a été observé antérieurement, la réduction de la turbidité a été plus forte dans le filtre avec anthracite. Une analyse économique préliminaire et partielle montre que le meilleur enlèvement de la matière organique réalisé par le filtre avec CAG pourrait amener une économie significative due à une réduction de la demande en chlore mais que celle-ci serait masquée par le coût d’achat très élevé du CAG par rapport à l’anthracite. / A water quality monitoring was conducted on two full scale granular filters of the biggest water treatment plant of Québec City. One of the filters contains anthracite and sand layers, while the other contains granular activated carbon (GAC) and sand layers. Both filters, which are preceded by an inter-ozonation step, were operated in the same conditions during the study which happened during the second year of operation of these filters. The qualities of raw water, settled water, ozonated water and filtered water were monitored for 32 weeks, from May to December 2011, two times in a filtration cycle every two weeks. Globally, the GAC filter exhibited better organic matter removal performances but a lower turbidity removal performance than the anthracite filter. This allows a potential reduction in chlorine consumption for the GAC filter but this economy is shadowed by the very high cost of this filter media.

Au Biodôme de Montréal, la culture d'algues marines pourrait contribuer à l'amélioration de l'habitat aquatique et permettre à l'institution de combler ses exigences en termes de qualité de l'eau. En effet, les macroalgues peuvent diminuer les concentrations en nitrates et en phosphates générés par la décomposition des déchets métaboliques des animaux captifs puisqu'elles absorbent ses nutriments pour combler leurs besoins de croissance. L'objectif de ce projet est de contribuer au développement d'un biofiltre macroalgal adapté aux conditions d'opération de l'écosystème marin du Biodôme de Montréal. Les performances de bioremédiation de deux espèces d'algues marines indigènes, Palmaria palmata et Ulva lactuca, ont été évaluées sous des conditions expérimentales similaires à celles des bassins d'exposition, soit deux températures (5 et 10°C) et trois concentrations élevées en nitrate et phosphate (2 856:194 vs. 3 570:242 vs. 4 284:291 µM NO₃-:PO₄³⁻). Après six jours de culture, nos résultats démontrent 1) que les différentes concentrations en nutriments et la température n'influencent pas significativement la vitesse d'absorption des nutriments chez les deux espèces; 2) que la croissance de P. palmata n'est pas influencée par les traitements et 3) qu'U. lactuca démontre une croissance maximale à 10°C et à concentration intermédiaire. Le niveau élevé de saturation tissulaire en N, en lien avec les conditions environnementales nutritives du milieu de culture, limiterait l'absorption des nutriments et la croissance des macroalgues. Entre les deux espèces, U. lactuca semble une meilleure candidate que P. palmata dans nos conditions expérimentales, car elle démontre une vitesse d'absorption des nitrates trois fois supérieure (1,76 ± 0,59 vs. 0,65 ± 0,15 mg N MS⁻¹ d⁻¹), une vitesse d'absorption des phosphates deux fois supérieure (0,32 ± 0,21 vs. 0,14 ± 0,11 mg P DW⁻¹ d⁻¹) et un taux de croissance trois fois supérieur à P. palmata (2,12 ± 0,89 vs. 0,64 ± 0,18 % MF d⁻¹). Pour poursuivre le développement d'un biofiltre macroalgal efficace, l'accès à la lumière, le contrôle du pH et la disponibilité en microéléments devraient être optimisés

Une grande partie de la flore microbienne des réseaux de distribution d’eau potable est située au niveau des parois des canalisations. Ce biofilm, génère un certain nombre de problèmes pour la gestion des réseaux tels que la consommation du désinfectant, la croissance bactérienne ou encore l’incorporation de pathogènes qui peuvent conduire au non-respect des critères de qualité des eaux par le relargage d’une partie de sa biomasse dans la masse d’eau. Différents paramètres, parmi lesquels le régime hydraulique, permettent de contrôler la prolifération du biofilm. Nous avons cherché à savoir quel était le paramètre clé liant l’hydrodynamique et les biofilms. En utilisant des réacteurs de Couette-Poiseuille dont la géométrie permet de faire varier indépendamment le gradient de vitesse pariétal (?) et le débit, nous avons montré que le gradient de vitesse pariétal est bien le paramètre important pour le contrôle des biofilms. En utilisant ce résultat, nous avons mis au point un modèle de diffusion-convective permettant de décrire le transport et l’accumulation des bactéries sur la surface. Nous avons ainsi mis en évidence que l’accumulation du biofilm est fonction de ?1/3*t. L’hydrodynamique affectant l’organisation de la biomasse, nous avons quantifié par analyse d’images, l’impact du gradient de vitesse pariétal sur la taille, la forme et l’orientation des éléments du biofilms. Les phénomènes de relargage ont été étudiés par le biais d’inoculation de particules de polystyrène et E. coli dans des biofilms formés en chambres d’écoulement ainsi que par la réalisation d’à-coups hydrauliques dans un écoulement en conduite. / Most of the microbial flora present in the drinking water distribution network is located on the pipe walls. This biofilm is a major concern for drinking water providers as it increases disinfectant decay, provides a shelter for pathogens and is the main site of bacterial growth, thus leading, through bacterial detachment, to the non-respect of drinking water quality criteria. Hydraulic regime is one among several parameters that can be used to control biofilm proliferation. Our first objective was to determine which was the key parameter in the hydraulic regime that was controlling biofilm accumulation. Using Couette-Poiseuille reactors which geometry allow to vary independently wall shear rate (?) an d flow rate, we showed that the wall shear rate was indeed the important parameter for biofilm control. From this result, we built a convective-diffusion model in order to describe bacterial transport and accumulation to the pipe surface. It appeared that biofilm accumulation was a function of ?1/3*t. As hydraulic regime was known to affect biofilm organization, we quantified through image analysis, the effect of wall shear rate, on size, shape and orientation of the biofilm elements. Biofilm stability was studied by inoculations of polystyrene microspheres and E. coli in flow chambers colonized by biofilms. The consequences of the rapid variation of the flow rate on a biofilm formed in a pipe flow were also studied.