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.

Cette thèse de doctorat vise à améliorer notre compréhension de la récupération des nutriments à partir de l'urine séparée à la source, y compris l'azote, le phosphore et le potassium. L'objectif général est de parvenir à une récupération concomitante de ces trois macronutriments. Plus précisément, il s'agit d'intégrer techniquement l'extraction de l'ammoniac, l'adsorption de Na-chabazite et de biochar, et la précipitation de struvite, dans le but d'améliorer l'efficacité de la récupération et la faisabilité économique. La principale nouveauté réside dans l'intégration technique, avec un accent particulier sur la récupération du potassium. Ainsi, la présente étude doctorale commence par une revue complète de la littérature (chapitre I), suivie de deux parties de recherche scientifique axées sur le travail expérimental avec de l'urine hydrolysée et de l'urine fraîche (chapitres II et III), respectivement, et se termine par une évaluation technico-économique dans le chapitre IV. Le chapitre I a fourni un examen critique de l'intégration des trois technologies physicochimiques clés de récupération des nutriments mentionnées ci-dessus du point de vue de la description technique du processus, de l'échelle actuelle d'application et des défis potentiels et perspectives à venir. En se concentrant principalement sur la récupération du K, le chapitre II a identifié la Na-chabazite comme un adsorbant de K approprié en raison de son efficacité de récupération du K de 91,2 % dans une solution de KCl et de sa capacité supplémentaire de récupération du P. Il a également mis en évidence la molarité élevée du Na-chabazite dans une solution de KCl. L'étude a également mis en évidence la forte molarité du NH₄⁺-N comme principal obstacle à la récupération concomitante des nutriments à partir de l'urine hydrolysée. Pour faire face à cette concurrence, l'étude menée dans le chapitre II a suivi une voie technique conventionnelle et a proposé une stratégie d'intégration technique, atteignant une efficacité de récupération de 98% pour NH₄⁺-N, 97% pour PO₄³⁻-P, et 78% pour K⁺ dans l'urine hydrolysée. Dans le chapitre III, une nouvelle approche a été introduite pour récupérer K⁺ et N sous forme d'urée à partir d'urine fraîche, empêchant ainsi la compétition entre K⁺ et NH₄⁺. Cette intégration technique innovante a permis d'atteindre une efficacité de récupération de 93% pour l'azote, 98% pour le phosphore et 81% pour le potassium dans l'urine fraîche. L'évaluation technico-économique du chapitre IV a révélé que le processus innovant nécessite environ 650 000 CAD de moins en dépenses d'investissement et devrait atteindre son seuil de rentabilité dès la 21ème année. Parallèlement, elle a également permis de comprendre les scénarios optimaux de mise en œuvre des deux procédés de récupération des nutriments, facilitant ainsi leur application potentielle à l'échelle pilote ou à grande échelle. En abordant l'effet compétitif du NH₄⁺ sur la récupération du K⁺, cette recherche contribue à la récupération efficace et concomitante des macronutriments à partir de l'urine hydrolysée et de l'urine fraîche. Elle donne accès à des connaissances de pointe sur la récupération des nutriments à partir des eaux usées et inspire des recherches futures pour de nouvelles avancées dans ce domaine. / This PhD thesis aims to enhance our comprehension of nutrient recovery from source-separated urine, including nitrogen, phosphorus, and potassium. The general objective is to achieve concomitant recovery of these three macronutrients. Specifically, it involves technical integration of ammonia stripping, Na-chabazite and biochar adsorption, and struvite precipitation, with the goal of advancing the recovery efficiency and economic feasibility. The primary novelty lies in the technical integration with a specific focus on potassium recovery. Thus, the present PhD study begins with a comprehensive literature review (Chapter I), followed by two sections of scientific research focusing on experimental work with hydrolyzed urine and fresh urine (Chapters II and III, respectively), and concludes with a techno-economic assessment in Chapter IV. Chapter I provided a critical review on the integration of the abovementioned three technologies from the perspective of process technical description, the current scale of application and potential challenges and perspectives ahead. With a primary focus on K recovery, Chapter II identified Na-chabazite as a suitable K adsorbent due to its K recovery efficiency of 91.2% in KCl solution and additional P recovery capacity. It also highlighted the high molarity of NH₄⁺-N as the main obstacle for concomitant nutrient recovery from hydrolyzed urine. To address this competition, the study conducted in Chapter II followed a conventional technical pathway and proposed a technical integration strategy, achieving a recovery efficiency of 98% for NH₄⁺-N, 97% for PO₄³⁻-P, and 78% for K⁺ in hydrolyzed urine. In Chapter III, a novel approach was introduced to recover K⁺ and N as urea from fresh urine, thereby preventing the competition between K⁺ and NH₄⁺. This innovative technical integration achieved a recovery efficiency of 93% for N, 98% for P, and 81% for K in fresh urine. The techno-economic assessment in Chapter IV revealed that the innovative process requires approximately 650,000 CAD less in capital expenditure and is expected to reach its break-even point as early as the 21st year. Meanwhile, it offered insights into the optimal scenarios for implementing both nutrient recovery processes, facilitating their potential pilot or full-scale application. By addressing the competitive effect of NH₄⁺ on K+ recovery, this research contributes to the efficient and concomitant recovery of macronutrients from both hydrolyzed and fresh urine. It provides access to state-of-the-art knowledge regarding nutrient recovery from wastewater and inspire future research for further advancements in this field.

