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.

Les activités agricoles génèrent des effluents riches entre autres en composés phosphorés dont le contrôle constitue un enjeu important du fait de leur implication directe dans le phénomène d'eutrophisation des milieux aquatiques. L'élimina'tion des composés phosphorés se trouvant dans les effluents d'origine agricole et agroalimentaire est conventionnellement effectuée au moyen de traitements biologiques ou de traitements physicochimiques. Les premiers sont souvent complexes, longs à opérer et délicats car ils dépendent de plusieurs facteurs tels que la température, le pH, la concentration en oxygène dissous et la balance des nutriments dans l'eau en plus de générer des boues volumineuses dont il faut disposer. Les traitements physicochimiques les plus employés impliquent la précipitation des espèces phosphorés qui nécessite un contrôle rigoureux du pH et l'ajout de réactifs chimiques souvent coûteux. De plus, ces traitements produisent un précipité insoluble de phosphore métallique qui est non recyclable. Le procédé d'adsorption peut constituer une alternative intéressante et prometteuse du fait qu'il ne produit pratiquement pas de boues en plus de permettre la récupération et la réutilisation des phosphates. Divers adsorbants ont été développés et utilisés pour l'enlèvement des ions phosphate mais leur capacité d'adsorption reste toujours faible et le temps pour atteindre l'équilibre est élevé ce qui nécessite impérativement le développement de nouveaux matériaux adsorbants. Dans cette étude, la silice mésoporeuse SBA -15 possédant une grande surface spécifique, une structure bien définie et une porosité élevée a été utilisée comme adsorbant pour les ions phosphate dissous. En effet, une fois synthétisée, cette silice a été fonctionnalisée en surface avec des groupements amines via la technique de greffage postsynthétique. L'acidification du matériau obtenu a permis de transformer les groupements amines en ammonium responsables du processus d'adsorption par attraction électrostatique. Les tests d'adsorption ont été effectués en batch et les solutions filtrées ont été analysées par HPLC ionique équipé d'une colonne Ionpac AS18 et d'un détecteur de conductivité. L'effet des paramètres opératoires tels que la température, le pH, le temps, la charge en adsorbant, la concentration initiale en ions phosphate, la charge en groupements amine ainsi que le type d'amine de la SBA -15 fonctionnalisée, la présence d'autre anions et cations ainsi que la régénération de l'adsorbent ont été investigués. Les résultats montrent qu'une capacité maximale de 27 mg P/g a été obtenue à SoC. L'adsorption atteint un maximum à pH 4 avec 2 une capacité d'adsorption de 31.5 P mg! g. L'équilibre d'adsorption a été atteint au bout de 10 min. L'augmentation de la charge en adsorbant avait un effet positif sur les pourcentages d'adsorption. La quantité adsorbée de P augmente avec l'augmentation de la concentration de mono- di- ét tri-ammonium jusqu à 40% avec un maximum de --70 mg P/g d'adsorbant. La capacité d'adsorption n'a pas changé après cinq cycles d'adsorption-désorption.

Les impacts environnementaux majeurs de l'agriculture sont associés à l'eutrophisation des eaux de surface causée par un enrichissement excessif en nutriments (azote et phosphore) et à la contamination des eaux souterraines par les ions nitrate. L'objectif principal de ce projet de doctorat est l'utilisation de matériaux mésoporeux fonctionnalisés à base de silice pour l'adsorption des ions phosphate et nitrate contenus dans des solutions acqueuses synthétiques simulant les effluents d'origine agricole. Trois matériaux mésoporeux (MCM-41, MCM-48 et SBA -15) fonctionnalisés avec des groupements ammonium par la technique de greffage et de co-condensation ont été synthétisés, caractérisés puis testés en mode discontinu. Les conditions opératoires ont été optimisées aussi en mode discontinu. L'équilibre et la cinétique d'adsorption ont été modélisés. Finalement, l'adsorption des ions nitrate et phosphate a été menée en mode d'écoulement continu pour simuler les conditions opératoires à l'échelle industrielle.

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

En raison de rejets agricoles et urbains, le lac Saint-Augustin (Québec) s’est enrichi en phosphore ([Ptot] = 60-120 µg/L), de sorte que ce lac est actuellement eutrophe. La source principale de phosphore étant ses sédiments, deux techniques de gestion des sédiments contaminés ont été évaluées lors d’essais in situ en plateforme flottante dans des enclos : le dragage hydraulique (par succion) et le dragage mécanique (par benne preneuse). Trois procédés de séparation de phases solide-liquide ont été également évalués sur les sédiments dragués : la décantation, la coagulation-filtration et la clarification par hydrocyclone. Le dragage hydraulique a permis d’atténuer l’apport de phosphore par les sédiments, contrairement au dragage mécanique, ce dernier ayant causé la remise en suspension des sédiments. La coagulation-filtration et la décantation ont permis d’obtenir une phase liquide plus limpide que l’eau du lac, avec une très faible teneur en phosphore, [Psoluble] < 10 µg/L. / Because of urban and agricultural pollution, Saint-Augustin Lake (Quebec) is in a eutrophic state, with high content of phosphorus ([Ptot] = 60-120 µg/L). As its sediments are the main source of phosphorus, two techniques of contaminated sediment management were assessed during in situ experiment on a floating platform with enclosures: hydraulic dredging (by pumping) and mechanical dredging (with a clamshell bucket). Three techniques of solid-liquid separation were also assessed on the dredged sediment: decantation, coagulation-filtration and separation by hydrocyclone. The hydraulic dredging managed to limit the phosphorus release from the sediment, not like the mechanical dredging that also caused a resuspension of sediment. The coagulation-filtration and the decantation enabled to obtain a liquid phase clearer than lake water with a very low content in phosphorus, [Psoluble] < 10 µg/L.