Au Canada, en 2006, plus de 27 millions de tonnes de déchets solides non-dangereux (DS) ont dû être éliminées. Au Québec, la principale méthode utilisée pour ce faire est l'enfouissement. Par exemple, en 2000, plus de 75% des 7 millions de tonnes de DS étant éliminées l'ont été par enfouissement. Cette méthode a pour inconvénient majeur la génération de lixiviat résultant de la percolation des eaux de précipitations au travers des masses de déchets. Ce lixiviat est généralement capté et doit être traité avant d'être rejeté vers un milieu récepteur. Les systèmes de traitement présentement utilisés peuvent s'avérer coûteux en plus de devoir être opérés par du personnel spécialisé. De plus, avec l'arrivée en 2009 au Québec d'une nouvelle réglementation sur les lieux d'enfouissement de DS, plusieurs de ces systèmes risquent de ne plus répondre aux normes quant aux concentrations en polluants dans les eaux traitées, particulièrement en ce qui a trait au zinc et à l'azote ammoniacal. Dans cette optique, des essais ont été effectués au Centre de recherche industrielle du Québec (CRIQ), en collaboration avec l'Université Laval, afin d'évaluer la performance de la biofiltration sur support organique pour le traitement du lixiviat de lieux d'enfouissement de DS. Deux biofiltres ayant chacun un diamètre de 200 mm et une hauteur de garnissage de 1500 mm ont été alimentés avec un lixiviat prélevé sur un site d'enfouissement existant. Un suivi bimensuel des paramètres normes par le règlement sur l'enfouissement et l'incinération des matières résiduelles (REIMR) a été effectué sur le lixiviat en entrée et en sortie de ces biofiltres, et ce pour une période d'opération de plus de 300 jours. D'autre part, cinq colonnes ayant chacune un diamètre de 76 mm et une hauteur de garnissage de 300 mm ont été construites et différents médias ont été mis à l'essai pour évaluer leur capacité à capter les métaux résiduels à la sortie d'un des biofiltres. Les résultats obtenus laissent entrevoir que la technologie de biofiltration sur support organique combinée à une couche de média spécifique pour le captage des métaux permet de traiter le lixiviat d'un lieu d'enfouissement de DS de manière à ce que leur rejets respectent l'ensemble des normes stipulées par le REIMR.

Cette étude porte sur la caractérisation de la matière organique dans les eaux naturelles et traitées avec la technique de spectroscopie de fluorescence 3D. Au total, deux usines ont été étudiées entre 2009 et 2011: Usine du Secteur-centre de la ville de Québec, Usine de traitement des eaux potables de Victoriaville. Les paramètres de qualité d’eau mesurés sont la turbidité à l’eau brute, l’absorptivité UV, le carbone organique dissous, le carbone organique dissous biodégradable et la fluorescence. Cette étude utilise la fluorescence afin de démontrer son potentiel pour suivre les variations de la nature de la MON dans une source d’eau de surface et en cours de traitement. Les données de fluorescence ont été analysées par deux méthodes: par pic (maximums locaux) et par déconvolution 3D en fluorophores unitaires (Parallel factor analysis – PARAFAC). La fluorescence s’avère un outil utile pour évaluer l’efficacité du traitement. / This study focuses on the characterization with fluorescence spectroscopy of the organic matter in natural and treated waters. In this study, two Drinking Water Treament Plants (DWTP) were studied between 2009 and 2011: DWTP of Quebec City, DWTP of Victoriaville. The main parameters to monitor water quality are raw water turbidity, UV absorbance, dissolved organic carbon, biodegradable dissolved organic carbon and fluorescence. Fluorescence spectroscopy is a simple and rapid technique that requires very little sample preparation and that can help in monitoring the organic matter through treatment, specifically some fractions such as humic acids, fulvic acids and amino acids associated with proteins as tryptophan and tyrosine. Fluorescence could also be used to monitor continuously in DWTP and be a good indicator of the effectiveness of treatment.

Cette thèse est consacrée au développement de stratégies pour évaluer l'exposition de la population aux sous-produits de la chloration (SPC) dans l'eau potable. Afin de réaliser cette thèse, l'étude de cas est conduite dans les réseaux de distribution d'eau potable qui desservent la grande région de Québec (Province de Québec, Canada). Le premier chapitre constitue une analyse critique des approches appliquées pour estimer l'exposition de la population aux SPC dans l'eau potable dans les études épidémiologiques axées sur les problèmes de reproduction humaine. Cette analyse permet d'identifier les facteurs à considérer pour estimer l'exposition de la population, et plus particulièrement en intégrant la variabilité spatiale et temporelle de l'occurrence des SPC dans les réseaux de distribution. Le deuxième chapitre compare différentes méthodes pour assigner spatialement des données de SPC à la population afin d'estimer son exposition à ces contaminants. Le troisième chapitre intègre une analyse des risques pour la santé humaine (cancer et non-cancer) associés à l'exposition de la population aux SPC dans l'eau potable. Les caractéristiques des réseaux de distribution influant sur la variabilité spatiale de l'occurrence des SPC sont considérées dans l'analyse. Par conséquent, la distribution spatiale du risque pour la population dans chacun des réseaux de distribution à l'étude est obtenue. Dans le dernier chapitre, une modélisation statistique multi-niveaux est réalisée afin d'estimer l'exposition de la population aux SPC dans l'eau potable à l'échelle de la région à l'étude. Ces modèles font appel à des paramètres facilement disponibles et intègrent la variabilité spatiale mais aussi saisonnière de l'occurrence des SPC dans les réseaux de distribution d'eau potable.

Cette thèse a comme objectif d’estimer la variabilité régionale présente et future des trihalométhanes (THM) dans les systèmes d’approvisionnement en eau potable (SAEP) desservis en eau de surface à l’aide de modèles multiniveau. La variabilité régionale des THM a été étudiée à l’aide d’une importante base de données développée dans le cadre de cette thèse et concernant les résultats réglementaires de la qualité de l’eau potable, les infrastructures de traitement, la qualité de l’eau de surface et plusieurs paramètres spatio-temporels pouvant influencer la qualité de la source d’eau (Chapitre 2). Les modèles de régression multiniveaux permettent de considérer la structure hiérarchique des données et ainsi d’étudier la variabilité des échantillons de THM tout en contrôlant pour le regroupement des concentrations de THM entre les SAEP et entre les divisions écologiques du territoire. Dans un premier temps, des modèles de régression linéaire multiniveaux ont été développés pour estimer la variabilité régionale et temporelle d’un indicateur des précurseurs des THM, soit le carbone organique dissous (COD) (Chapitre 3). En utilisant les connaissances acquises lors de cette étude et à l’aide de modèles de régression logistique multiniveaux, nous avons ensuite développé un modèle permettant d’estimer la variabilité régionale de la probabilité que les concentrations de THM dans l’eau potable dépassent un seuil spécifique (Chapitre 4). Ce modèle de régression fut ensuite utilisé afin d’estimer l’impact possible des changements climatiques sur la variabilité régionale future de la probabilité que les concentrations de THM dans l’eau potable dépassent ce même seuil (Chapitre 5). Les modèles de régression multiniveaux ont été très peu utilisés dans le domaine de la modélisation de la qualité de l’eau potable. Or, les résultats de cette thèse ont démontré qu’ils s’avèrent un outil très efficace pour considérer la hiérarchie naturelle des variables permettant de modéliser la qualité de l’eau potable à l’échelle régionale. La base de données développée et l’exploration méthodologique des modèles de régression multiniveaux effectuée dans les différents chapitres de cette thèse offrent une plateforme unique pour les futures études de modélisation concernant la variabilité régionale de la qualité de l’eau potable. Mots clés : eau potable, eau de surface, modèle de régression multiniveau, cadre écologique du territoire, trihalométhanes, sous-produits de la désinfection, carbone organique dissous, changements climatiques / The objective of this thesis is to estimate the present and the future regional variability of trihalomethane (THM) occurrence in drinking water utilities (DWUs) supplied by surface water using multilevel models. The regional variability of THMs was investigated using a large database developed as part of this thesis that takes into account information about regulatory drinking water quality analyses, treatment infrastructures, surface water quality, and many other spatiotemporal parameters that may influence source water quality (Chapter 2). The multilevel models allow for the consideration of the hierarchical structure of the data and the study of variability among THM samples, while controlling for the grouping of THM concentrations within DWUs and at the regional level. At first, multilevel linear regression models were developed to estimate the regional and temporal variability of an indicator of THM precursors (i.e., dissolved organic carbon – DOC) (Chapter 3). Then, using the knowledge acquired in this study and based on multilevel logistic regression models, we developed a model which allows us to estimate the regional variability in the probability of THM concentrations exceeding a specific threshold in drinking water (Chapter 4). Then, this model was used to estimate the possible impact of climate change on the future regional variability in the probability of THM concentrations exceeding the threshold (Chapter 5). Multilevel models have only rarely been used in the field of drinking water quality modelling. And yet results from this thesis demonstrate that they are quite useful in considering the natural hierarchy of variables allowing for the modelling of drinking water quality on a regional basis. The database we developed and the methodological exploration of multilevel regression models that is carried out through the chapters of this thesis offer a useful framework for future modelling studies which examine the regional variability of drinking water quality. Keywords: drinking water, surface water, multilevel regression models, regional ecological framework, trihalomethanes, disinfection by-products, dissolved organic carbon, climate change

Une action au niveau des sédiments du lac Saint-Augustin est essentielle pour contrôler le principal apport interne en phosphore qui accélère l’eutrophisation du lac. Plusieurs scénarios combinant dragage hydraulique, dragage mécanique, inactivation du phosphore à l’alun et recouvrement actif des sédiments ont été élaborés sur les zones les plus fortement contaminées du lac. L’utilisation de méthodes multicritères d’aide à la décision permet de hiérarchiser les scores de performances de ces scénarios sur la base de critères technique, économique, environnemental et social. L’inactivation du phosphore par l’alun suivie de la mise en place d’un matériau de recouvrement actif de pierre calcaire sur l’ensemble des zones fortement contaminées de même que le dragage hydraulique de ces zones avec polymérisation et filtration des boues pompées à travers un sac filtrant sont les deux scénarios les plus performants. Les scénarios de dragage mécanique des sédiments contaminés arrivent bons derniers et derrière l’option statu quo. / Remediation actions scoped on the contaminated sediments of Lake Saint-Augustin are essential to control the main internal phosphorus intake that accelerates the eutrophication of the lake. Several restoration scenarios combining hydraulic and mechanical dredging, phosphorus inactivation with alum treatment and active capping using limestone are developed on the most heavily contaminated areas of the lake. The use of multicriteria methods for decision support helps to assess the best restoration scenario on the basis of technical, economic, environmental and social criteria. The inactivation of phosphorus by alum followed by the application of a limestone cap on the most heavily contaminated areas of the lake as well as the hydraulic dredging of these areas with polymerisation and filtration of pumped sediments through a filter bag appear to be the two most efficient scenarios to implement at Lake Saint-Augustin on a large scale. Mechanical dredging scenarios come last, even behind the do-nothing option.

L’eutrophisation et la contamination des sédiments (ex : métaux, nutriments, etc.) sont des problèmes majeurs pour la protection des écosystèmes aquatiques et la protection des ressources d’eau douce. Le lac Saint-Augustin (Québec, Canada) est aux prises avec ces deux problèmes. Depuis 2001, plusieurs épisodes de fleurs d’eau de cyanobactéries sont rapportés durant la saison estivale (P > 70 µg/L). Galvez et collaborateurs ont proposé une méthode de restauration pour ce lac consistant : (I) à réduire la teneur en phosphore de l’eau du lac par coagulation/floculation avec du sulfate d’aluminium et (II) à effectuer un recouvrement actif de roche calcaire et de sable afin d’isoler le floc d’Al, le P et les autres contaminants (ex., métaux) et permettre la recolonisation par le benthos. L’objectif des présents travaux était d’évaluer l’écocompatibilité de cette méthode. Deux approches écotoxicologiques ont été employées : (I) essais de toxicité monospécifiques (croissance de l’algue Pseudokirchneriella subcapitata et de la lentille d’eau Lemna minor; survie et reproduction de la daphnie Daphnia magna et de l’amphipode Hyalella azteca, survie, croissance et émergence de l’invertébré Chironomus riparius ainsi que survie des larves de tête-de-boule Pimephales promelas et des alevins de truites arc-en-ciel Oncorhynchus mykiss) et (II) essai en microcosmes de 2 litres tel qu’adapté par Triffault-Bouchet. La toxicité de l’aluminium et l’impact de la roche calcaire ont été étudiés séparément : d’abord avec eau et sédiments artificiels et ensuite avec eau et sédiments du lac Saint-Augustin. Les résultats démontrent que les algues et les daphnies sont affectées par l’application d’alun. Aucun effet n’a été observé chez les autres organismes. Ceux-ci ont eu la capacité de recoloniser les milieux traités avec l’alun ou avec la technique complète. Ces résultats tendent à démontrer que la méthode de restauration est prometteuse. L’écocompatibilité de la technique ne pourra cependant être démontrée que par des essais in situ et après un suivi étroit du phytoplancton et du zooplancton dans le lac. Toutefois, dans le cadre des présents travaux, l’efficacité des traitements (en terme de déphosphatation) n’a pas permis d’atteindre le critère de qualité du MDDEP (20 µg/L). Ces paramètres devront être étroitement suivis lors des essais in situ. Mots clés : Eutrophisation, sédiments contaminés, restauration de lac, aluminium, recouvrement actif, évaluation écotoxicologique, bioessais monospécifique, microcosmes. / Eutrophication and contaminated sediments (e.g.: nutrients, metals, etc.) are preoccupying issues in aquatic ecosystems and water resource protection. Saint-Augustin Lake (Quebec, Canada) is affected by both problems in addition to the presence of de-icing salts. This small shallow lake has low renewal time and receives an intensive phosphorus transfer from bottom sediments to the water column. Since 2001, the lake presents cyanobacteria blooms every summer (P > 70 μg/L). Galvez and collaborators has proposed a remediation method for this lake that consists of (i) the precipitation of phosphorus present in the water column by the addition of alum, in association with the deposition of (ii) an active capping layer (limestone + sand) to isolated P, Al and other contaminants (e.g., metals) within bottom sediments and allow recolonisation by benthos. The objective of this study is to assess the ecotoxicological impact of that remediation method. Two ecotoxicological approaches are used to assess the impact of this method: (I) single-species bioassays (algae Pseudokirchneriella subcapitata and duckweed Lemna minor growth; daphnid Daphnia magna and amphipod Hyalella azteca survival and reproduction, invertebrate Chironomes riparius survival, growth and emergence, fathead minnow P. promelas and rainbow trouts O. mykiss survival) and (II) a 2-L microcosm as adapted by Triffault-Bouchet. Alum toxicity and limestone impact were studied separately in laboratory: first with artificial water and sediments and then using actual lake overlying water and sediments. The results show that algae and daphnids are sensitive to alum treatment. No significant effects were observed on the other organisms. These organisms had the ability to recolonize the treated media either with alum treatment or with complete treatment. These results suggest that the restoration method is promising. The environmental compatibility of the technique, would be demonstrated after testing in situ with a close monitoring of phytoplankton and zooplankton in the lake. However, the results of this study showed that the treatments dephosphatation efficacity was not enought to reach the MDDEP quality criteria (20 µg/L). Also, the concentration of residual aluminum after treatments was still over the MDDEP quality criteria after treatments. Keywords : Eutrophication, contaminated sédiments, lake restauration, aluminum, active capping, écotoxicological évaluation, monospécific bioessais, microcosms.